淺談航電健康管理技術現狀

劉瀏

【摘 要】文章介紹了國內航電系統的現狀，探究了航電系統失效的主要原因，以及元件級、電路板級、系統級的測試方法，并詳細分析了當前航電健康管理測試技術。

【關鍵詞】航電系統；健康管理；技術

【中圖分類號】V243 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）12-0149-03

0 引言

航電系統是任何飛機、宇宙飛船或運載火箭管理模塊的關鍵部分。航電系統在飛行器中起著中樞神經的作用，運行著管理和控制算法。因此，航電系統的失效將會對飛行器的運行和任務的完成產生重大影響。設計缺陷、制造缺陷，以及環境引發的故障，是造成航電系統失效的主要原因。

1 航電系統發展現狀

1.1 航電系統的組成

航電系統由管理飛行器的運行和為飛行器系統提供電能的必要部件組成，由飛行計算機、數據網絡或數據總線、制導、導航和控制系統、通信和跟蹤系統、電源子系統、在硬件部件上執行的軟件、飛機所有子系統中的傳感器組成。

1.2 航電系統的結構

航電系統有2種基本結構類型：聯邦系統和模塊化的集成系統。這些機構可以確定航電系統對于航電系統內部失效管理的響應。聯邦系統是傳統的結構方法，包含一組集成但是不相同的航電部件。每個航電部件都是一個獨立的單元，不同的廠家采用不同的技術。模塊化的集成系統是一種新興的設計方法，目的是通過為部件提供通用接口，實現系統相互連接的優勢最大化。集成是在不同級別上的，在總線上開始傳遞信息，并收集所有信息用于處理和顯示。

1.3 航電技術

航電部件主要是電子系統，同時也包括重要的射頻系統、光學系統和微電子機械系統。模擬器件是非常重要的組件，如在激光驅動模塊中的使用。通過模擬電路對熱穩定性和壓力穩定性變量進行嚴格控制。電力子系統利用模擬器作為功率調理電路。數字器件對所有的航電部件都很重要。微處理器數字控制邏輯、可編程器件，以及其他形式的離散邏輯器件都很普遍。系統使用處理器對傳感數據進行校正和轉換。對于傳感器的應用，智能傳感器中包含數字邏輯，提供嵌入式網絡通信、自檢、故障檢測和嵌入式工程單位轉換。光學系統應用于環形激光陀螺和光纖數據網絡，光學系統主要受熱穩定性的驅動，以保持波長的穩定性。

2 航電系統的失效原因

2.1 影響因素

影響裝備健康狀態的因素大致可劃分為不可控因素和可控因素兩大類，不可控因素包括裝備自身因素和地理環境與氣候因素。環境是一個重要的外部影響因素。對系統影響的一些參數主要分為3種環境類型，分別是地面、航空和太空。環境參數對于航電組件故障是一個重要的驅動。在某些情況下，設備的工作環境可以被主動控制以維持一個合適的工作環境。列舉幾個主要參數，溫度影響所有類型的航電設備，大多數電子和微機電系統都能在軍用標準-55 ℃～85 ℃范圍內工作，超出范圍會導致設備失效，溫度控制的失效會很快導致航電組件的失效。氣壓是一個常見問題，特別是低壓力，氣壓降低時，系統必須設計能預防電暈放電，否則會造成阻尼性能退化，并破壞設備的靈敏度。對于工作在高濕度環境中的設備，必須考慮濕度影響，水分會導致電路短路，破壞器件。海水環境因水蒸氣中含有鹽分，對航電元件的包裝有很大的腐蝕性。電氣環境處理的是電磁干擾和閃電。電磁干擾可以由自然界或者系統來產生。電磁兼容一般通過屏蔽電線和包裝、合理布線、消除會產生傳輸效果的元件特性等來解決。閃電對于航電設備是一個重要威脅，飛行系統要求接地系統能夠將大電流從航電元件上轉移掉?？煽匾蛩刂饕侨藶橐蛩?，主要包括管理人員落后的管理方式、操作人員不正確的使用方式、維修人員不合適的維修方式等。

2.2 故障源

故障源會影響航電系統的組件和系統。故障來源于設計與制造階段或是外部環境。設計和制造過程中產生的故障包括設計缺陷、材料缺陷和制造缺陷。通過在設計周期的每個階段密集檢測、正確運用仿真，以及機載級/系統級測試發現問題，可顯著減少設計缺陷。環境試驗能夠找到在極端的操作條件下發生故障的設計缺陷，采用溫度循環測試，可以發現與環境相關的時變因素。用戶通常并不知道材料缺陷主要是由制造過程存在瑕疵引起的，在檢驗和核心部件的資格認證過程中也可能出現這種設計缺陷。制造故障與半導體、金屬沉積、芯片級蝕刻、焊接和組件在板子的位置等問題有關。粒子沖擊噪聲檢測可以發現制造問題，好的視覺檢查與深入的實驗測試和環境測試能夠發現這些問題。

3 航電健康管理技術及健康狀態評估方法

3.1 健康管理技術

健康管理方法是在元件級利用各種電子誤差檢測和測試技術，包括掃描設計/內置自檢、錯誤檢測和校正、邊界掃描，以及模塊測試和維護總線，解決芯片級或電路板級的異常數據。表決技術也是用來檢查電路板和模塊級的異常和故障。在研發中用來檢測發生在元件間的系統級失效的技術，可概括為3個層次的測試：元件級、電路板級、系統級。

元件級有2個重要的測試技術：掃描設計和內置自檢。掃描設計的原理是能夠訪問被寄存器圍繞的組合邏輯電路。該技術是將嵌入式寄存器轉化為電路虛擬的主要輸入和輸出，使用內置自檢技術可以解決測試矢量生成難的問題。錯誤檢測和校正是一種檢測存儲系統或傳輸系統中的比特錯誤并進行修正的方法。用于實時誤差檢測，而無需使電路板停止工作。

電路板級重要的測試技術是使用邊界掃描技術。最廣泛支持的掃描設計的是由聯合測試行動小組開發的邊界掃描，并形成IEEE 1149.1標準。通常在電路板不運行應用軟件時進行邊界掃描測試或編程，通過JTAG接口應用可以加載和運行應用軟件，邊界掃描軟件仍然能夠工作，這類測試通常在制造和維修測試期間進行。邊界掃描技術對于離線測試非常有用，但不支持實時失效檢測或故障診斷。

在系統級，健康管理方法目前集中在系統維護方面。一個嵌入式航電系統的集成方法有很多。集成化的“系統”關系可為收集用于診斷故障和預測失效的證據提供很大的便利。實現航電系統健康管理的關鍵是結構標準。一種開放的數據結構通過對數據流代表哪些信息的標準及單個數據元素代表什么規范化的元數據描述進行封裝，實現整個航電健康管理系統的信息連續性。

3.2 健康狀態評估方法

裝備健康狀態是指在規定的條件下和規定的時間內，能夠保持一定的可靠性和維修水平，并穩定、持續實現預定的能力。從某種程度上說，裝備的健康狀態是指裝備保持一定可靠性和維修水平的能力，是裝備在一定范圍的置信水平。裝備健康狀態是一個多屬性評估、動態性評估、約束性評估、層次性評估。采用故障和正常的二值函數來描述裝備狀態已難以滿足實際需求，可將裝備狀態分為5級：健康、良好、注意、惡化和疾病。裝備健康狀態評估技術的核心是評估方法，是針對特定研究對象的特點，選取相適應的評估方法來展開評估，模型法、層次分析法、模糊評判法、人工神經網絡法和貝葉斯網絡法是常用的評估方法。

其中，模型法可信度高，是通過建立被研究對象的物理或數學模型進行評估的方法，但主要不足是建模過程比較復雜、模型驗證較為困難，隨著評估對象的變化，要對模型進行修正，該方法的范圍受限。層次分析法是將復雜問題轉為定量計算的一種有效的決策方法。將一個復雜問題表示為有序的遞階層次結構，并確定同一層次中各評估指標的初始權重，將定性因素定量化，這種方法更科學。使用模糊評判法進行評估主要是由于裝備健康狀態的不確定性，傳統的精確評估方法無法適用，需要建立評估指標的因素集和合理評判集，通過專家評定或其他方法獲得模糊評估矩陣，再利用合適的模糊算子進行模糊變換運算，最終獲得結果。人工神經網絡法的一般步驟是先建立人工神經網絡模型，再利用訓練樣本對人工神經網絡進行訓練，最后利用訓練好的網絡進行評估分析。貝葉斯網絡又稱信度網絡，是一種不確定知識表達模型，具有良好的知識表達框架，是當今人工智能領域不確定知識表達和推理技術的主流方法，易于學習因果關系，實現領域知識和數據信息融合。

由于裝備健康狀態的影響因素眾多，包括自身因素、人為因素、與地理環境、氣候因素等，所以很難定量描述，而可靠性分析方法——FMECA方法通過對裝備每一約定層次的故障模式、原因及其影響進行分析，建立各約定層次之間的迭代關系，可得到裝備由正常狀態發展為故障狀態的各系統、各層次的影響因素，可利用FMECA結果進行裝備健康狀態評估。

4 結語

現有的航電應用中，航電系統健康管理有很多種形式，但是效果并不理想。傳統的健康管理技術主要集中于反應行為而非預測行為上，隨著任務期望的增高及任務時間增長，預期可能遇到的問題并采取相應辦法解決始料不及的問題的能力變得更為重要。有很多技術可以提高航電系統對于失效的響應速度和提高任務的可靠性，新興技術領域的先進故障檢測技術、診斷技術及可重購計算技術，為航電健康管理系統做出了巨大貢獻。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]