一種民用客機智能診斷架構及驗證策略研究

潘玉娥 范博書

摘? ?要：隨著飛機機載電子系統結構越來越復雜，機載設備的智能診斷日益繁雜，對復雜機載電子系統的智能診斷系統體系結構設計實現和綜合驗證提出了挑戰。本文首先對比分析了兩種代表機型的CFDS和CMS體系結構、智能診斷方法。最后介紹一種大型民用客機智能診斷架構，并對機組告警系統的實現架構和驗證策略進行了詳細闡述，并通過試驗驗證了該設計實現的實用性，并可將此方法擴展到飛機PFD、發動機、顯示管理等其他系統，具有較強的擴展性。

關鍵詞：CFDS? CMS? 智能診斷? 機組告警系統? 驗證策略

中圖分類號：V267? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0009-05

Abstract： As the structure of airborne electronic system becomes more and more complex， the intelligent diagnosis of airborne equipment becomes more and more complex， which challenges the design， implementation and comprehensive verification of the intelligent diagnosis system architecture of complex airborne electronic system. Firstly， the architecture and intelligent diagnosis methods of CFDS and CMS are compared and analyzed. Finally， an intelligent diagnostic architecture for civil aircraft is introduced， and the implementation framework and verification strategy of the crew alarm system are elaborated in detail. The practicability of the design and implementation is verified by experiments. This method can be extended to other systems such as aircraft PFD， engine， display management and so on. It has strong expansibility.

Key Words： CFDS; CMS; Intelligent Diagnosis; Crew Alarm System; Verification Strategy

1? A320 CFDS體系結構

1.1 CFDS結構框架

機載電子系統智能診斷體系結構是診斷功能得以實現的硬件基礎，而體系結構下智能診斷算法是體系結構實現智能診斷任務的后臺支撐。按照ARINC604標準，A320飛機的CFDS是一個集中維護輔助系統，該系統給予維護技術員一種讀取與大部分飛機系統相關的維護信息的方法和一種從駕駛艙啟動這些系統的測試的方法，如圖1所示。

CFDIU實現與CFDU、ACARS、打印機、飛行警告計算機和時鐘等的接口。功能主要包括：自檢功能、部分余度功能、故障存儲功能、故障相關功能、接口功能、過濾器功能。

1.2 基于邏輯的診斷

A320飛機的故障診斷采用基于邏輯方程分析的方法。復雜機載電子系統不同元件在工作之間具有關聯性和內在規律，故障現象與故障原因之間并非一一對應關系，往往是某一故障現象的引發原因存在多種可能。邏輯分析法是依據系統結構與工作原理，通過故障現象與可能存在的故障原因之間的關聯性分析，推導出逼近故障原因的思維方法。基于邏輯的診斷方法可在復雜故障的排查中逐步縮小故障部位的范圍，為準確診斷復雜故障提供依據[1]。

2? B777 CMS體系結構

2.1 CMS結構框架

根據ARINC624標準，波音777的機載維護系統（OMS）體系結構框架如圖2所示。

CMC主要實現如下功能：

（1）余度管理：自動確定主中央維護計算功能、兩個中央維護計算功能相互配置檢查（軟件）、中央維護源轉換。

（2）中央維護計算機功能自測試。

（3）單個中央維護計算機功能通電配置檢查（軟件）。

（4）單個和雙個硬件故障檢查（硬件）。

（5）故障數據處理。

（6）可裝載診斷信息。

（7）航段和飛行階段計算。

（8）地面測試。

（9）系統配置。

（10）輸入監控。

（11）空中發動機配平。

（12）特殊功能。

（13）數據裝載網關。

（14）軟件控制操作。

（15）內場故障處理。

（16航線數據庫。

（17）報告生成。

（18）接口協議。

2.2 基于模型的診斷專家系統

波音777飛機的飛行信息管理系統AIMS是一個極為龐大的電子系統。該系統依靠眾多的傳感器和計算機，收集和計算了大量數據，由AIMS來處理這些綜合電子系統的數據。系統共分為：主顯示系統PDS;中央維護計算系統CMCS;飛機狀態監控系統ACMS;飛行數據記錄系統FDRS;數字通信管理系統DCMS;推力管理計算系統TMCS;數據轉換通道功能塊DCGF。

下面使用不同層次的方式對AIMS進行形式化建模[2]。

七大子系統為第一次層次COMPS={PDS，CMCS，ACMS，FDRS，DCMS，TMCS，DCGF}。系統功能描述為：﹁ab（PDS）∩﹁ab（CMCS）∩﹁ab（ACMS）∩﹁ab（FDRS）∩﹁ab（DCMS）∩﹁ab（TMCS）∩﹁ab（DCGF）╞系統正常。

在第二層次上把七大部件的每一部件再分為組件。例如，COMPSPDS={DU，RLS，CP，CCD，DSP，CDCP}。系統功能描述為：﹁ab（DU）∩﹁ab（RLS）∩﹁ab（CP）∩﹁ab（CCD）∩﹁ab（DSP）∩﹁ab（CDCP）╞﹁ab（COMPSPDS），等等。

第三個層次為元件層次，把每個組件分為元件級。如，COMPSDU={內部溫度傳感器，電源接口，電路元件1，···，電路元件n}。功能描述為：﹁ab（內部溫度傳感器）∩﹁ab（電源接口）∩﹁ab（電路元件1）∩···∩﹁ab（電路元件n）╞﹁ab（COMPSDU），等等。

對系統的診斷，觀測集OBS的選取非常重要。對于主顯示系統，可以根據模型和經驗合理選取觀測集。具體實現方式可以通過地面測試設備及機內自測試電路得到實現的觀測集。觀測集OBS的元素主要有各子系統和部件能否實現相應功能，例如，主顯示系統是否正確顯示飛行圖像，控制面板有無輸出信號等等。B777飛機的中央維護計算機CMC功能強大，觀測信號被傳送到CMC后，與系統預測值進行比較，進一步進行診斷。為了實現元件級的診斷，每個部件都有相當于邊界掃描的自檢功能，可得到元件層次的觀測集。

航空電子系統設計過程中可以得到形式化的系統模型，利用系統模型通過一定的算法即可以進行診斷。下面介紹基于模型的診斷技術在B777航空電子系統中的具體實現方式。

沖突集的表示由前所述，若ab（ ）為真，表示本元件反常，例如ab（DU）為真，表示DU反常;﹁ab（ ）為真，表示相應元件正常，例如﹁ab（DU）為真，表示DU正常。

列舉有關沖突集，例如：“顯示黑屏”的沖突集為：{﹁ab（DU），﹁ab（電源接口），﹁ab（電路元件i）}。

當出現駕駛艙效應時，系統從第一層次進行診斷，計算出最可能損壞的部分，同時產生自檢信號進行測試，確定最可能損壞的部分;然后從第二層次對最可能損壞的部分進行下一層次的診斷，如此通過遞歸進行診斷，直到找到最可能損壞的元件，并顯示故障代碼信息，提示維護人員故障的可更換元件，并更換故障可更換元件進行維護修復，通過故障再驗證確認故障完全排除。

3? 一種基于顯示系統的智能診斷架構

一種大型民用客機顯示系統的智能診斷架構如圖3所示。

此功能提供系統監控功能，主要監控顯示系統的數據有IDU交叉參數監控、Baroset誤比較、系統輸入監控等。

此功能提供機內測試（BIT）、故障報告和生命周期記錄功能。BIT按系統運行方式分為上電機內測試BIT（PBIT）、連續BIT（CBIT）和啟動BIT（IBIT）。通電階段，顯示系統在通電后自動執行PBIT測試。在起飛、爬升、巡航、下降和進近階段，顯示系統定期執行CBIT測試，并向OMS發送故障報告和配置信息。在維護階段，維護人員可以通過OMS維護格式啟動IBIT并檢索生命周期記錄。

顯示系統向OMS提供故障報告包括：

-向OMS提供IDU故障報告

-向OMS提供CP故障報告

-向OMS提供ISIS故障報告

-向OMS提供HUD故障報告

-向OMS提供EVS故障報告

-向OMS提供IMA HA故障報告

4? FDAS物理/邏輯架構

FDAS為飛行機組提供飛機系統告警狀態信息。外部系統提供初始化數據、故障和告警信息，輸出到FDAS，產生告警。FDAS接收外部系統的輸出，進行信息處理，優先級處理，并形成相關的告警給飛行人員。一旦告警形成，告警通過CAS信息顯示或通過特定的非CAS顯示（例如TC告警顯示在PFD），控制面板指示燈，或者音頻系統的形式通知機組人員[3]。

并且，FDAS計算飛機飛行階段，供AFDS網絡上其他用戶系統使用。為了減少飛行員的工作量和防止分散注意力，在某些飛行階段許多告警被抑制。

某民用飛機FDAS物理/邏輯架構如圖4所示，FDAS功能可以分解成以下子功能：

（1）計算FDAS飛行階段。

（2）計算告警。

（3）顯示CAS頁面。

（4）顯示非CAS視覺告警（IDU）。

（5）觸發音頻告警。

（6）觸發CPA告警。

（7）觸發MW/MC告警。

（8）與其他系統交聯（ISS，OMS，FRS等）。

5? FDAS驗證策略

5.1 告警邏輯庫驗證

通過計算告警邏輯庫中的邏輯表達式，可以觸發不同類型的告警。不同類型的告警定義如表1。

邏輯表達式定義如表2所示。

采用模型開發和驗證系統（MDVS）進行系統驗證測試。測試框架發生器（TFG）用于配置項的測試和驗證，TFG能夠以EXCEL或python腳本格式運行測試腳本[4]。測試方法采用自動測試和手動測試相結合的方式。測試過程圖參見圖5。

手動測試。根據ICD或生成的配置文件的定義。使用ADS2 Table view進行手動設值，數據類型包括A664，A429，A825，BLOCK等，具體考慮FSB， SSM， LABEL， SDI， ACTIVE的賦值。

自動測試：使用EXCEL給具體參數賦值，編輯生成自動測試用例，可以使用SET，VERIFY，WAIT，RAMP等語句。轉換成python格式腳本，用于測試用例的編譯和運行。同時，測試腳本運行后的數據也可以使用ADS2 Table view來實現顯示監控。所有的ICD配置數據都存儲在CVT數據表格中，可以通過ADS2 Tableview實現數據的設值、顯示和監控。

測試界面如圖6所示。

5.2 FDAS驗證策略

FDAS的驗證范圍應涵蓋第4章所介紹的FDAS的所有子功能。驗證方法主要采用測試用例或測試程序。具體驗證策略見表3所示。

6? 結語

本文首先比較e分析了兩種代表機型（A320和B777）的故障診斷系統體系結構和智能診斷方法。A320飛機的CFDS體系結構遵循ARINC604標準，采用基于邏輯的診斷;B777飛機的CMS體系結構遵循ARINC624標準，采用基于模型的診斷專家系統。隨后闡述了某種大型民用客機的智能診斷系統架構、機組告警系統架構，并給出了機組告警系統的設計驗證策略，并進行了試驗，具有較強的應用性和擴展性。

參考文獻

[1] 年夫順.關于故障預測與健康管理技術的幾點認識[J].儀器儀表學報，2018，8（8）：1-8.

[2] 孫賢明，樊曉光，叢偉.綜合航電系統故障處理機制研究[J].測試技術，2016，35（10）：146-149.

[3] 劉文學，孔德岐，田莉蓉，等.一種基于一體化設計的通用飛機機載電子系統架構[J].航空計算技術，2018，9（5）：134-138.

[4] 殷媛媛，賀旺.民用飛機機組告警級別設計原則[J].飛機設計，2018，8（4）：67-70.