民用飛機機載維護系統體系結構分析

沈新剛 田林 呂鎮邦

摘要：民用飛機機載維護系統（OMS）可有效提高飛機安全飛行、降低運營和維修成本，航空工業部門愈發重視機載維護技術的發展，但由于國內民機發展較晚，其頂層架構技術尚處在探索中。本文簡要介紹了機載維護系統典型架構和系統組成，提出面向二級用戶目標的系統功能設計、層次化OSA-CBM功能模型設計、基于機載信息系統（AIS）處理平臺的系統結構，以及闡述對成員系統的維護設計需求，最后對未來機載維護系統技術的發展與應用進行了討論。機載維護系統體系架構的研究對新一代民機機載維護系統的研制將具有重要的參考價值。

關鍵詞：機載維護系統；健康管理；故障診斷；故障預測；體系結構

中圖分類號：V243文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.004

基金項目：工信部民機科研項目（MJ-2017-S-58）

隨著機載維護系統（onboard maintenance system， OMS）在飛機維修領域的廣泛使用，早期由于無法測知故障源頭而產生維修困難的現象已經不復存在。機載維護系統作為現代民用飛機航空電子系統必備的子系統之一，通過對飛機故障準確定位，幫助維護人員實施準確、及時維修，保持飛機的持續適航性，從而保障飛機安全運營，減少航班延誤，提高飛機使用效益，降低飛機使用成本[1]。

機載維護系統通過監控航線可更換單元（LRU），對飛機系統進行故障探測和處理、分析與整合，實現對飛機系統及時且準確的故障報告與診斷，提高飛機的維護與維修效率，進而降低航空公司的維護成本。隨著故障預測與健康管理（PHM）相關技術在航空領域得到廣泛應用且顯現成效，視情維修的目標需求也出現在機載維護系統的設計中。具備實時監控系統工作狀況、專家級的故障診斷能力，以及對系統工作狀況的預測功能等，能夠幫助機組人員實時掌握飛機的工作狀況，幫助維修人員及時制訂維修保障方案，準確快速地維修故障部件，判斷飛機預計的工作狀況并制訂可能的保障預案，從而提高飛機的維修性、可用性、保障性，實現飛機從事后維修和定期維修向視情維修的轉變[2]。

從機載維護系統的市場應用情況來看，空客A380和波音787均裝備了OMS，代表著機載維護系統的較高水平。國內民用飛機ARJ21和C919也都配備了OMS，可以看出OMS已經成為民用飛機的標配。然而包括ARJ21和C919在內，主要服役和在研飛機的OMS均為國外廠商所壟斷，因此，開展機載維護系統體系架構的研究，掌握民機機載維護系統設計的核心技術，提高國內系統供應商的研制能力，對于打破國外公司對民機維護系統市場的壟斷局面具有重要意義。本文在分析典型機載維護系統體系結構的基礎上，從用戶級的系統功能確立、依據OSA-CBM模型縱向進行的功能分解、機載維護系統核心處理的架構設計，以及全機范圍的成員系統設計4個方面討論了民用飛機機載維護系統頂層架構設計。

1典型民用飛機機載維護系統

由于飛機設備復雜性和系統構成復雜性的不斷提高，對維護系統的要求也進一步提高，隨著設計技術的進步，飛機維護系統的發展經歷了三個階段。第一階段對飛機重要子系統和部件狀態實現數字化顯示，使得維修人員可以交互式的方式完成對設備部件的維護。第二階段采用聯合式的數字化系統結構和專用的中央維護計算機（CMC），基本實現對全機大部分子系統的狀態監控和維護管理。第三階段以A380和波音787機載維護系統為標志，實現了維護系統和航電系統的高度綜合，先進網絡以及健康管理技術的應用使得綜合故障診斷和更深層次故障診斷、狀態分析得以實施，測試覆蓋率、故障隔離率和虛警率等方面性能有了明顯提高[2]。

根據ARINC624-1的定義，OMS提供故障診斷、飛機狀態監測、數據加載功能。OMS通過監控LRU的機內測試（BIT）及相關數據，對飛機系統進行故障探測和處理、分析與整合，實現對飛機系統及時且準確的故障報告與診斷；通過對飛機系統狀態參數的監測，并記錄特定情況下的狀態，為評估飛機健康狀態、部件維修、產品改進提供支持；通過提供統一的數據加載接口，實現飛機各部件和系統的軟件、數據庫的更新[3]。這些功能都能夠顯著提高飛機的維護與維修效率，進而降低航空公司的維護成本。

一個典型的機載維護系統如圖1所示，由以下幾部分組成：（1）支持機內自檢的成員系統；（2）裝有用于狀態監測傳感器的成員系統；（3）承擔機載維護系統核心處理的計算機或計算資源；（4）座艙中用于顯示的終端設備；（5）機載數據存儲訪問接口；（6）座艙打印機接口；（7）數據鏈接口；（8）數據加載/下載接口；（9）人工控制板接口；（10）便攜式顯示終端設備。

2民用飛機機載維護系統設計

隨著PHM技術的不斷發展和相關領域的技術進步，民用飛機機載維護系統在具體實現層面上會融合更多的新技術、新方法。機載維護系統的頂層設計勢必會在功能、架構、實現方法上進行改進，以滿足新一代民用飛機低運營成本、高維修效率的需求。

2.1基于用戶目標的功能設計

民用飛機機載維護系統設計目標的確立是其系統設計的關鍵所在。機載維護系統的主要用戶可以分為兩類：外場維護人員、與維護工作相關的其他人員。

外場維護人員的主要責任是修正飛行日志中的差異，并恢復適航，包括修理或更換有差異的部件，按照適航當局批準的最小設備清單（minimum equipment list， MEL）要求推遲維修。外場維護人員的工作環境是計劃驅動的，即如何安全滿足發布的起飛時間要求。所以維護人員必須盡快地完成維護活動，很少有時間進行詳細分析，維護工作僅限于那些可直接通過維護消息、駕駛艙效應（FDE）和飛行日志定位的故障。

與維護工作相關的其他人員包括基地和機庫維護人員、部件修理和設備檢查人員（包括第三方專業維修機構）、設備供應商的工程設計和功能測試人員、維護管理和計劃人員等。通常開展詳細的故障隔離、工程分析、系統測試等定期維護相關的活動。

對于兩類目標用戶提供有針對性的系統功能是機載維護系統系統設計的主要任務。圖2為面向兩類用戶目標的機載維護系統系統功能分配。

（1）故障診斷

提供故障檢測、級聯故障消除、故障綜合診斷和隔離、故障報告、FDE關聯、故障排故信息索引，外場維護人員可以根據維護消息和操作指示執行故障排除任務。

（2）地面測試

提供診斷測試程序啟動、參數調零和校準、非易失存儲（NVM）維修數據下載和傳輸，外場維護人員可以執行故障診斷和隔離、系統驗證測試、LRU替換驗證測試、參數調零和校準操作。

（3）數據加載

提供軟件、數據加載，外場維護人員可以完成軟件和數據的更新。

（4）構型報告

提供飛機系統的軟硬件構型狀態收集和報告，外場維護人員可以掌握和確認飛機構型信息。

（5）飛機狀態監控

提供數據采集、數據計算、趨勢/超限數據捕獲、系統參數顯示/記錄、生命周期數據記錄、飛機狀態信息生成，為地面維護提供基礎維護數據，為航空公司地面維護、設備供應商維修和產品改進提供幫助。

（6）地面健康管理

提供健康狀態實時評估、剩余壽命RUL計算、維修建議、備件庫管理、飛行和維護數據分析，維護管理和計劃人員依據維修建議開展視情維修活動。

2.2層次化OSA-CBM功能模型

民用飛機機載維護系統作為飛機級健康管理系統，同樣在系統的設計層面也應參考OSA-CBM的層次架構[4]，分成7個層次，如圖3所示。

（1）數據獲取層

數據獲取層可以考慮三方面的內容。一是安排傳感器去獲得監測對象的狀態數據，如溫度、壓力等，這些數據可能是較為原始的電壓/電流形態，需要進一步的處理。二是被檢設備的狀態數據，通常是通過機內自檢程序產生的。三是連接被檢設備各種輸入/輸出總線上的數據。

（2）數據處理層

數據處理層需要考慮接收來自數據獲取層的數據并進行必要的加工處理，包括過濾傳感器數據、頻譜、轉換實際的傳感器信號，提取特征值等處理。

（3）狀態監測層

狀態監測層需要考慮過濾前兩層傳來的數據，依據閾值等過濾算法，發現存在的異常狀態，并且形成異常狀態報告。

（4）健康評估層

健康評估層可以考慮在機載端依據健康狀態評估模型形成機載健康狀態報告，供機組人員和外場維護人員使用。

（5）預測層

預測層在機載端考慮收集健康狀態、故障診斷和記錄數據，為地面的部件壽命預測提供支持。

（6）決策支持層

決策支持層在機載端考慮對故障及發生異常的處置進行決策支持，給機組和維護人員提供行動指南。

（7）表達層

表達層在機載端考慮實現機載維護系統的人機接口，包括座艙內機組人員使用的人機接口和維護人員使用的便攜式人機接口方式。

在地面端機載維護系統需要考慮的功能包括三方面的內容。一是飛行和維護數據分析功能。通過對歷史故障數據、地面診斷模型、知識庫數據的處理，包括數據挖掘、數據融合、故障預測、健康狀態評估。這些可以認為是跨過數據獲取層、數據處理層、狀態監測層、健康評估層和預測層。二是維修決策支持，以健康評估和故障預測結果為依據，形成維修計劃和維護數據庫，以指導維修活動。三是建立地面健康管理人機接口[5-7]。

2.3基于信息系統處理平臺的系統架構

機載信息系統（airborne information system， AIS）處理平臺是新興的機載系統，它通過與機載數據網絡的高效集成，提供包括飛機通用信息、駕駛艙信息、維護信息和視頻音頻監視信息的高集成度信息化平臺[8]。新一代民用飛機機載維護系統的核心處理可以考慮建立在機載信息系統處理平臺之上，充分利用其提供的豐富資源。圖4為基于機載信息系統處理平臺的OMS系統架構。機載維護系統可利用平臺資源包括以下5方面內容。

（1）模塊化通用計算處理環境

機載維護系統核心處理軟件可以駐留在通用計算處理環境中，利用通用計算處理環境提供的豐富計算資源，如高速CPU、大容量內存、大容量存儲、系統服務等。同時由于機載維護系統的研保等級可以是DAL D及以下，因此系統的研制成本可以大大降低。

（2）飛機數據網絡的安全網關接口

安全網關將飛機數據網絡和機載信息系統平臺隔離開來，這樣機載維護系統可以安全地訪問飛機數據網，而不會帶來安全問題。

（3）機上信息大容量存儲

相比較綜合航電系統（IMA），機載信息系統能夠提供更大容量的存儲能力，這一點正是可以滿足未來機載維護系統對海量維護數據存儲的需求。

（4）機場無線通信

機載信息處理平臺提供機組無線網絡和機場無線網絡作為兩個無線接入點。飛機在著陸后可以迅捷地接入到機場網絡，與地面進行數據交互。便攜式設備在地面也可以快捷地通過機組無線網絡連接到機載維護系統，方便開展飛機維護活動。

（5）機上顯示

機載信息處理平臺提供座艙側顯（MAT）、座艙打印機、便攜式設備（PMAT）作為機載維護系統的人機接口，分別承擔機載維護系統的座艙固定顯示、移動設備顯示和報告打印輸出的角色。

2.4對成員系統的需求

機載維護系統需要覆蓋飛機全機的維護保障活動，飛機各系統和設備被視為機載維護系統的成員系統而納入到機載維護系統體系當中。如圖5所示，組成機載維護系統有兩個部分：一是成員系統，二是機載維護核心處理系統。成員系統好比人體全身的神經末梢，承擔著數據采集處理、故障檢測隔離等基礎任務；而機載維護核心處理系統好比大腦，綜合處理來自飛機各系統的維護數據，形成可支持維護活動的結論并提供給機組和維護人員使用。

成員系統和核心處理系統的協同工作是機載維護系統成功的關鍵。在成員系統的設計中要考慮5個方面的內容：（1）故障檢測、隔離、報告：對于內部故障的檢測和隔離；對外部接口故障的檢測和報告。（2）故障記錄和報告：定義實時報告過程、FDE關聯方法、NVM數據記錄與訪問。（3）地面測試：定義測試過程、測試頁面設計方法、測試報告過程；（4）構型數據和報告過程。（5）成員系統數據加載：定義加載管理端與目標機之間的加載協議、加載狀態、數據加載顯示等數據加載過程，以及建立可加載數據包指南[9]。

從系統層面規范和指導成員系統對核心處理系統的支持，主要包括在線數據存儲和通信以及離線數據建模兩方面的內容。在線數據存儲和通信接口有：（1）周期性BIT、狀態參數；（2）加電BIT、異常檢測；（3）啟動BIT；（4）構型數據；（5）歷史數據。離線數據建模則主要包括：（1）在設計階段，基于測試性、可靠性和安全性分析，利用輔助工具完成模型的開發；（2）狀態監測、故障診斷、測試與維護等相關模型的驗證與集成；（3）在設計后期和維護使用階段，通過對產品試驗和歷史數據的挖掘，不斷熟化模型。

3機載維護系統的發展與挑戰

今后的機載維護系統會朝著更加綜合化、智能化、網絡化的方向發展。更多傳感器的布局和數據融合技術的應用帶來系統綜合能力的提高；人工智能算法的成熟和廣泛應用帶來故障診斷、預測、健康評估、維修方面智能化的提升；網絡技術的應用則使得飛機、地面維護、機隊、專業維修機構、航空公司、飛機制造商、航空管理部門形成一體化的整體。

機載維護系統技術需要在以下幾個方面加大研究力度：（1）采用體系化的設計方法，統籌機載維護系統與成員系統的設計，將設計要求貫徹進全機各系統的設計開發中[10]；（2）強化BIT等基礎數據生產者的設計，進一步提高數據源的監測精度，使用可靠的傳感器設備[11]；（3）進一步提高預測系統的綜合性能，多種故障預測算法相結合可以有效提高故障預測的可靠性，降低故障虛警率[12]；（4）加大機載維護系統仿真驗證系統的研制，支撐故障預測算法的開發和驗證[13-15]。

4結束語

本文在對民機機載維護系統發展階段回顧和典型機載維護系統體系架構分析的基礎上，就機載維護系統頂層設計所關心的體系結構問題給出了設計內容和方法，包括機載維護系統面向用戶目標的功能設計、層次化OSA-CBM功能模型設計、基于機載信息系統處理平臺的系統架構，以及對成員系統的需求。同時也指出了未來機載維護系統的發展趨勢及需要加大研究力度的關鍵技術領域。這些對于今后開發民用飛機機載維護系統會有所裨益。

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作者簡介

沈新剛（1968-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：健康管理與軟件工程。

Tel：029-88151307

E-mail：xgshen163@163.com

田林（1977-）男，碩士，工程師。主要研究方向：健康管理與軟件工程。

Tel：029-88151309E-mail：tlin@avic.com

呂鎮邦（1976-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：健康管理與軟件工程。

Tel：029-88151072

E-mail：lzbang@avic.com

Analysis of Framework for the Civil Aircraft Onboard Maintenance System

Shen Xingang*，Tian Lin，Lyu Zhenbang

AVIC Xian Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xian 710068，China

Abstract： Because the civil aircraft Onboard Maintenance System （OMS） can improve the aircraft safety， and reduce the operation and maintenance cost， the aviation sector increasingly attaches more importance to OMS technology development. But due to the late initiation of domestic commercial aircraft development， the top OMS architecture technology research is still in exploration. The typical structure and system functions of OMS are briefly introduced. Then the methods and designs for high level top architecture of OMS are provided， including system function design based two-level user objectives， the hierarchical OSA-CBM function model， the OMS architecture based on Airborne Information System（AIS） processing platform， and the interface requirement for OMS member systems. Finally， according to the characteristics of OMS， the application and development of future OMS technology are discussed. The research on OMS architecture will have important reference value for the development of OMS for new generation civil aircraft.

Key Words： onboard maintenance system； health management； fault diagnosis； fault prediction； architecture