支线民用飞机健康管理系统架构设计

CassandraH

摘 要 本文介绍了飞机健康管理系统产生及国内外应用情况，通过对典型健康管理系统的架构进行分析，同时根据支线民用飞机航程短、起降频繁的特点，提出了采用与无线快取记录系统共享的地面无线网络来取代空地数据链系统，进行故障数据和飞机状态信息的传输，从而形成了一套适用于支线民用飞机的健康管理系统架构。
关键词 支线民用飞机；健康管理；自检测；故障诊断；无线网络
中图分类号 V2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）150-0131-01
现代民机综合应用了电子、机械、计算机及自动控制等多学科的先进技术，结构层次多而复杂，系统耦合度高，在运营过程中不可避免地会发生各种故障，其故障诊断具有涉及专业领域多、诊断难度大、要求时间短等特点，对诊断人员要求较高，往往需要多位专家共同排故，给实际工作带来很多困难。航线排故是飞机维护工作中对时间要求最苛刻的一个环节，一般发生在航前、短停、航后时段。要保证飞机安全、准点飞行，机务维护人员必须要及时、准确、高效地解决飞机发生的各种故障。尤其是飞机处于外站短停阶段，如果出现故障，且不能及时排除，往往会造成航班延误甚至取消，给旅客造成极大的不便，同时也使航空公司蒙受一定的经济损失。
我国产某支线飞机除国内使用外，目前销售到非洲、美洲、东南亚等多个国家，国际化销售的现状是：用户分布远、机队规模小、用户技术力量薄弱，很难在这种现状下建立起用户满意的现场售后服务体系，急需寻求新的售后服务解决途径。因此，先进的机载维护、远程维护支持与健康管理系统，以及网络化服务等技术，是该系列飞机提高售后服务能力的有效方法。同时，支线飞机具有航程短，起降频繁，过站时间短等特点，大型远程飞机中使用的健康管理系统架构不能完全适用于支线飞机，所以需要建立一种适用于支线飞机的健康管理系统架构。
1 健康管理系统国内外应用情况
20世纪90年代初期，基于模型的诊断技术也在不断的发展和完善。被称为测试性之父的Ralph A. De Paul. Jr.于1965年提出了基于逻辑模型的故障诊断概念，并于70年代用于计算机、军事和便携式计算机等。80年代，基于逻辑模型的诊断技术逐步发展完善，研发出了便携式基于模型的排故，统和卓越的电子设备维护和排故原型机，并将基于模型的诊断技术应用到战斗毁伤修复。80年代中后期，发展出了WSTA（武器系统测试性分析）和IDSS （综合诊断支持系统），并实现了与测试程序集的接口。至此，设计人员利用IDSS WSTA，通过建立实际系统的在线实时故障诊断模型，能够实现真正的测试性设计，并能实现各种级别的测试性分析，包括：底层和区域BIT评估；系统级、子系统级、武器可更换组件（或航线可更换组件）级的全部测试性验证；通过板卡级测试性设计，能够准确而有效地实现器件级的故障检测和隔离。
到了21世纪，基于模型的诊断技术得到了进一步的发展，首先是建模技术从单一的基于诊断的模型拓展为考虑系统测试、功能和故障模式相互关系的HDM（混合诊断模型）。利用HDM，可以在设计早期完成诊断能力评估、分级故障模式影响分析、诊断性能预测和实际诊断时间估计等任务。
经过几十年的发展，国外在民机维护支持与健康管理系统研究方面取得了长足的进步。例如波音公司的PMA（便携式维修辅助软件）、空客公司的AIRMAN@及Honeywell的维护和AMOSS（操作支持系统），在远程客户维护支持方面，波音公司提供了myboeingfleet网站，空客公司提供了AIRMAN 2000。
这些国外先进民机维护支持与健康管理系统均是从独立设备或部件故障诊断逐步扩展到全机系统的故障诊断，从机上和地面独立诊断逐步发展到空地一体化实时故障诊断与维护支持。
在我们国内，由于国内民机维护支持与健康管理研究方面基础较差，起步较晚，目前国产飞机仍然停留在只提供机载维护诊断系统，但在健康管理系统以及远程客户维护支持领域，还几乎是空白。因此，设计出一种适合国产飞机特点的健康管理系统对提高我国民机售后服务水平和飞机的竞争力有着重大意义。
2 典型的健康管理系统架构分析
按照国外民机维护支持与健康管理系统的一般架构，民用飞机健康管理系统应由机载子系统、空地数据链和地面子系统三部分组成。
机载子系统是使用各机载设备的BIT信息和存储的故障模型进行故障诊断的机载设备系统。在机载子系统中，根据飞机状态信息将故障模型分类，当各机载分系统的故障信息准确时，可以采用基于系统故障模型的诊断方法，提高诊断的实时性；当各机载分系统的故障信息不准确，或者是由更多原因引起的关联故障，在机上无法及时判明故障原因时，需要将故障信息传回到地面子系统进行故障判断。
空地数据链是指通过飞机的数据链系统进行飞行状态和故障数据的传输。机载子系统利用飞机的空地数据链将诊断后的故障数据或未判明原因的原始故障信息发送给地面子系统。同时，机载子系统还需要通过空地数据链将飞机的飞行状态信息传送到地面子系统。
地面子系统通过强大的计算和存储能力实时查询飞机电子维护手册和更详尽的故障模式库，并根据飞机历史故障数据库，采用混合智能故障诊断技术和专家诊断系统，对故障原因进行定位。地面子系统也可以通过一段时间的飞机飞行状态信息进行故障预测。
3 支线飞机的健康管理系统架构设计
支线飞机的航程通常为1到2个小时，当使用数据链进行故障信息的时实传递时，只能节省航空公司1到2个小时的维修时间。而数据链通信的价格昂贵，增加了航空公司的使用成本和购机成本。另一方面，因为支线飞机每个航段的飞行时间短，所以其风险暴露时间也短，通过对飞机的签派安全性和可靠性进行设计，保证支线飞机任何一个设备单独发生故障时应能继续签派1个或几个航班。这样就可以在飞机过站停留时，通过无线网络将飞机的故障信息和飞机飞行状态信息发送给地面子系统。地面子系统将故障分析结果和处理措施发送到飞机下一个航站点处的维护人员，进行故障恢复。
根据目前中国民航的适航规章，民用运输类飞机需要安装无线快取记录器。健康管理系统可以与无线快取记录器使用相同的无线网络将数据发送给机场的地面系统，无需增加额外的设备进行数据传输。
因此，支线飞机的健康管理系统应由机载子系统、无线网络系统和地面子系统三部分组成。
4 结论
激烈的民机市场竞争，对飞机制造商在保障飞行安全、降低维护成本、提高飞机可用性等方面提出了新的挑战，传统的故障诊断和维护方法，已不能适应现代民用飞机的发展需求。飞机健康管理技术是一项新技术，是飞机故障诊断体系的发展方向，对提高飞机安全性能、提高维修保障效率、降低寿命周期费用将起到重要作用。
在民用支线飞机的设计中，需要根据飞机航程短、起降频繁的特点设计出适用于支线飞机的健康管理系统。采用与无线快取记录系统共享的地面无线网络来取代空地数据链系统，进行故障数据和飞机飞行状态信息的传递，能有效降低飞机的使用成本和采购成本。同时，在飞机的设计过程中需要从初始阶段就进行签派安全性和可靠性的设计，才能提高飞机的运营效率，真正发挥健康管理系统的优势。