机载设备实时故障诊断技术

拜斌

摘要：随着机载设备的集成度和复杂度越来越高，对机载成员设备的飞行数据进行实时性的处理分析，能最大程度实现机载实时故障的诊断。本文提供一种故障诊断报告快速生成方法，使得各类机载数据采集、维护设备通过应用此方法实时监测模型输出结果，进一步分析出飞机各成员系统的工作状态和故障诊断结果，通过最小化的报文结构方式传输到地面，以便迅速做出应对措施，排除机上成员系统设备故障、降低事故隐患。

关键词: 故障诊断 实时解算

0引言

随着航空电子设备的发展，其复杂度也越来越高，设备产生故障后定位需要进行的逻辑分析要求越来越高。对机载成员设备的自测试维护数据和状态信号数据进行实时性的处理分析，能最大程度实现机载实时故障的诊断。通过对各机载成员设备的数据进行处理建模，基于对数据模型的监测和分析，将有助于快速直观的评估设备或系统内部工作状态以及对其他内部或外部部件的影响，从而全面、准确地实现全机航空电子设备的状态监测和评估，及时提供检测和评估结果给飞机操控员、驾驶员或地勤检查人员，以便迅速做出应对措施，排除机上成员系统设备故障、降低事故隐患。

1 概述

机载设备随着微型计算机、数据通信、软件等技术的不断发展，其设备部件集成化、结构模块化、传感器综合化与智能化程度越来越高。飞机的自动化与智能水平也随之提高，但由于设备结构日益复杂，其发生故障的潜在可能性越来越大。机载设备一旦出现故障，轻则降低性能、影响飞行安全，重则设备损坏、机毁人亡。现有的定时检修和反应式诊断维修方式，因存在滞后性，方法落后，针对性和经济性差，工作量大，效率低下，已经不适应航空工业的发展要求；迫切需要探索一种兼顾“预防为主”、“以可靠性为中心”和“战备完好性”的科学维修保障体制。

提供一种故障诊断报告快速生成方法，使得各类机载数据采集、记录、维护设备通过应用此方法实时监测模型输出结果，进一步分析出飞机各成员系统的异常工作状态，挖掘出不同参数之间的内在联系，为航空设备状态监控、故障预测提供支持，帮助飞机操控员、驾驶员或地勤检查人员及时迅速做出应对措施，以降低飞机事故隐患。

2 软件实现架构

软件包括参数解算模块、故障诊断模块和报告生成模块三部分组成。其中，参数解算模块建立词法库完成参数解析和运算，故障诊断模块实时对参数分析的结果在时间轴上进行整合通过模型匹配出故障发生的时机和持续时间，报告生成模块将复杂的诊断结果生成简明扼要的报文格式。

2.1参数解算模块

参数解算模块将故障诊断的专家知识翻译解释成逻辑表达式，通过建立参数词法库的方式实现参数的解析逻辑。按照状态变量参数数据名称、运算符、专家知识定义名称进行分类，参数数据名称词法库由机载系统的符号数据参数表得到，运算符词法库由数理逻辑运算符表得到。

词法库的建立需按照特定的标准，构建开放式中英文词法库，按照参数的不同属性进行分类，将专家知识内容统一采用中文或英文表达转换，并按照格式及组成进行词法简化，及无用信息剔除，将词法库结合专家知识符号化，形成可执行的机器代码语句，通过堆栈结构的运算，对各个相应的参数进行组合和分析。图1为词法分析示意图。

飞机的初始正常工作状态的初值存放在参数实时数据缓存区结构中，包含参数的原始信号值、物理量信号值、数据更新时间，每当相关数据更新时，触发指示信号，根据具体的还原公式对离散状态变量参数进行还原，更新实时数据缓存区结构的内容。由于已经将所有的数据模型按照统一的格式进行了存储，因此就可以顺序访问数组集合模型、从实时数据缓存区提取参数值进行快速判读，获取数据模型执行结果。

图1 词法分析示意图

2.2 故障诊断模块

故障诊断模块通过堆栈结构的运算方式，对各个相应的参数进行组合和分析，并将达到计算阀值的结果在“到达时间”和“持续时间”的时间轴上进行打点运算，将结果映射到诊断模型或复杂诊断模型中进行综合诊断，最终解算出故障结果。该功能的启动由状态监控功能的异常信息触发，诊断开始时，首先读取状态监控功能发送的事件数据，并加载与该事件相关的诊断模型。故障诊断模型由与故障相关的数据按定义的逻辑关系组成，这些数据并不局限于某一时刻的数据包，故障诊断功能能够根据模型中时间相关的定义，调用该触发事件数据前后的多次数据，进行特征参数的提取，从而进行下一步的诊断模型的匹配。

诊断模型的匹配按照模型定义的逻辑关系，对这些特征参数进行布尔逻辑和算术运算，来判断故障诊断模型匹配结果。若诊断模型匹配结果成立，则将故障数据送至综合诊断功能进行进一步的分析；若诊断模型匹配结果不成立，则进行下一条与该触发事件相关的诊断模型的匹配工作，流程同上。待该触发事件相关的诊断模型全部匹配完成后，故障诊断功能停止诊断，再次进入待触发状态。

综合诊断功能是对上一级故障诊断功能的补充和扩展，为进一步剔除故障虚警和级联故障隔离提供支持，并最终生成报告，供维护人员查阅。该功能的启动由故障诊断功能生成的故障数据触发，综合开始时，首先读取故障诊断功能发送的故障数据，判断有无与该故障数据相关的级联模型。若没有与之匹配的模型，则直接将故障诊断功能的故障数据及其结论信息送报告生成功能生成故障和失效隔离报告并保存；若有与之匹配的模型，则加载与该事件相关的级联模型，进行该级联模型的匹配工作。

2.3报告生成模块

报告生成模块对解算出的故障结果按照模型的编号、触发时间，持续时间以及触发次数的关键要素进行统一格式排列，在特定的存储方式下进行存储记录，并将最简化的报文结果通过数据链向地面进行传输。

监测的结果并不能直接供给用户使用，须依据专家知识用途分类进行结果融合，对于事件或故障触发类的，立即提供报文，对于统计类的，在满足预定时间段下的发生概率时，提供报文，对于预测类的，实时缓存报文序列，统计状态变化或异常的时间拐点，在此基础上监控其他参数或状态信号组，最后根据机上系统健康指数，给出相对时间段内的预测结果报文。故障诊断专家系统如图2所示。

图2 故障诊断专家系统

3 结论

本文给出了一种故障诊断报告快速生成方法，包括参数解算模块、故障诊断模块和报告生成模块三部分组成。通过建立数学模型，对飞行数据进行实时解算和分析，并输出飞行状态报告，完成对飞机状态的监测分析及潜在风险预警。

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