基于航后QAR数据译码的APU故障诊断技术

高飞鹏，黄加阳，陈新霞

(上海民用飞机健康监控工程技术研究中心，上海　200241)



基于航后QAR数据译码的APU故障诊断技术

高飞鹏，黄加阳，陈新霞

(上海民用飞机健康监控工程技术研究中心，上海200241)

APU系统由于其会直接影响飞机的运行安全性、经济性以及旅客的舒适度，因此无论是飞机主制造商还是航空公司都非常重视APU系统的故障诊断工作;但是，在APU设计之初又无法实现对其所有故障的准确探测和隔离;为了实现飞机投入运营后对APU系统疑难故障的探测问题，文章以B737飞机的APU启动电门故障以及APU启动时间异常为例，提出利用航后的QAR相关数据译码结果，查看相关参数的变化情况，提高APU系统的故障诊断水平;实践证明，利用航后QAR数据译码结果能够极大提高航空公司对APU系统以及飞机的故障诊断水平，方便航空公司日常的运营和维护工作，最终提高飞机的利用率。

快速存取记录器；飞机状态监控系统；辅助动力装置；故障诊断

0　引言

辅助动力装置(auxiliary power unit，APU)本质上是一台小型的发动机，用于向飞机独立地提供电力和压缩空气，在部分飞机上还可以提供额外的附加推力。当飞机在地面上时，APU主要用于在起飞前启动主发动机，从而可以使得飞机脱离对地面电源、气源的依赖。在飞机起飞过程中，APU还负责为客舱和驾驶舱提供充足的电力和压缩空气，保证照明以及空调系统的正常运行，进而确保发动机的输出功率全部用于飞机的地面加速以及空中爬升，从而可以很好的改善飞机的起飞性能。飞机降落后，APU系统重新启动，向外供应电力和压缩空气，这样主发动机就可以尽快关闭，从而节省燃油，降低噪声。当飞机爬升到一定的高度(通常为5 000 m以下)时，APU会自动关闭。但是在飞行过程中，当主发动机遭遇空中停车的恶性事件时，APU可以在一定高度(通常为10 000 m)以下为主发动机的空中重新启动提供动力，降低发动机空中停车造成的危害，进而提高飞机的安全性。

因此，在目前主流的民用飞机上，APU系统都被视为直接影响飞行安全性、经济性以及旅客舒适性的不可获取的重要机载系统。因此，无论飞机主制造商还是航空公司都非常重视对APU系统的状态监控以及故障诊断技术方面的研究[1-2]。

本文首先分析了常见的APU系统故障诊断方法以及QAR数据译码原理，在此基础上，以B737飞机的APU启动电门故障以及APU启动时间异常为例，提出基于航后QAR相关数据译码结果查看相关参数的变化情况实现诊断，以提高APU系统的故障诊断水平。

1　常见的APU系统故障诊断方法

对APU系统的故障进行探测和隔离，并对APU特定时刻的运行状态进行长期稳定的监控是目前APU故障诊断技术的主要方法。

从具体的实现方法来说，主要有以下3种。

1)故障实时探测：APU系统内部计算机ECU(Engine Control Unit)与飞机维护系统(OMS/CMS)相互配合，根据预先设计的逻辑，实时探测飞机的故障，并在故障发生的第一时间通知机组；如果故障的等级很高，还可以通过ACARS实时下传至地面，以便维护人员提前做好维护准备。目前，这种故障探测方法广泛应用于波音、空客等各种机型，是最为流行的故障探测方式。

2)故障离线检查：地面维护人员在飞机落地后，通过对APU系统各个组件的手动BITE测试，探测其中可能存在的故障。这种故障检查方式主要应用于航后对APU系统复杂故障的排故工作中，同时也用于少数不具备中央维护功能(CMF)的机型(如B737飞机)的日常维护和检查工作中。

3)状态实时监控：机载的飞机状态监控系统(ACMS)可以根据预先定义的逻辑，对APU的状态进行监控，并在逻辑触发的时刻，按照预先定义的方式采集并记录相应的发动机参数[3-4]；目前比较通用的APU相关的ACMS报文主要有启动/性能报(Start/Performance Report)、主发动机启动/慢车转速报(MES/Idle Report)以及自动关车报(Auto Shutdown Report)3种报文，这些报文主要用于APU主制造商以及航空公司对APU进行长期健康趋势分析工作，以便提前发现潜在故障的征兆，提前做好相应的预防性维护工作。

如图1所示为波音、空客以及中国商飞各个机型除了发动机以外各机载系统的ACMS状态监控报文的数量对比图。从图中可以看出，虽然各个机型的新旧程度不一，但APU相关状态监控报文的数量始终都在2到3个，明显高于其他机载系统，这充分体现了APU健康状态监控对飞机日常运营维护工作的重要性。

图1　ACMS报文产生过程

4)航后QAR数据译码分析：飞机落地后，航空公司可以利用QAR内部连续记录的海量数据，对其进行译码后提取其中与APU相关的数据进行分析。这些数据一方面可以帮助航空公司更好的定位一些复杂疑难故障，另一方面还可以为航空公司提供APU的连续运行状态数据，有助于航空公司对APU整个运行状态的持续监控和长期趋势分析工作。这是目前最新的故障诊断的方式，也被各大航空公司以及航空相关科研院所视为最有潜力的飞机故障诊断以及健康管理的方式。

2　QAR数据译码

快速存取记录器(quick access recorder，QAR)，是现代民航客机飞行数据记录系统(ATA31)中非常重要的组成部分。相对传统的“飞行事故记录器”(FDR/DFDR)，QAR中记录着更加丰富的飞机运行参数。同时，QAR还具有易于接近、维护简单、数据存储量大，且机载存储设备通用、价格低等优点[5-6]。

QAR数据译码分析的过程如图2所示。从图中可以看出，整个译码分析过程主要由以下5个部分组成。

图2QAR译码分析过程

1)数据采集：

目前主流民用飞机的QAR数据都是通过ACMS系统的数据输入输出模块采集的，也有部分支线客机上的QAR直接与飞机航电总线相连，从而直接获取所需数据。

通过ACMS进行数据QAR采集的优点主要在于航空公司可以通过客户化的ACMS软件对QAR中记录的参数列表以及各个参数的特性进行客户化修改和设置，从而更好的满足飞机实际运营维护工作的需要。

在数据存储格式方面，ARINC717协议是目前主流机型QAR数据记录的格式，而ARINC767协议是在此基础上衍生出来的记录格式，主要用于B787等先进机型上。

2)数据下载：

QAR数据采集后，通常会被会被记录在特定的存储介质上，主要包括PCMCIA卡、光盘以及SD卡等。这些数据可以通过人工手动获取的方式下载至地面。同时，随着WQAR(Wireless QAR)的逐渐普及，越来越多的航空公司选择通过地面无线3G、Wi-Fi 网络在飞机落地后自动向地面传输相应的数据，从而提高整个数据传输的效率，降低运营成本。

3)数据解压：

考虑到存储设备成本或数据安全等问题，有些厂家提供的机载QAR 设备对其原始QAR 数据进行了压缩处理，一般地，其压缩算法不公开，地面软件必须使用厂家提供的解压模块/算法解压后才可进行之后的应用处理(解压模块往往与解码软件内置/集成)。国内航空公司中常见的QAR 设备供应商中，L3、SAGEM 的QAR 数据都是被压缩的，Honeywell，Teledyne 是不压缩的。

4)数据转录：

QAR 数据在QAR 磁盘(光盘/PCMCIA 卡/闪存磁盘)上有两种文件分署方式：基于 FAT 表的块式文件分署(FBFA-FAT Block File Allocate)以及流式文件分署(SFA-Stream File Allocate)。

在FBFA 中，一个QAR 磁盘在初始化时(由地面软件或机载QAR 设备自动完成)就已经为磁盘中各种数据的存储划定了存储空间。如图3所示中，以一个512 M 的QAR 磁盘(PCMCIA 卡或闪存盘或MO光盘)为例：

·QAR 数据：49% ≈ 250 M；

图3　FBFA示意图

·DAR 数据：49% ≈ 250 M；

·SAR 数据(另一种特殊用途的二进制数据)：1% ≈ 5M；

·MSG 数据(ACMS 数据)：1%≈ 5M。

在上面的例子中，QAR、DAR、SAR、MSG 数据将以4 个独立的固定大小的文件保存在QAR 磁盘上，且在新数据堆积的过程中，文件大小不改变。上图中，我们还可以看出，对某些数据，初始设置允许“Wrap”(即回滚：空间满后旧数据将被自动清除)；有些数据不允许”Wrap”；磁盘最低剩余空间限制(磁盘剩余空间低于此值时，机载设备将产生警告信息，以提醒维护人员即使更换QAR 磁盘)。在SFA 中，每一个起落的数据被单独保存在一个文件，因此SFA 不存在QAR 文件内部“剩余空间”的问题，但却无法实现”Wrap”的功能。SFA 的QAR 文件在数据堆积的过程中，文件的大小不断增加。

5)数据分析：

目前，国内大部分航空公司的QAR数据经过译码后的主要存储形式为CSV(comma separated variables)文件。这种文件格式本身比较通用，航空公司维护人员可以采用微软的Excel电子表格处理软件作为分析工具，结合自身的工程经验，对QAR数据进行简单的初步分析。这种数据分析方式比较简单通用，成本也较低，比较适合QAR数据分析初期3到5组数据的简单对比分析工作，在航空公司应用比较广泛。

另一方面，由于CSV文件本身在数据存储和处理方面具有其自身的缺陷，如其数据存储调用不够灵活、数据容量有限以及图表处理慢等，因此少数航空公司选择使用专业的数据分析平台软件以及数据库对QAR数据进行深入的分析。这些数据分析平台包括SAGEM的AGS，Teledyne的AirFASE等。这种数据自动分析工作功能强大，但是其应用成本也非常高，比较适用于多组QAR数据应用于成熟复杂诊断模型的分析工作。

3　基于航后QAR数据译码的APU故障诊断应用分析

本节以B737飞机APU启动电门故障以及APU启动时间异常为例，介绍航后QAR数据译码在APU系统故障诊断上的应用[7]。

1)APU启动电门故障：

国内某大型航空公司某架B737飞机在航后发现APU无法起动。维护人员根据工程经验，首先判断为启动电源组件故障，并依据飞机维护手册AMM 49-41-71立即对其进行了更换，但是故障依旧。由于航线维护时间较短，而APU当时又无法正常启动，因此维护人员选择现场调取前一天的APU相关QAR译码结果数据，如图4所示。

图4APU相关QAR数据译码结果

APU ON信号从OFF变为ON起开始计时，到APU N1大于95%时为止的时间加2秒为APU起动名义时间。APU ON信号从OFF变为ON起且APU N1不为0时开始计时，到APU N1大于95%时为止的时间加2秒为APU起动实际时间。从图4可以看出，在14点43分11秒(14:43:11)出现过一次APU等待时间为1秒的数据，且之后的APU名义和实际启动时间为3秒和4秒。对比APU转速数据(APU N1)可以发现，APU在14点43分56秒(14:43:56)已经完成启动(APU N1大于达到95%)，而对应的APU ON信号在之后的时间区间内不断地在ON和OFF之间来回切换。由以上分析可以判断，APU无法启动的根本原因在于启动电门故障。

由于APU启动系统本身比较复杂，而启动电门本身不具备BITE测试功能，因此仅仅依靠维护人员检查无法及时、准确地定位启动电门的故障。因此，航后QAR相关数据的译码结果能够很好的帮助维护人员定位该故障，提高航线维护效率。

2)APU启动时间异常：

目前，APU启动时间正在成为继EGT、引气压力之后第3个APU性能退化特征参数。虽然该参数无法直接定位故障，但是从以往的APU排故故障来看，启动时间的逐渐上升，往往是内部各组件故障的前兆，值得重点研究和关注。

国内某大型航空公司维护人员在日常航线维护中发现，某架B737飞机APU起动时间数据异常，为176秒。为此，维护人员调取了前一天的QAR相关数据的译码结果，如图5所示。译码结果显示，在GMT时间19点40分23秒(19:40:23)进行第一次启动APU时，启动时间为 119秒且无反应无燃油流量(FF)，启动无反应时间超长。在GMT时间19点42分25秒(19:42:25)进行第二次启动APU时，启动第一秒FF为3LB/HR，随后为0，然后正常供油。其中，APU刚启动时有几秒钟应无FF属于正常现象。

图5APU相关QAR数据译码结果

针对该现象，维护人员立即对燃油相关组件进行了有针对性的测试和检查，发现有维护信息49-31-175(FCU解析器环路故障)，因此对FCU进行了更换。更换后，再次启动APU，启动时间恢复正常。

由于B737飞机本身不具备中央维护功能(CMS)，部分故障必须通过航后上机BITE测试才能发现。而在日常航线维护中时间非常有限，维护人员无法对飞机各个系统进行完整的检查。因此，借助QAR数据译码技术，维护人员可以在保证飞机安全性的基础上进行更加有针对性的检查，从而提高飞机的维护效率。

4　结束语

现有主流飞机尤其是先进飞机的QAR数据记录功能都非常强大。以B777-200型飞机为例，该机型可以获得的QAR数据达1322种，以每项数据取点间隔1秒为例，一次时长4小时的航班理论上所获得的数据量为4×3 600×1 322=190 368 00条。如此海量的数据中包含了相当多的飞行数据信息，必定可以为飞机的日常维护和维修提供全面的信息决策支持。同时，在机载设备方面，航空公司还可以根据自身的需求，客户化的定义QAR中记录的数据对象以及各个数据记录的频率、

周期、精度等特性。在地面译码软件系统方面，航空公司可以根据各架飞机的运行特性以及实际工程经验，自定义相关飞机参数与APU以及其他机载系统故障之间的逻辑关系，从而进一步提高QAR数据译码结果更有针对性，更能满足航空公司对APU以及其他系统复杂故障的诊断以及预警等功能的需要。

本文对常见的APU系统故障诊断方法以及QAR数据译码原理进行了分析，提出了基于航后QAR数据译码的APU故障诊断思路，并通过B737飞机的APU启动电门故障以及APU启动时间异常为例进行了验证，提高了APU系统的故障诊断水平。航后QAR数据译码技术能够极大地提高航空公司对APU系统以及其他机载系统的故障诊断水平，方便航空公司日常运营维护工作，从而最终提高飞机的利用率，因此必将得到更为广泛的应用。

[1]黄加阳, 刘昕, 柏文华,等. 民用飞机健康状态评估方法[J]. 计算机测量与控制, 2014, 22(10): 3526-3528.

[2] 宋东, 屈娟, 陈杰. 基于数据挖掘技术的飞机故障诊断专家系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2012, 20(10): 2603-2605.

[3] Boeing. B777 Aircraft Condition Monitoring System Description Document [Z].

[4] 陈新霞，高飞鹏，黄加阳. ACMS报文客户化功能在发动机系统上的应用[J]. 计算机测量与控制, 2015, 23(7): 1846-1848.

[5] 李海然. 排故中的QAR数据使用 [J].航空维修与工程，2010，267(2)：47-48.

[6] 郑波. 基于QAR数据的民航发动机排故方法研究 [J].中国民航飞行学院学报，2015，26(1)：47-49.

[7] Boeing. B737 Aircraft Maintenance Manual [Z].

Study of Post Flight QAR Data Decoding in Fault Diagnosis of APU

Gao Feipeng, Huang Jiayang, Chen Xinxia

(Shanghai Civil Aircraft Health Monitoring Engineering Technical Center, Shanghai200241, China)

Due to the direct influences to the aircraft operation safety, economics and customer comfortability, both airframers and airliners pay much attention on the fault diagnosis of APU sytsem. But during the design process of APU, it is impossible to detect and isolate all of the faults or failures. So, in order to solve the detection issue of complicated APU faults, taking start button fault and abnoraml start time of B737 as two examples, this article intend to propose the application of post flight QAR data decoding, which can enable maintenaners to review continuous change of APU related parameters.Then fault diagnosis level of APU can be raised. Practices has proved that, with the help of post flight QAR data decoding results, the fault diagnosis level of APU and aircraft wil be enhanced, the airliners’ operation and maintenance will be faciliated, and finally utilization of the fleet will be promoted.

QAR; ACMS; APU; fault diagnosis

2015-08-05；

2015-09-11。

高飞鹏(1984-)，男，山西晋城人，中级工程师，主要从事民用飞机实时监控、故障诊断技术方向的研究。

1671-4598(2016)01-0042-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.011

TP183

A