浅谈航电健康管理技术现状

刘浏

【摘 要】文章介绍了国内航电系统的现状，探究了航电系统失效的主要原因，以及元件级、电路板级、系统级的测试方法，并详细分析了当前航电健康管理测试技术。

【关键词】航电系统；健康管理；技术

【中图分类号】V243 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）12-0149-03

0 引言

航电系统是任何飞机、宇宙飞船或运载火箭管理模块的关键部分。航电系统在飞行器中起着中枢神经的作用，运行着管理和控制算法。因此，航电系统的失效将会对飞行器的运行和任务的完成产生重大影响。设计缺陷、制造缺陷，以及环境引发的故障，是造成航电系统失效的主要原因。

1 航电系统发展现状

1.1 航电系统的组成

航电系统由管理飞行器的运行和为飞行器系统提供电能的必要部件组成，由飞行计算机、数据网络或数据总线、制导、导航和控制系统、通信和跟踪系统、电源子系统、在硬件部件上执行的软件、飞机所有子系统中的传感器组成。

1.2 航电系统的结构

航电系统有2种基本结构类型：联邦系统和模块化的集成系统。这些机构可以确定航电系统对于航电系统内部失效管理的响应。联邦系统是传统的结构方法，包含一组集成但是不相同的航电部件。每个航电部件都是一个独立的单元，不同的厂家采用不同的技术。模块化的集成系统是一种新兴的设计方法，目的是通过为部件提供通用接口，实现系统相互连接的优势最大化。集成是在不同级别上的，在总线上开始传递信息，并收集所有信息用于处理和显示。

1.3 航电技术

航电部件主要是电子系统，同时也包括重要的射频系统、光学系统和微电子机械系统。模拟器件是非常重要的组件，如在激光驱动模块中的使用。通过模拟电路对热稳定性和压力稳定性变量进行严格控制。电力子系统利用模拟器作为功率调理电路。数字器件对所有的航电部件都很重要。微处理器数字控制逻辑、可编程器件，以及其他形式的离散逻辑器件都很普遍。系统使用处理器对传感数据进行校正和转换。对于传感器的应用，智能传感器中包含数字逻辑，提供嵌入式网络通信、自检、故障检测和嵌入式工程单位转换。光学系统应用于环形激光陀螺和光纤数据网络，光学系统主要受热稳定性的驱动，以保持波长的稳定性。

2 航电系统的失效原因

2.1 影响因素

影响装备健康状态的因素大致可划分为不可控因素和可控因素两大类，不可控因素包括装备自身因素和地理环境与气候因素。环境是一个重要的外部影响因素。对系统影响的一些参数主要分为3种环境类型，分别是地面、航空和太空。环境参数对于航电组件故障是一个重要的驱动。在某些情况下，设备的工作环境可以被主动控制以维持一个合适的工作环境。列举几个主要参数，温度影响所有类型的航电设备，大多数电子和微机电系统都能在军用标准-55 ℃～85 ℃范围内工作，超出范围会导致设备失效，温度控制的失效会很快导致航电组件的失效。气压是一个常见问题，特别是低压力，气压降低时，系统必须设计能预防电晕放电，否则会造成阻尼性能退化，并破坏设备的灵敏度。对于工作在高湿度环境中的设备，必须考虑湿度影响，水分会导致电路短路，破坏器件。海水环境因水蒸气中含有盐分，对航电元件的包装有很大的腐蚀性。电气环境处理的是电磁干扰和闪电。电磁干扰可以由自然界或者系统来产生。电磁兼容一般通过屏蔽电线和包装、合理布线、消除会产生传输效果的元件特性等来解决。闪电对于航电设备是一个重要威胁，飞行系统要求接地系统能够将大电流从航电元件上转移掉。可控因素主要是人为因素，主要包括管理人员落后的管理方式、操作人员不正确的使用方式、维修人员不合适的维修方式等。

2.2 故障源

故障源会影响航电系统的组件和系统。故障来源于设计与制造阶段或是外部环境。设计和制造过程中产生的故障包括设计缺陷、材料缺陷和制造缺陷。通过在设计周期的每个阶段密集检测、正确运用仿真，以及机载级/系统级测试发现问题，可显著减少设计缺陷。环境试验能够找到在极端的操作条件下发生故障的设计缺陷，采用温度循环测试，可以发现与环境相关的时变因素。用户通常并不知道材料缺陷主要是由制造过程存在瑕疵引起的，在检验和核心部件的资格认证过程中也可能出现这种设计缺陷。制造故障与半导体、金属沉积、芯片级蚀刻、焊接和组件在板子的位置等问题有关。粒子冲击噪声检测可以发现制造问题，好的视觉检查与深入的实验测试和环境测试能够发现这些问题。

3 航电健康管理技术及健康状态评估方法

3.1 健康管理技术

健康管理方法是在元件级利用各种电子误差检测和测试技术，包括扫描设计/内置自检、错误检测和校正、边界扫描，以及模块测试和维护总线，解决芯片级或电路板级的异常数据。表决技术也是用来检查电路板和模块级的异常和故障。在研发中用来检测发生在元件间的系统级失效的技术，可概括为3个层次的测试：元件级、电路板级、系统级。

元件级有2个重要的测试技术：扫描设计和内置自检。扫描设计的原理是能够访问被寄存器围绕的组合逻辑电路。该技术是将嵌入式寄存器转化为电路虚拟的主要输入和输出，使用内置自检技术可以解决测试矢量生成难的问题。错误检测和校正是一种检测存储系统或传输系统中的比特错误并进行修正的方法。用于实时误差检测，而无需使电路板停止工作。

电路板级重要的测试技术是使用边界扫描技术。最广泛支持的扫描设计的是由联合测试行动小组开发的边界扫描，并形成IEEE 1149.1标准。通常在电路板不运行应用软件时进行边界扫描测试或编程，通过JTAG接口应用可以加载和运行应用软件，边界扫描软件仍然能够工作，这类测试通常在制造和维修测试期间进行。边界扫描技术对于离线测试非常有用，但不支持实时失效检测或故障诊断。

在系统级，健康管理方法目前集中在系統维护方面。一个嵌入式航电系统的集成方法有很多。集成化的“系统”关系可为收集用于诊断故障和预测失效的证据提供很大的便利。实现航电系统健康管理的关键是结构标准。一种开放的数据结构通过对数据流代表哪些信息的标准及单个数据元素代表什么规范化的元数据描述进行封装，实现整个航电健康管理系统的信息连续性。

3.2 健康状态评估方法

装备健康状态是指在规定的条件下和规定的时间内，能够保持一定的可靠性和维修水平，并稳定、持续实现预定的能力。从某种程度上说，装备的健康状态是指装备保持一定可靠性和维修水平的能力，是装备在一定范围的置信水平。装备健康状态是一个多属性评估、动态性评估、约束性评估、层次性评估。采用故障和正常的二值函数来描述装备状态已难以满足实际需求，可将装备状态分为5级：健康、良好、注意、恶化和疾病。装备健康状态评估技术的核心是评估方法，是针对特定研究对象的特点，选取相适应的评估方法来展开评估，模型法、层次分析法、模糊评判法、人工神经网络法和贝叶斯网络法是常用的评估方法。

其中，模型法可信度高，是通过建立被研究对象的物理或数学模型进行评估的方法，但主要不足是建模过程比较复杂、模型验证较为困难，随着评估对象的变化，要对模型进行修正，该方法的范围受限。层次分析法是将复杂问题转为定量计算的一种有效的决策方法。将一个复杂问题表示为有序的递阶层次结构，并确定同一层次中各评估指标的初始权重，将定性因素定量化，这种方法更科学。使用模糊评判法进行评估主要是由于装备健康状态的不确定性，传统的精确评估方法无法适用，需要建立评估指标的因素集和合理评判集，通过专家评定或其他方法获得模糊评估矩阵，再利用合适的模糊算子进行模糊变换运算，最终获得结果。人工神经网络法的一般步骤是先建立人工神经网络模型，再利用训练样本对人工神经网络进行训练，最后利用训练好的网络进行评估分析。贝叶斯网络又称信度网络，是一种不确定知识表达模型，具有良好的知识表达框架，是当今人工智能领域不确定知识表达和推理技术的主流方法，易于学习因果关系，实现领域知识和数据信息融合。

由于装备健康状态的影响因素众多，包括自身因素、人为因素、与地理环境、气候因素等，所以很难定量描述，而可靠性分析方法——FMECA方法通过对装备每一约定层次的故障模式、原因及其影响进行分析，建立各约定层次之间的迭代关系，可得到装备由正常状态发展为故障状态的各系统、各层次的影响因素，可利用FMECA结果进行装备健康状态评估。

4 结语

现有的航电应用中，航电系统健康管理有很多种形式，但是效果并不理想。传统的健康管理技术主要集中于反应行为而非预测行为上，随着任务期望的增高及任务时间增长，预期可能遇到的问题并采取相应办法解决始料不及的问题的能力变得更为重要。有很多技术可以提高航电系统对于失效的响应速度和提高任务的可靠性，新兴技术领域的先进故障检测技术、诊断技术及可重购计算技术，为航电健康管理系统做出了巨大贡献。

参 考 文 献

[1]（美）约翰逊.系统健康管理及其在航空航天领域的应用[M].景博，杨洲，池小泉，译.北京：国防工业出版社，2014.

[2]熊华钢，王中华.先进航空电子综合技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]马银才，张兴媛.航空机载电子设备[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4]周林，趙杰，冯广飞.装备故障预测与健康管理技术[M].北京：国防工业出版社，2015.

[责任编辑：陈泽琦]