一种民用客机智能诊断架构及验证策略研究

潘玉娥 范博书

摘   要：随着飞机机载电子系统结构越来越复杂，机载设备的智能诊断日益繁杂，对复杂机载电子系统的智能诊断系统体系结构设计实现和综合验证提出了挑战。本文首先对比分析了两种代表机型的CFDS和CMS体系结构、智能诊断方法。最后介绍一种大型民用客机智能诊断架构，并对机组告警系统的实现架构和验证策略进行了详细阐述，并通过试验验证了该设计实现的实用性，并可将此方法扩展到飞机PFD、发动机、显示管理等其他系统，具有较强的扩展性。

关键词：CFDS  CMS  智能诊断  机组告警系统  验证策略

中图分类号：V267                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0009-05

Abstract： As the structure of airborne electronic system becomes more and more complex， the intelligent diagnosis of airborne equipment becomes more and more complex， which challenges the design， implementation and comprehensive verification of the intelligent diagnosis system architecture of complex airborne electronic system. Firstly， the architecture and intelligent diagnosis methods of CFDS and CMS are compared and analyzed. Finally， an intelligent diagnostic architecture for civil aircraft is introduced， and the implementation framework and verification strategy of the crew alarm system are elaborated in detail. The practicability of the design and implementation is verified by experiments. This method can be extended to other systems such as aircraft PFD， engine， display management and so on. It has strong expansibility.

Key Words： CFDS; CMS; Intelligent Diagnosis; Crew Alarm System; Verification Strategy

1  A320 CFDS體系结构

1.1 CFDS结构框架

机载电子系统智能诊断体系结构是诊断功能得以实现的硬件基础，而体系结构下智能诊断算法是体系结构实现智能诊断任务的后台支撑。按照ARINC604标准，A320飞机的CFDS是一个集中维护辅助系统，该系统给予维护技术员一种读取与大部分飞机系统相关的维护信息的方法和一种从驾驶舱启动这些系统的测试的方法，如图1所示。

CFDIU实现与CFDU、ACARS、打印机、飞行警告计算机和时钟等的接口。功能主要包括：自检功能、部分余度功能、故障存储功能、故障相关功能、接口功能、过滤器功能。

1.2 基于逻辑的诊断

A320飞机的故障诊断采用基于逻辑方程分析的方法。复杂机载电子系统不同元件在工作之间具有关联性和内在规律，故障现象与故障原因之间并非一一对应关系，往往是某一故障现象的引发原因存在多种可能。逻辑分析法是依据系统结构与工作原理，通过故障现象与可能存在的故障原因之间的关联性分析，推导出逼近故障原因的思维方法。基于逻辑的诊断方法可在复杂故障的排查中逐步缩小故障部位的范围，为准确诊断复杂故障提供依据[1]。

2  B777 CMS体系结构

2.1 CMS结构框架

根据ARINC624标准，波音777的机载维护系统（OMS）体系结构框架如图2所示。

CMC主要实现如下功能：

（1）余度管理：自动确定主中央维护计算功能、两个中央维护计算功能相互配置检查（软件）、中央维护源转换。

（2）中央维护计算机功能自测试。

（3）单个中央维护计算机功能通电配置检查（软件）。

（4）单个和双个硬件故障检查（硬件）。

（5）故障数据处理。

（6）可装载诊断信息。

（7）航段和飞行阶段计算。

（8）地面测试。

（9）系统配置。

（10）输入监控。

（11）空中发动机配平。

（12）特殊功能。

（13）数据装载网关。

（14）软件控制操作。

（15）内场故障处理。

（16航线数据库。

（17）报告生成。

（18）接口协议。

2.2 基于模型的诊断专家系统

波音777飞机的飞行信息管理系统AIMS是一个极为庞大的电子系统。该系统依靠众多的传感器和计算机，收集和计算了大量数据，由AIMS来处理这些综合电子系统的数据。系统共分为：主显示系统PDS;中央维护计算系统CMCS;飞机状态监控系统ACMS;飞行数据记录系统FDRS;数字通信管理系统DCMS;推力管理计算系统TMCS;数据转换通道功能块DCGF。

下面使用不同层次的方式对AIMS进行形式化建模[2]。

七大子系统为第一次层次COMPS={PDS，CMCS，ACMS，FDRS，DCMS，TMCS，DCGF}。系统功能描述为：﹁ab（PDS）∩﹁ab（CMCS）∩﹁ab（ACMS）∩﹁ab（FDRS）∩﹁ab（DCMS）∩﹁ab（TMCS）∩﹁ab（DCGF）╞系统正常。

在第二层次上把七大部件的每一部件再分为组件。例如，COMPSPDS={DU，RLS，CP，CCD，DSP，CDCP}。系统功能描述为：﹁ab（DU）∩﹁ab（RLS）∩﹁ab（CP）∩﹁ab（CCD）∩﹁ab（DSP）∩﹁ab（CDCP）╞﹁ab（COMPSPDS），等等。

第三个层次为元件层次，把每个组件分为元件级。如，COMPSDU={内部温度传感器，电源接口，电路元件1，···，电路元件n}。功能描述為：﹁ab（内部温度传感器）∩﹁ab（电源接口）∩﹁ab（电路元件1）∩···∩﹁ab（电路元件n）╞﹁ab（COMPSDU），等等。

对系统的诊断，观测集OBS的选取非常重要。对于主显示系统，可以根据模型和经验合理选取观测集。具体实现方式可以通过地面测试设备及机内自测试电路得到实现的观测集。观测集OBS的元素主要有各子系统和部件能否实现相应功能，例如，主显示系统是否正确显示飞行图像，控制面板有无输出信号等等。B777飞机的中央维护计算机CMC功能强大，观测信号被传送到CMC后，与系统预测值进行比较，进一步进行诊断。为了实现元件级的诊断，每个部件都有相当于边界扫描的自检功能，可得到元件层次的观测集。

航空电子系统设计过程中可以得到形式化的系统模型，利用系统模型通过一定的算法即可以进行诊断。下面介绍基于模型的诊断技术在B777航空电子系统中的具体实现方式。

冲突集的表示由前所述，若ab（ ）为真，表示本元件反常，例如ab（DU）为真，表示DU反常;﹁ab（ ）为真，表示相应元件正常，例如﹁ab（DU）为真，表示DU正常。

列举有关冲突集，例如：“显示黑屏”的冲突集为：{﹁ab（DU），﹁ab（电源接口），﹁ab（电路元件i）}。

当出现驾驶舱效应时，系统从第一层次进行诊断，计算出最可能损坏的部分，同时产生自检信号进行测试，确定最可能损坏的部分;然后从第二层次对最可能损坏的部分进行下一层次的诊断，如此通过递归进行诊断，直到找到最可能损坏的元件，并显示故障代码信息，提示维护人员故障的可更换元件，并更换故障可更换元件进行维护修复，通过故障再验证确认故障完全排除。

3  一种基于显示系统的智能诊断架构

一种大型民用客机显示系统的智能诊断架构如图3所示。

此功能提供系统监控功能，主要监控显示系统的数据有IDU交叉参数监控、Baroset误比较、系统输入监控等。

此功能提供机内测试（BIT）、故障报告和生命周期记录功能。BIT按系统运行方式分为上电机内测试BIT（PBIT）、连续BIT（CBIT）和启动BIT（IBIT）。通电阶段，显示系统在通电后自动执行PBIT测试。在起飞、爬升、巡航、下降和进近阶段，显示系统定期执行CBIT测试，并向OMS发送故障报告和配置信息。在维护阶段，维护人员可以通过OMS维护格式启动IBIT并检索生命周期记录。

显示系统向OMS提供故障报告包括：

-向OMS提供IDU故障报告

-向OMS提供CP故障报告

-向OMS提供ISIS故障报告

-向OMS提供HUD故障报告

-向OMS提供EVS故障报告

-向OMS提供IMA HA故障报告

4  FDAS物理/逻辑架构

FDAS为飞行机组提供飞机系统告警状态信息。外部系统提供初始化数据、故障和告警信息，输出到FDAS，产生告警。FDAS接收外部系统的输出，进行信息处理，优先级处理，并形成相关的告警给飞行人员。一旦告警形成，告警通过CAS信息显示或通过特定的非CAS显示（例如TC告警显示在PFD），控制面板指示灯，或者音频系统的形式通知机组人员[3]。

并且，FDAS计算飞机飞行阶段，供AFDS网络上其他用户系统使用。为了减少飞行员的工作量和防止分散注意力，在某些飞行阶段许多告警被抑制。

某民用飞机FDAS物理/逻辑架构如图4所示，FDAS功能可以分解成以下子功能：

（1）计算FDAS飞行阶段。

（2）计算告警。

（3）显示CAS页面。

（4）显示非CAS视觉告警（IDU）。

（5）触发音频告警。

（6）触发CPA告警。

（7）触发MW/MC告警。

（8）与其他系统交联（ISS，OMS，FRS等）。

5  FDAS验证策略

5.1 告警逻辑库验证

通过计算告警逻辑库中的逻辑表达式，可以触发不同类型的告警。不同类型的告警定义如表1。

逻辑表达式定义如表2所示。

采用模型开发和验证系统（MDVS）进行系统验证测试。测试框架发生器（TFG）用于配置项的测试和验证，TFG能够以EXCEL或python脚本格式运行测试脚本[4]。测试方法采用自动测试和手动测试相结合的方式。测试过程图参见图5。

手动测试。根据ICD或生成的配置文件的定义。使用ADS2 Table view进行手动设值，数据类型包括A664，A429，A825，BLOCK等，具体考虑FSB， SSM， LABEL， SDI， ACTIVE的赋值。

自动测试：使用EXCEL给具体参数赋值，编辑生成自动测试用例，可以使用SET，VERIFY，WAIT，RAMP等语句。转换成python格式脚本，用于测试用例的编译和运行。同时，测试脚本运行后的数据也可以使用ADS2 Table view来实现显示监控。所有的ICD配置数据都存储在CVT数据表格中，可以通过ADS2 Tableview实现数据的设值、显示和监控。

测试界面如图6所示。

5.2 FDAS验证策略

FDAS的验证范围应涵盖第4章所介绍的FDAS的所有子功能。验证方法主要采用测试用例或测试程序。具体验证策略见表3所示。

6  结语

本文首先比较e分析了两种代表机型（A320和B777）的故障诊断系统体系结构和智能诊断方法。A320飞机的CFDS体系结构遵循ARINC604标准，采用基于逻辑的诊断;B777飞机的CMS体系结构遵循ARINC624标准，采用基于模型的诊断专家系统。随后阐述了某种大型民用客机的智能诊断系统架构、机组告警系统架构，并给出了机组告警系统的设计验证策略，并进行了试验，具有较强的应用性和扩展性。

参考文献

[1] 年夫顺.关于故障预测与健康管理技术的几点认识[J].仪器仪表学报，2018，8（8）：1-8.

[2] 孙贤明，樊晓光，丛伟.综合航电系统故障处理机制研究[J].测试技术，2016，35（10）：146-149.

[3] 刘文学，孔德岐，田莉蓉，等.一种基于一体化设计的通用飛机机载电子系统架构[J].航空计算技术，2018，9（5）：134-138.

[4] 殷媛媛，贺旺.民用飞机机组告警级别设计原则[J].飞机设计，2018，8（4）：67-70.