航空电子系统预测与健康管理（PHM）设计研究

2020-05-19张海涵

河南科技 2020年8期

关键词：设计

张海涵

摘要：PHM技术在航空电子系统中的应用将成为新一代作战飞机故障诊断体系的研究重点，必须进行综合、深入的研究。本文探讨了航空电子系统PHM在驱动自主保障系统中的作用，研究了航空電子系统PHM的设计内容，细致分析了航空电子系统PHM各层次的设计思路，这对最终实现航空电子系统PHM的全面应用具有指导意义。

关键词：PHM;航空电子系统;设计;维修保障

中图分类号：V243;V267文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0043-03

Avionics System Prediction and Health Management （PHM） Design and Research

ZHANG Haihan

（Wuhu State-owned Machinery Factory， Wuhu Anhui 241000）

Abstract： The application of PHM technology in avionics systems will become the research focus of the new generation combat aircraft fault diagnosis system， and comprehensive and in-depth research must be carried out. This paper explored the role of avionics system PHM in driving autonomous support systems， studied the design content of avionics system PHM， and analyzed the design ideas of each level of avionics system PHM in detail， which could ultimately achieve the full application of avionics system PHM It is instructive.

Keywords： PHM;avionics system;design;maintenance support

预测与健康管理（PHM）系统具有智能检测、故障诊断、趋势预测、健康评估、数据采集、数据监控、数据管理和决策支持等功能。航空电子系统设计复杂，与其他系统交联紧密，具有多属性、非线性等固定特征，系统故障的预警参数变化不够明显或为突变信号，这些因素的存在使得PHM技术在航电系统中的应用更加具有挑战性[1]。在这种情况下，航电系统的PHM设计工作显得尤为重要，PHM技术在航电系统的应用将成为新一代作战飞机故障诊断体系的研究重点之一，人们要进行综合、深入的研究[2]。

1 航电系统PHM的重要作用

机载航空电子系统PHM技术将在未来飞机作战中扮演非常重要的角色[3]。PHM技术的应用可以提高飞机的战备完好率，提高飞机的可支付性，缩短再次出动时间，降低后勤保障规模。飞机返航阶段，PHM系统可以向地面系统发送需要进行维修更换部件的信息，从而快速启动后勤保障，实现飞机的快速维修。这种自主的维护方式减少了对人员和设备的要求，实现了飞机系统的自主后勤保障，如图1所示。

2 航电系统PHM设计的内容

航空电子PHM设计的主要内容包括PHM总体设计、PHM系统中央管理设计和PHM分层结构设计。

总体设计包括：对PHM系统状态检测能力的确定与设计;对PHM系统的故障检测、隔离与预测能力的确定与设计;确定评价指标，确定评价系统监测、故障检测、隔离、预测能力的指标，如故障检测率、关键故障检测率、故障覆盖率、故障隔离率、置信度等;基于系统FMEA分析，确定航电产品的故障模式，确定状态检测的对象和内容。

中央管理设计包括：确定健康基线、故障诊断和预测逻辑;设计PHM系统的数据结构;设计PHM系统软件的功能和内容。

PHM分层结构设计包括：设计PHM分层结构各部分内容的故障检测、隔离与预测能力;设计PHM分层结构间接口的通信协议与标准;设计PHM分层结构各部分的测试内容、方法和流程;确定底层传感器的选型、布局和优化。

3 航电系统PHM各层次的设计

为了方便集成和模块化设计，航空电子产品的PHM系统采用层次化设计，共分为三层，分别是成员系统软硬件监控程序、区域管理器和飞机平台管理器。由于这三层的各自功能和特点不同，设计时需要对这三层分别进行设计。

3.1 成员系统软硬件监控设计

成员系统软硬件监控主要完成PHM系统的底层状态数据采集和处理功能，主要由分布于航空电子产品各部分的传感器和自测试的BIT组成。BIT按电路可分为基于模拟信号的BIT和基于数字信号的BIT。各成员系统BIT的输出结果均通过接口传输到区域管理器中进行处理。

3.1.1 基于模拟信号的BIT。航电产品中有很多模拟电路，存在很多模拟信号，如导航输出的位置和姿态信号、高度表的高度值信号、雷达扫描信号等。基于模拟信号的BIT就是要采取综合手段来处理这些信号。为了充分获取系统的状态数据，保证BIT的覆盖率和可信度，并为下一层提供足够的输入，基于模拟信号的BIT设计时应包括电路输出值、电源状态、时钟状态、引脚交连状态（开路、短路等）等[4-5]。

3.1.2 基于数字信号的BIT。在航电系统的控制和处理电路中，含有大量的CPU、DSP及其他大规模集成处理电路，这些电路中及各电路之间的数据交换均采用数字信号，航电产品的状态信息离不开这些数字信号，基于数字信号的BIT就是用于监测这些电路的数据流。数字信号的BIT可分为两种方法。第一种是在数字电路中自主检测设计，目前很多芯片都带有自检功能，可以在芯片内部内嵌主动测试软件对芯片本身做测试，通过这些测试可以检测出如芯片CPU时钟、时序状态等各类状态。第二种是整机级BIT设计，一般芯片的自主检测能力有限，并不能完成所有的功能测试，如通信状态的持续检测。这就需要多个电路共同做检测，提高检测精度，降低虚警率，最终给出电路正常与否的判断。

3.2 区域管理器设计

航电系统PHM区域管理器的功能是完成状態信号处理、信息融合和区域推理机的功能，是连续监控飞机相应分系统运行状况的实时执行机构。其包括状态信号汇集、健康信息推理和状态整理与输出三部分，如图2所示。

3.2.1 状态信号汇集。按信号数据类型分，成员系统软硬件监控程序可通过两种途径向PHM区域管理传送信息。模拟信号通过信号接口，数字信号通过传输总线。

3.2.1.1 信号接口。由于成员系统软硬件监控层的处理能力有限，有些成员系统软硬件监控层的模拟信号需要在区域管理器进行处理和监控。这时通过信号接口，将成员系统软硬件监控层的信号引入区域管理器进行处理。为了能更准确地判断和定位子系统的故障，其间需要通过成员系统软硬件监控层提供相应的状态信号，以便在区域管理器中考虑分系统间的交连关系后给出检测和隔离的结果。

3.2.1.2 传输总线。对于数字信号和数据，通常采用总线的形式进行传输，区域管理器从总线中获取子系统的健康信息，对子系统的故障和异常进行监控。

3.2.2 健康信息推理。健康信息推理主要根据汇集的状态信号进行区域级的故障诊断推理、预测推理，并进行状态评估。在推理过程中，除了考虑各子系统的状态数据外，还根据子系统之间的交叉关联结构进行推理。

3.2.3 状态整理与输出。状态整理与输出是对健康信息推理的结果进行记录和存储，并最终输出至飞机平台管理器中。将区域级的健康推理结果和各子系统的历史数据以规定的数据结构存储在区域管理器中，并通过接口传输至下一层。

3.3 飞机平台管理器设计

飞机平台管理器宿驻在ICP（综合核心处理机）中，通过区域管理器提供的各类状态、故障信息，依据各区域间的互联关系，确定并监测和隔离故障，完成健康状态和维修信息的报告。

飞机平台管理器中的推理机分为预测推理机、诊断推理机及异常推理机。预测推理机依靠来自该分系统的所有预测输入来预计分系统组成部件的剩余寿命。诊断推理机记录来自该分系统的各种不同的诊断输入，以确定故障的原因。异常推理机对非正常行为进行分类，收集非额定数据，用于以后对诊断及预测推理机进行更新。

4 结论

本文对航空电子系统PHM的设计工作内容进行了探讨，对航空电子系统PHM各层次的设计思路进行了细致的分析，这对最终实现航空电子系统PHM的全面应用具有指导意义。

参考文献：

[1]张云阁.JSF战斗机技术分析[R].北京：中国航空工业发展研究中心，2002.

[2]张宝珍.2l世纪的保障方案：JSF飞机的自主式后勤[R].北京：中国航空工业发展研究中心，2004.

[3]黄鹤，卢海涛.综合化航空电子系统PHM应用与设计[J].电讯技术，2014（3）：245-250.