民用飞机复杂航电系统故障诊断研究

张鹏

摘要：文章对民用飞机复杂航电系统故障诊断进行了研究，通过使用故障树分析法和基于征兆的推理分析法相结合的方式合理优化了排故方案，极大地减少飞机停场周期，提高飞机运营的经济效益，为民用飞机复杂航电系统故障诊断提供一个可行的参考方法。

关键词：民机；航空电子系统；故障诊断；数据分析

就民用飞机日常地面维护任务来说，大部分飞机航电系统故障通过更换LRU（航线可更换单元）或LRM（航线可更换组件）就能排除，排故思路方法比较简单，对维护人员技能要求也不高。地面维护人员只要能够熟悉系统的原理和构造，通过查阅对应故障系统的相关手册，并根据航电设备的故障代码，找到相关章节的排故程序将故障排除。然而有的故障比较复杂且不在故障隔离手册或飞机维护手册涵盖范围内，就不能通过简单的串件进行排除，依旧需要依靠维修人员的经验进行综合判断，对飞机地面维护人员的维修技能水平以及维修经验的积累有很大的依赖。

面对复杂的航电系统故障，如何快速有效地进行排除，减少飞机的停场时间，是目前各家航空公司都亟需解决的重大问题。

1.故障诊断的概念

故障诊断是利用各种检查和测试方法，对系统运行状态和异常情况作出判断，发现系统和设备是否存在故障的过程，从而进一步确定故障所在大致部位，并根据诊断作出判断，为系统故障恢复提供依据，是一门综合性强、涉及多学科的技术。

1.1故障诊断基本任务

故障诊断的主要任务有：故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复等。

（1）故障检测：与系统建立连接后，周期性地向下位机发送检测信号，通过接收的响应数据帧，判断系统是否产生故障。

（2）故障类型判断：系统在检测出故障之后，通过分析原因，判断出系统故障的类型。

（3）故障定位：根据故障检测和故障类型判断的基础上，细化故障种类，诊断出系统具体故障部位和故障原因，为故障恢复做准备。

（4）故障恢复：根据故障原因，采取不同的措施，对系统故障进行排除。

1.2故障类型

飞机航空电子系统的故障类型大致分为软件故障和硬件故障两种，具体有以下几个方面：

（1）飞机线路故障。此类故障比较隐蔽，可分导线接地和导线接地不良两种情况。主要是由于导线绝缘层破损，裸露的金属导线与屏蔽金属网接触所导致的。

（2）系统内的部件故障。此类故障常导致单个设备不工作或系统某项功能不正常，与线路方面的故障相比，简单易查但不好控制。

（3）系统的软件故障。在飞机上装机的综合航电系统部件软件大多代码容量较大、模块较多，不乏出现符号漏写、软件算法设计不完善、各交联系统软件传输信号不匹配等现象，导致在某种特定的环境下整个系统运转不畅，部分功能瘫痪。

（4）外界因素导致的故障。外界因素导致的故障是一种较为特殊类型的故障，因为不是由系统内部原因造成的，有时甚至是一些让人无法想到的偶然因素所造成的。

2.航电系统常用故障诊断方法介绍

随着航空电子系统故障诊断技术的不断进步，依据各个子系统的特性及不同故障模式和故障情况发展出多种有针对性的故障诊断方法，例如模糊推理法、神经网络发、故障树法、专家系统法、征兆推理法、因果网络法、案例推理法等，每种故障诊断分析方法都有不同的特点和使用的条件。这些故障诊断方法最终可归纳为三大类：基于解析模型的故障诊断方法、基于信号处理的故障诊断方法、基于知识的故障方法。

2.1基于解析模型的故障诊断方法

该方法是通过对诊断对象的数学模型进行数学分析而获得故障信息的一类故障检测技术。优点：可实现故障的实时动态诊断。局限性：由于实际工程应用中难以取得精确的系统模型，使其应用的范围和效果受到限制。

2.2基于信号处理的故障诊断方法

该方法是通过使用小波变换、分形等技术对信号模型的数学函数和信号特性等加以分析，进而获得信号特征值的一类故障检测技术。优点：无需故障模型，简单易行。局限性：由于对故障信息无法充分的利用，并且故障现象和故障源之间的关联存在着不确定的因素，从而导致对复杂系统故障分析时引起遗漏和误判。

2.3基于知识的故障诊断方法

这种方法是通过模拟人脑的逻辑思维，并利用专家知识进行推理而获得故障信息的一类故障诊断技术。优点：无需定量数学模型，可充分利用故障信息。局限性：算法复杂度较高，受人的经验影响较大。

由上述故障诊断方法介绍可知，任何故障诊断方法都有一定的局限性，实际工程应用中应针对故障特点采用相适应的故障诊断方法。除此之外，还可以通过多种故障诊断方法的融合，提高故障诊断的效率和容错能力。

3.航电系统维修保障方式介绍

按照目前航电系统维修保障的工作模式，其方式可分为4类，即离位检查、原位检测、移动式综合检测设备（MITE）检测和机上自检测系统（BIT）检测。

3.1离位检查

当航电系统中的子系统或系统组件达到定检周期或发生故障时，将该子系统或系统部件从飞机上拆下由维修专业人员进行检查或排故。优点：直接、针对性强。局限性：维修保障周期长，恢复时与原装机的状态存在差异的可能性，且在拆卸和安装过程中容易引起其他关联系统部件的损坏。

3.2原位检测

当航电系统中的子系统或系统组成单元达到定检周期或发生故障时，用该子系统或系统组成单元专用的检测设备进行在线检测，查找和隔离出故障，并找到外场可更换的最小单元（LRU），予以排故。优点：原位检测克服了离位检查的缺点，有在线、仿真的优点。局限性：所需要的专用检测设备多，不方便携带，维修费用较高。

3.3移动式综合检测设备检测

这种检测是以计算机辅助测试为核心的测试系统，主要由数据采集、处理、分析、判断、估值、输入、输出、容错、自检、报警等子程序组成，主要用于对总线数据传输类设备的故障检测和排查。优点：测试准确性和可靠性较高，方便携带，且相对原位和离位检查所需投入人力、物力、费用大为减少。局限性：设备研制复杂，费用昂贵。

3.4自检测系统检测

自检测系统检测是指系统内部设置的提供检测和故障隔离的自动测试功能。优点：提高故障诊断能力，简化设备维修，降低总体维修费用。局限性：自检测系统的尺寸、重量、布置等因素会受到飞机结构、重量等种种因素的限制有。

4.复杂航电系统故障诊断方法研究

根据民用飞机复杂航电系统的故障特性，需要对故障所涉及的系统理清其工作原理，梳理各系统之间的信号传递关系，并依据外场的故障现象逐一排除干扰的故障源，最后依据系统的接口控制文件（ICD）的定义分析找出告警产生的故障源。为此，按照故障诊断分析法的特点，需要使用故障树分析法、基于征兆的推理法和数据流捕获分析法。具体特点如下：

4.1故障树分析法

这是一种从上层系统到部件，再到部件功能，按从上至下分析的方法。可以用来分析零件、部件或子系统故障对系统故障的影响，其中包括人为因素和环境条件。对系统故障不但可以作定性的分析也可以作定量的分析；不仅可以分析由单一构件所引起的系统故障，而且也可以分析多个构件不同模式故障而产生的系统故障情况。

4.2基于征兆的推理法

征兆推理分析法由一个或几个己知的判断（前提），推导出一个未知的结论的过程，其作用是从己知的现象和知识运用逻辑证明或数学运算，得出一般性概念、原则或结论。

4.3数据流捕获分析法

随著国内外航空工业的快速发展，航空电子技术在数字化和综合化的方向有长足的进步，总线技术因其优秀的性能在航空电子系统中发挥巨大的作用，在航空机载系统的设备中广泛的应用。总线数据流捕获分析就是通过总线检测设备接收总线上某个端口的数据，将捕获的总线数据存储到设备的数据记录模块中，然后通过人为进行进口控制文件的比对，进行故障的解析的过程。

5.结语

随着民机航电系统的快速发展，航空机载电子设备正向综合处理、综合显示、集中控制方向发展。民机航电系统作为一个复杂大型系统，其结构错综复杂，可观测变量多，故障诊断难度大。通过引入故障树分析法、基于征兆的推理分析法和数据流捕获分析法的测试诊断技术，探索了复杂航电系统故障诊断的体系构架方案，并为类似系统架构的故障提供了一种排查的参考方法。