新构型直升机机电管理系统

汪智超，张 旸，赵兀君

(1.海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333002；2.海军研究院，北京 100000)

0 引言

机载机电系统由支持飞机正常、安全飞行的，独立于航空电子系统、飞控系统的机电子系统组成，在国外把这些系统也称为公共设备系统。典型的机电系统包括液压系统、燃油系统、滑油系统、环控系统、电源及配电系统、防火系统、机轮刹车系统等[1]。

目前飞机上的各种机电系统都是独立发展起来的，虽然在设计时考虑了各系统之间的接口关系和相互影响，但从来没有把机载机电系统作为一个整体来发展。这种传统设计方法必然产生一系列问题：

1)从空间分布上看，各机载机电系统独立地分布在飞机的各个位置，走线错综复杂，形成“散、乱、杂”的局面，导致飞机可靠性和维护性下降。

2)从配置上看，这些子系统一般都单独配有一套管理控制器和专用仪表，这不仅造成硬件利用率低，体积、重量和经济成本增加，无法实现数据的交换和共享等问题，而且会使飞行员的负担过重，人机功效变差。

3)从飞机的发展来看，伴随着飞机性能的不断提高，各种机载机电系统的功能越来越强，技术日益复杂，这使机电系统的重量成本和经济成本有越来越高的趋势，而这通常要以牺牲整机重量和经济性为代价；如果要维持飞机的成本和重量，就必须部分地牺牲机电子系统的性能，因而限制了飞机性能的提高。所以在传统设计方法下，主机和机电系统的矛盾也变得越来越突出。

进入20世纪70年代后期，随着机电一体化技术和电子技术的不断发展成熟，为了改善上述机载机电系统的不足，出现了机电管理系统。机电管理系统通过对机电系统的综合化管理和控制，改变了机电系统“散、乱、杂”的局面，改善飞机的可靠性、维护性和经济性，有效降低了机电子系统的重量。

1 国内外现状

在国外，机电管理系统的研究开始于20世纪70年代末， 20世纪90年代初，机电管理系统应用于欧洲战斗机EF2000[2]。该系统由四台节点机组成，节点机之间采用双余度的MIL-STD-1553B总线相连。各机电子系统根据其机上位置、重要程度等以单余度、双余度或者多余度方式与四台节点机相连。整个机电管理系统以双余度方式和航空电子系统相连，以实现信息的交换和共享。

借鉴EF2000的成功经验，自此以后，无论在固定翼飞机还是在直升机上，机电管理系统都得到了广泛应用。在我国直升机领域，机电管理系统经过了两个阶段的发展：非航空电子监控处理系统(NAMP系统)和机电管理系统。NAMP系统完成如下功能：

1)监控直升机机电系统的状态参数和故障信息，并通过航电的数据总线传给航电的任务处理机实现信息的共享，重要的机电参数和故障告警信息通过航电的综合显示器显示。

2)记录直升机机电系统的故障信息。

3)解析航电系统的指令，完成相关机电子设备的维护BIT操作(MBIT)。

NAMP系统虽然具备了机电子系统的数据采集功能，但是没有实现机电子系统的控制功能。

后继型号的研制中，在NAMP系统的基础之上，发展了机电管理系统。机电管理系统加上了对机电系统的部分控制功能，即可以通过机电参数显示器上的控制键完成燃油系统的压力加/抽油和燃油转输控制功能。

目前，无论NAMP系统还是机电管理系统，虽然在一定程度上实现了机电系统的综合化，但还存在明显不足，具体如下：

1)对改善机电系统的维修性支持不够。现代机电设备的智能化程度越来越高，像发动机控制系统、电源及配电系统、燃油系统以及环控系统中的很多机电设备，一般都具有PBIT，MBIT，IBIT等多种BIT功能。充分利用这些设备的BIT能力必将大大提高机电系统的维修性，而现阶段无论是NAMP系统还是机电管理系统对这些设备的BIT能力的利用都十分有限。

2)对机电系统的保障性支持不够。当前机电管理系统的设计对如何降低机电设备的保障成本明显考虑不足。以燃油系统为例，虽然实现了压力加/抽油和燃油转输功能，但是燃油系统在使用过程中，每次更换油量传感器都必须进行燃油系统的调零调满工作。目前燃油系统的调零调满都由专用设备完成，这无疑增加了保障成本和保障的复杂性，而实际上该功能可以通过机电管理系统综合。

3)机电管理系统的智能化程度不高。一般来讲，对机载设备进行健康监控主要涉及三个方面：一是对设备的当前状态进行评定，即故障诊断；二是对设备的未来状态进行预测分析，即故障预测；三是根据故障诊断和预测结果，提供最优的排故方案，即决策[3]。目前机电管理系统具有机电系统的故障监控功能，但是没有实现预测和决策功能。

4)机电管理系统的余度不足。余度不足不仅使机电管理系统的可靠性较低，而且也限制了机电管理系统功能的进一步扩展。NAMP系统和机电管理系统都采用单余度系统，如果机电管理系统失效，则很多机电参数就不可获得。为了防备这种情况的发生，很多重要的机电参数都有备份仪表进行显示，这和机电系统的综合化思路是不协调的。因此，为了进一步提高机电系统的综合化程度，必须提高机电管理系统的可靠性，故机电管理系统必须采用双余度或多余度设计。

2 硬件设计及工作原理

本文提出的新构型直升机机电管理系统采用双余度设计，不但大大提高了机电管理系统的可靠性，而且也为机电管理系统功能的进一步扩展提供了必要的支持。

机电管理系统由两台机电管理计算机(UMC)和一台机电参数显示器组成，两台节点机之间由交叉数据链路CCDL、同步电路、故障逻辑电路互联。各机电系统根据余度要求及其机上位置选择和其中一台或者两台机电管理计算机相连。机电参数显示器专用于机电参数和故障信息的显示和人机交互，其系统拓扑结构如图1所示。

图1 机电管理系统拓扑结构

机电系统的状态和故障信息通过机电管理计算机采集处理后在机电参数显示器上显示。飞行员和维护人员可以通过机电参数显示器上的控制按键控制机电管理计算机进入不同的工作模式，以完成不同任务。

机电管理系统根据各机电子系统的功能、重要性的不同，对其分别采取不同的余度配置和管理策略。对于可靠性要求高的任务采用直接余度法，即硬件备份；对可靠性要求较低的任务进行单余度设计。通过对硬件的合理配置和软件程序的编制，机电管理计算机能够对多余度任务进行管理，并控制它们之间的通讯。节点计算机之间对于相同的任务彼此同步，始终运行同一任务，允许有限的偏差。同步是周期性的，在同步管理程序的控制下，每个节点机根据时钟向冗余节点机发出它的当前时间，同时在一定时间间隔内收到冗余节点机的时钟值，实现同步握手，然后根据同步算法校正时钟，双机开始同步工作。对于双余度任务，双通道在完成数据采集后，首先通过CCDL进行交叉传输，实现数据共享，实现控制功能的解算，并将解算后的数据通过CCDL进行数据传输和比较，从而实现控制数据的一致性。

3 软件设计

3.1 软件结构

机电管理系统的全部功能都需要软件的支持才能实现，良好的软件设计是提高机电管理系统性能的前提。由于硬件采用了分布式余度容错计算系统，故采用基于分布式容错系统的软件体系结构是实现机电管理系统性能的关键技术。

机电管理系统软件由机电参数显示器软件和UMC软件两大部分组成。机电参数显示器软件的设计相对简单，根据飞行员的不同按键、飞机的不同工作状态以及机电管理计算机的不同工作模式，机电参数显示器有不同的显示界面。其主要功能是完成飞行员输入指令的解析、机电系统参数和故障信息的显示以及与机电管理计算机的通信。

UMC软件分成三个层次，依次为应用软件层，系统服务层和I/O访问层。其中应用软件完成机电系统的状态和故障信息的采集和处理、机电系统的控制和维护、与机电参数显示器和航电系统的通信功能；系统服务层完成机电管理计算机的资源管理、双节点协同与余度管理、应用程序接口等；I/O访问层按照系统服务层的请求完成硬件接口的输入、输出控制。

系统服务层和I/O访问层由配套成品供应商完成，而应用软件层可根据设计需求由主机单位开发。

3.2 应用软件任务模块划分

直升机在不同工况下，如飞行、地面维护等，机电管理系统对各机电子系统的操作控制权限也相应地有所不同，这就要求机电管理系统处于不同的工作模式，执行不同的任务。合理划分机电管理计算机的任务模块既是机电子系统对机电管理系统设计提出的客观要求，也是机电管理系统合理分配自身内部资源以完成相应的功能的必要途径。吸取型号研制的成功经验，克服现阶段机电管理系统的不足，瞄准未来新一代直升机的需求，将UMC应用软件划分成以下六个任务模块：

1)通讯模块：完成和机电参数显示器、航电系统的通讯。

2)机电系统状态与故障监控模块：完成机电系统参数以及故障状态的采集、处理和记录。

3)机电系统控制模块：完成机电系统使用过程中对一些机电设备的控制操作，如燃油系统的压力加/抽、燃油转输等功能。该模块为机电系统的综合化控制提供支持。

4)机电系统维护模块：完成机电系统的一些维护操作，如一些智能机电设备的MBIT操作；更换一些机电设备时的系统标定工作，如燃油系统的调零调满工作。这些操作只能在直升机处于地面维护时进行。该模块为提高机电系统的可维护性提供支持。

5)机电系统故障预测模块：根据以往的故障经验和对设备现状的分析，对设备的未来状态进行预测，通过对机电系统状态的科学预测，对可能发生的故障可以进行提前预防，从而大大提高机电系统的安全性。

6)机电系统排故支持专家系统模块：在专家系统的支持下，根据故障诊断和预测结果，提供最优的排故方案，可以大大减少机电系统的排故时间，提高飞机的出勤率。

在设计实现时，每个任务模块会根据具体需求划分成若干具体任务。

3.3 机电管理软件工作模式及流程

根据直升机工况的不同，机电管理计算机设计有三种不同的工作模式，分别是空中监控模式、地面监控模式和地面维护模式。每种模式下机电管理计算机运行的任务都不尽相同，机电参数显示器的显示界面也不同。应用软件和系统应用软件统一设计，形成一个完整的控制软件，并存储在两个不同的节点机中。系统上电后，UMC自动识别自己的位置，然后根据自己的位置和系统资源表进行自动配置和自主优化，运行预先规划的、静态配置的控制软件，之后进行IBIT测试，然后按照设定的程序开始正常的执行过程。当系统出现故障时，系统启动容错和重构策略，根据不同的错误等级和错误影响进行系统重构，并向整个系统通知容错和重构信息，并对错误情况和重构情况进行记录，然后开始系统正常任务的执行，直到系统任务结束。

机电管理系统的总体软件框图如图2所示。机电管理计算机在IBIT测试之后，判断直升机轮载状态，如果直升机在地面，则进入默认的地面监控模式；如果直升机在空中则进入空中监控模式。在地面监控模式下，如果维护人员从机电参数显示器的控制键发出进入地面维护的指令，则机电管理计算机就从地面监控模式进入地面维护模式。在地面监控模式和地面维护模式下，如果直升机轮载状态从地面变为空中，则在对地面监控模式和地面维护模式下的任务做必要的处理后，机电管理计算机转为空中监控模式。

图2 机电管理系统的总体软件框图

4 结论

随着机电一体化技术和电子技术的飞速发展，借助机电管理系统实现对直升机机电系统的综合化管理和控制已经在型号研制中得到广泛应用。本文针对传统机电管理系统的不足，设计新型机电管理系统，在提高直升机机电系统的可靠性、保障性、维护性等方面都具有明显的优势，对于在役机能力提升及加改装有一定的指导意义，对新一代直升机机电管理系统的设计具有一定的现实参考意义。

[1] 路多.综合机载机电系统[J].北京：航空科学技术，2003(6).

[2] 罗海明 谢剑斌 陆志肖.机电系统综合化控制和管理[J].景德镇：直升机技术，2010(1)：62-67

[3] 张建民，徐小力，徐宝杰，王红军. 北京： 面向机电系统状态监控与故障诊断的现代技术[J].北京理工大学学报,2004(9).