航空电子系统安全性诊断技术分析

2022-08-03 版权声明 举报文章

航空电子系统安全性诊断技术分析

随着计算机电子信息技术的不断发展和硬件性能的不断提高,电子信息的一些先进的技术被应用于航空业,而航空业是对设备的可靠性有着极高的规范,这又反向对信息技术应用于航空电子设备提出了新的要求。因此航空电子系统也变得越来越复杂,这就增加了航空电子系统维护和维修方面的难度系数.以往的飞机电子系统维修需要人为观察和一些简单的辅助设备来检查航空电子设备是否存在故障问题,这样不仅耗时耗力,而且对飞机的一些潜在隐患难以检测出。我们正处于第四次工业革命的时代,这是一个电子信息技术的颠覆时代,大数据和人工智能等技术赋能各行各业,飞行电子设备和飞行控制系统以及飞机维修系统越来越趋于智能化,飞机在飞行过程中出现的一些问题可以通过飞机自身的飞行控制系统和电子设备的检测对飞机进行智能辅助自修复,从而使飞机回到可以维持正常安全飞行的状态。也可以根据飞行参数记录数据分析预测出飞机存在的一些隐患,这些数据可以反馈给飞机维修人员,辅助判断飞机存在的安全隐患。

航空电子系统的发展

第二次世界大战以后,随着战后新秩序的建立和电子系统的发展,航空业迎来了发展机遇期。人们对于远距离出行的舒适性和安全性有了新的要求,航空电子系统不仅可以用来向驾驶员展示飞机的高度、速度、姿态等数据,还可以用来进行数据分析、性能优化,进而设计制造出更先进、更经济的飞机。航空电子系统在不断地更新迭代过程中,历经了独立式航空电子、联合式航空电子、综合航空电子和先进的综合航空电子四个阶段。航空电子系统在未来必然会向着模块化及通用化方向发展,航空电子设备之间也逐渐趋于“高内聚低耦合”的状态,在航空电子系统日益复杂的今天,为各种航空从业人员的相互之间配合作业打下了基础。同时在进行可靠性分析时,可以进行更加准确地分析飞机存在的问题。航空电子系统的维修在长久以来都是依赖于原准机的经验数据和维修人员经验总结,一个优秀的飞机维修技术人员需要经过数十年的经验积累才可以对飞机的维修有全方位的评估。然而,现在的科学技术日新月异,电子技术发展突飞猛进,依赖于人的经验所作出的判断往往是比较片面的。这就需要借助于计算机技术对飞机的状况进行分析,通过对飞机飞行过程中和落地后检测设备的检测数据进行综合分析,以发现飞机潜在的问题,从而进行提前处理,做到防患于未然。航空电子系统的基本组成现代的航空电子系统既构成了一个复杂的整体,又有各个模块各自的独立性。为满足不同需求的飞机所采用的电子系统有着不同的占比,这也导致了飞机电子系统的不同组成结构。但总而言之,航空电子系统所要实现的主要功能还是大同小异的。从满足飞机飞行要求的角度,航空电子系统的基本组成包括:核心处理系统,任务/飞行管理系统,导航系统,通信系统,机载维护系统,以及综合显示系统。航空电子系统在飞机上的应用使得飞机的可操作性和安全性大大提高,然而航空电子设备系统也日渐复杂,这也使得维修成本大大提高。在飞行中不同状态产生的飞行状况的监测数据可以反映出飞机存在的一些问题,这些数据可以为自身的状态调整和检测维修提供重要的参考,现在基于飞行数据的分析也正在替代传统的检测维修方案。

传统的安全性检测维修方案

随着飞机各种复杂的电子设备的增加,需要控制系统的稳定使飞机可以平稳运行。早期飞机结构简单,事故率较高,设备的状态往往随着使用年限的增加而性能下降。传统的飞机维修技术受制于计算机故障检测水平较低,以定期人为检修为主,飞机出现故障也通常只能等出现明显问题时才得以发现解决。飞机设备故障主要根据失效率与时间的关系来判断检测。传统的检测方法比较机械化,只能机械地应对一些飞机特定的异常问题,一些部件只是根据失效率与时间的关系-浴盆曲线的老化规律来维修更换。而且缺乏对特殊情况的处理措施,这也导致了一些飞机失控的问题出现。但日渐系统集成化的设备的复杂性和新型材料在航空领域的应用使得依靠传统的方式难以解决问题。越来越多的故障分析表明,很多产品的故障率与浴盆曲线的描述不符合。因此需要基于飞机运行状态的检测来分析飞机飞行设备是否存在问题,从而提前发现问题加以预防。

基于数据分析的安全性诊断技术

自空客的A320系列采用电传操纵系统大获成功后,航空电子设备的重要性占比越来越高。现在最先进的为空客A380飞机和波音787型飞机采用了多电系统,将传统的功能系统统一在综合机电系统下。这也使飞机的细微状态的变化会影响整机的运行。波音737max发生的事故就是由于检测到异常后,控制系统的不合理机械式处理,进而引发失控。因此飞机的安全性控制系统应当能进行自我修正,综合进行处理。针对故障诊断技术的应用,许多技术已经找到了解决方案,如多控制面伪逆法,人工智能法,神经网络法,Hinf法,自适应控制等,还有针对振动故障的容错控制,解析冗余诊断法等一些针对特定故障隐患的解决方案。多控制面伪逆法飞机在运行过程中可能会遇到未知的故障,一般的处理方法是进行模块系统的重启,以解决运行中可能存在的问题。当飞机发生重启无法解决的问题如局部破坏性损伤,飞机自身的局部故障区域可能会失去控制,不仅运行的性能会降低,而且会威胁到飞机运行的稳定。多控面伪逆法是一种类似于备份的方式作为冗余设计的方式,当某个部分出现异常或者失效或者未达到预期的功能时,通过反馈调节,调整反馈增益从而实现局部系统功能的组合重构。在这种调节重构的方案下,可以保障电子设备基本功能尽量不受影响,使得飞机仍旧处于可控的状态。此方法类似于局部模式的切换,这种方法是被提前设计好的,在遭遇故障时可以无缝切换到其他的模式。人工智能分析法随着硬件水平的提升计算机算力的提高,人工智能分析技术被用于飞机数据的处理和辅助决策。飞机上电子设备和各种传感器也日益增多,飞机对实时分析处理数据的要求越来越高,对飞机的大量飞行数据进行处理从而综合分析飞机的状态。人工智能分析法是通过特定算法,对输入的海量数据进行分类、特征提取,然后不断进行学习、训练,最后可以为不同的使用场景匹配出最佳的解决方案。目前对飞机状态分析应用人工智能法较多的是使用专家系统,专家系统是通过机器学习的方式,将特定领域的专业知识存入计算机并对知识数据进行整合,从而辅助相关人员进行分析解决问题。在民用航空领域,飞机维修人员通常是需要取得特定机型的维修执照,而且在实际操作中容易缺乏安全性方面问题的考量,而专家系统可以掌握丰富的专业知识,有着优异的问题分析能力,在面对庞杂的系统时可以弥补人类在系统推理上的缺陷。神经网络法神经网络在近年来受到许多行业的欢迎,因其在数据分析检测方面有人所无法比拟的优势。随着神经网络技术的发展,神经网络法用于飞机的故障诊断也成了国内外专家的关注热点。人工智能中的专家系统的局限性在于只能处理专业性强的浅知识,当出现比较复杂的系统和需要深度推理时,处理速度和效果方面就比较不理想了。航空发动机和电子设备在使用一定年限后,一些部分的材料会因腐蚀氧化等而出现性能下降,如果不加以实时监测,就可能出现设备不可靠所导致的运行故障。神经网络法可以对实时的检测数据进行分析,并对部件的寿命和安全性做出质量评估,以便及时处理维修保养。这样可以提高电子设备的使用寿命,增强设备的安全性、可靠性。神经网络法可以辅助分析航空设备的状态数据。目前,基于BP(BackPropagation)与RBF(RadialBasisFunction)的神经网络在航空设备故障诊断领域的应用成为设备的检测良好选择方案。Hinf法飞机的实时状态数据通常都是不恒定的,所以控制系统的设计通常要求实时性较高,这对计算处理能力是一个巨大的考验,要求有一定的反应灵敏度,在极短的时间内要进行准确有效的控制。Hinf法是在控制系统中对加权函数的参数调节来改变奇异值曲线从而加强系统的稳定性,此种做法可以有效抑制飞行过程中瞬时扰动带来的不安全问题,使得飞机在检测到瞬时突发状况下有能力进行稳态的运行。通常按照扰动的频域特征来选取特征值,有条件可以对扰动进行频域分析。而输入的权函数可以按照期望的带宽和输入的幅值约束来试探型选取,特征值的选取通常都要经过多次试探才能找到最佳的选择方案。自适应控制法自适应控制法考虑到了系统的容错机制,是为了应对系统外界的不确定性,它会依赖不同的状态参数提取关键的信息进行分析处理,在遭遇突发状况下也能自动适应优化,使系统运行在最佳的控制状态下。在运行过程中,此方法会不断地辨识模型参数,类似于迭代法最终无限接近于实际。而且自适应控制系统具有一定的调整优化能力。一些系统在刚开始投入运行时可能性能不符合预期,但是经过系统参数的不断自我调整,使运行达到一种平衡稳定的工作状态。这种控制方式在应对系统发生较大变化时也能逐渐适应运行需求。自适应控制法在复杂度和成本方面都是比较高的,通常在常规的反馈达不到预期的时候应用。解析冗余诊断法飞机在一些状态下,隐患可能不会影响飞行,但一旦切换到另外一种模式下的时候,潜在的问题就会暴露出来。比如在起飞爬升和降落以及应对可能存在安全影响等处于人工驾驶模式阶段时,这种模式下由于有飞行员的参与调整,振动故障可以被飞行员的操纵信号抵消,其影响不会很大。而巡航阶段,飞行模式一般会调整为自动驾驶模式,即保持一定的高度与速度进行定直平飞。此时如果产生振动故障,则可能对飞机的飞行状态产生较大的影响,减少飞行舒适程度,严重时会影响飞行安全。飞机在运行中会检测到震动故障,这些故障产生的原因可能来自传感器故障,结构自振,气动弹性故障(由于飞机的局部结构弹性模态受到外部气动力的作用产生振动,并通过前向通道影响伺服回路指令输出或者直接影响舵面偏转,进而引发舵面振动故障。)解析冗余的故障检测是把计算机根据冗余结算结果与舵面偏转传感器检测信号进行实时对比,判断出故障情况,从而进行更精确的调整。

结语

航空电子系统的安全性一般被聚焦在设计阶段,然而在使用阶段的反馈也是很重要的,而安全性诊断是防患于未然。飞机在运行过程中一些小的故障可能会导致严重的灾难性后果,因此利用各种方法对飞机的安全性进行评估诊断以做出及时的调整,就会发现潜在的问题,进行及时的修正处理。这样不仅提高了飞机飞行的安全性,也能辅助飞机检修人员进行飞机的维修。

作者:张贵明 包勇

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