一種飛機TCAS電子系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

董健康，潘玉娥，耿宏

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津300300)

交通警戒及防撞系統(tǒng)TCAS(Traffic Collision Avoidance System)向鄰近的飛機發(fā)出詢問信號，通過入侵飛機的機載應(yīng)答機系統(tǒng)對詢問信號的應(yīng)答，獲得入侵飛機的代碼、高度、航向和其他數(shù)據(jù)。進而通過數(shù)據(jù)分析，判斷出入侵飛機相對本機的威脅等級。如存在威脅，TCAS系統(tǒng)將向駕駛員發(fā)出咨詢提示，或發(fā)出垂直機動指示，避免發(fā)生沖突。如果不存在威脅，TCAS系統(tǒng)將顯示它的相對位置和軌跡[1]。

TCAS系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機的重要機載電子設(shè)備，其復(fù)雜的系統(tǒng)交聯(lián)和內(nèi)部構(gòu)造，對系統(tǒng)維護和故障排除提出了很高的要求。TCAS系統(tǒng)對信號的靈敏度和精度有很高的要求，大量的數(shù)據(jù)計算是其提供高精度電子識別的基礎(chǔ)，再加上機上復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境，造成了各型飛機上TCAS系統(tǒng)故障率相對較高的情況。TCAS系統(tǒng)主要由TCAS處理器、上下兩部天線、TCAS/ATC控制盒、EFIS系統(tǒng)、音響警告系統(tǒng)等部件構(gòu)成，TCAS計算機的計算需要其他系統(tǒng)提供許多信息，如IRS的姿態(tài)和氣壓高度數(shù)據(jù)、RA的無線電高度信號、EFIS控制板、TCAS/ATC控制板、S模式應(yīng)答機、最大空速數(shù)據(jù)、空地邏輯信號、起落架手柄信號等等，因此它的排故也是一個比較復(fù)雜的過程。通過對它的常見故障的分析，一般有電源故障、線路故障和組件損壞等。

1 硬件設(shè)計及實現(xiàn)

故障診斷系統(tǒng)硬件部分采用工控機和數(shù)集采集卡構(gòu)成模擬量輸入通道，通過測量電壓和電阻為程序的故障診斷提供依據(jù)。這里使用的是凌華PCI-9812 20 MHz同步4通道模擬量輸入卡，有20 MHz采樣頻率，由香農(nóng)采樣定理可知最大無失真處理10 MHz的信號，足夠檢測TCAS上400 Hz的交流電源。由于TCAS上電源是115 V 400 Hz交流電，遠超過PCI-9812的A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍，因此必須通過圖1所示調(diào)理電路處理。

圖1 電壓輸入通道

由于線路的電阻，如繼電器、接觸器、按鈕、開關(guān)等觸點的接觸電阻常是毫歐(1.5～150 mΩ)，而天線連接的電阻的阻值也很低,這里使用恒流源四引線法測量電阻[2]，如圖2所示。

圖2 電阻測量輸入通道

2 故障分析及模型設(shè)計

2.1 故障分析

TCAS有電源、天線、模擬、離散接口和程序銷釘,還有數(shù)字接口,因為數(shù)字接口通過ARINC 735A標(biāo)準(zhǔn)定義，而物理連接是ARINC429高速輸入通道,這里只檢測TCAS系統(tǒng)中的電源、天線、模擬、離散接口和程序銷釘?shù)炔糠?。TCAS計算機自檢時能給出一些檢測信息[3]，常見故障如表1所示。

表1 通過BIT或機組記錄的故障

分解關(guān)系如表2所示，此外，抑制總線檢測故障直接檢測連接TCAS計算機、ATC應(yīng)答機和DME測距機這幾套設(shè)備的抑制線電阻。

表2 子故障表

2.2 模型及算法設(shè)計

電源質(zhì)量直接關(guān)系到TCAS系統(tǒng)能否正常運行，電壓、電流、頻率是三個基本參數(shù)，此外，還有一諧波含量等參數(shù)需要得到,這里通過間接測量獲得。頻率和諧波含量分析采用離散傅里葉變換獲得:

由于直流脈動的頻率范圍很寬，為了防止頻域混疊，比較準(zhǔn)確測量這些數(shù)據(jù)，需要使用數(shù)字濾波器進行濾波(防脈沖干擾濾波算法)[4]:

特征提取需獲取頻率中心C和頻率純度W,分別定義為:

電源質(zhì)量檢測處理過程如圖3所示。

圖3 檢測數(shù)據(jù)流

通過檢測電源質(zhì)量的特征提取、電壓或電阻的測量，能獲取器件的狀態(tài)，進一步的故障判斷是通過基于統(tǒng)計的貝葉斯決策方法判斷。設(shè)e表示故障，s表示正常，f表示建議更換，并且先驗概率p(e)、p(s)和p(f)通過經(jīng)驗獲取。由于條件概率p(x|e)、p(x|s)和p(x|f)各類的值都較多分布在均值周圍，設(shè)它們是正態(tài)分布，并通過參數(shù)估計得出。判別函數(shù)為:

則判別規(guī)則為:

通過上面算法可以判斷單個器件的故障。從前面對TCAS常見故障的分析可知，需要一個故障推理機制逐個排除故障。從上面分析可知，它們具有樹狀組織結(jié)構(gòu)，并且為了可擴展性，使用面向?qū)ο蟮臎Q策樹結(jié)構(gòu)進行組織。將各個決策樹節(jié)點的屬性和方法進行封裝，如圖4所示。

圖4 決策樹UML靜態(tài)結(jié)構(gòu)

處理流程如圖5所示。

圖5 決策樹處理流程

2.3 檢測流程

檢測過程是通過決策樹進行故障部位的推理，而決策樹處理中需要一些測量數(shù)據(jù)支持，因此系統(tǒng)處理流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)處理流程

3 軟件設(shè)計及實現(xiàn)

軟件設(shè)計編程主要涉及三個層面的問題:底層驅(qū)動接口、應(yīng)用層和人機界面層。底層驅(qū)動接口主要對數(shù)據(jù)采集卡控制及數(shù)據(jù)獲??；應(yīng)用層是完成數(shù)據(jù)集的存儲和處理；人機界面層就是設(shè)計友好的交互界面。這里采用VC2005.net作為開發(fā)工具，并采用MFC框架的SDI框架設(shè)計。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件界面設(shè)計方式是按照向?qū)Ｊ皆O(shè)計，能使故障隔離和排除過程更加友好和便捷。為了便于決策樹的維護，這里將整個決策樹的數(shù)據(jù)存儲于面向?qū)ο蟮妮p量級數(shù)據(jù)庫XML文件中，數(shù)據(jù)存儲ORM圖如圖8所示。其中Test節(jié)點是測試函數(shù)內(nèi)容，type屬性是指測試內(nèi)容是測電壓或電阻或等待用戶輸入，而script屬性通過腳本能提供更加靈活的控制策略。通過XML儲存文件可以很容易地擴展和修改決策樹。

本文通過對TCAS系統(tǒng)常見故障的分析，采用工控機和凌華PCI-9812采集卡，使用防脈沖干擾濾波算法、離散傅里葉變換和特征提取實現(xiàn)了對電源數(shù)據(jù)和電阻的采集和處理。而后統(tǒng)一通過基于統(tǒng)計的貝葉斯決策，實現(xiàn)器件的故障識別，并使用面向?qū)ο蟮臎Q策樹，實現(xiàn)了TCAS系統(tǒng)故障的定位和隔離。

這里采用模塊化設(shè)計方法，向?qū)Х绞降呐殴式缑?，提供友好的交互界面，并通過XML文件存儲面向?qū)ο蟮臎Q策樹，以提供較強的可擴展性和維護性，并且使用基于統(tǒng)計的故障診斷，并可在排故同時檢測可能的隱患，實現(xiàn)了以工業(yè)控制機為主機的TCAS電子系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)。

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