基于ACARS的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控方法

韓雁飛，盧曉光，徐廣有，李啟翔，畢文靜

（1.中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300；2.天津航空有限責任公司，天津 300300；3.中國國際航空股份有限公司工程技術(shù)分公司，北京 101312）

基于ACARS的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控方法

韓雁飛1，盧曉光1，徐廣有2，李啟翔3，畢文靜3

（1.中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300；2.天津航空有限責任公司，天津 300300；3.中國國際航空股份有限公司工程技術(shù)分公司，北京 101312）

飛機通信尋址和報告系統(tǒng)（aircraft communication addressing and reporting system，ACARS）是一種航空器和地面站之間通過無線電或衛(wèi)星傳輸短消息的數(shù)字數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。在“基于狀態(tài)的維修”（condition based maintenance，CBM）的思想上，提出一種基于ACARS的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控方法。該方法從真實的機載數(shù)據(jù)出發(fā)，在設(shè)備失效測試的基礎(chǔ)上分析機載氣象雷達故障字，從而設(shè)計用于實時故障監(jiān)控的機載ACARS報文，并通過空地協(xié)同工作的方式，利用機載設(shè)備、地空數(shù)據(jù)鏈和地面維護系統(tǒng)等實現(xiàn)空地一體化的故障監(jiān)控。實際裝機測試表明，該方法可有效地識別機載氣象雷達系統(tǒng)故障，減少故障誤判，縮短排故時間，降低航空運營成本。

機載氣象雷達；ACARS；故障監(jiān)控；地面維護系統(tǒng)

大型客機日趨增多、速度增快，航空公司在運營成本上所承受的壓力也隨之不斷增大。機載氣象雷達（weather radar，WXR）作為重要的機載監(jiān)視設(shè)備，其運行情況密切關(guān)系著飛機的安全，當機載氣象雷達出現(xiàn)故障時，極易造成飛機滑回、返航甚至墜毀等事故[1]。2008年5月15日，深圳過站機組反映B-5092飛機氣象雷達故障，有“PWS FAIL”和“WXR FAIL”信息，機務(wù)人員處理故障后放行。飛機在滑出后再次出現(xiàn)故障告警，導致飛機滑回，航班取消，停場排故。2008年5月16日，深圳航前機組再次反映，長時間測試WXR后出現(xiàn)“PWS FAIL”，飛機停場排故，航班延誤?！?010年國航機群機載導航設(shè)備可靠性年度報告》[2]中表明，氣象雷達的故障率居首位，其中除少數(shù)幾次因庫房備件不足外，其余均因為排故時間較長而造成航班延誤，致使飛機備降或返航，給旅客出行帶來了不便，同時也給航空公司帶來了較大的經(jīng)濟損失。

隨著飛機結(jié)構(gòu)的復雜化和高科技的應(yīng)用，機載氣象雷達傳統(tǒng)維修方式的效率和故障解決率越來越難以滿足要求。傳統(tǒng)的維修方式無法實現(xiàn)設(shè)備壽命最大化，容易產(chǎn)生維修過剩和資源浪費等情況。在頻繁維修的同時，極易帶入其它新的故障，干擾設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。為解決維修保障問題，美國軍方于20世紀70年代率先采用了基于狀態(tài)的維修理念[3]，是指利用內(nèi)置的傳感器或便攜式外部設(shè)備進行測試，以實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)實時評估的維修過程。隨著狀態(tài)檢測技術(shù)、計算機技術(shù)及維修分析決策技術(shù)的迅猛發(fā)展，美國軍方于2004年頒布了“增強型基于狀態(tài)的維修（CBM+）實施規(guī)劃”[4]。實踐證明，以狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的CBM+通過實施精確維修，可有效地縮短停機時間，降低維修費用，以最低的資源消耗獲得最高的維修效率，最大限度地發(fā)揮設(shè)備能效。

隨著“基于狀態(tài)的維修”這一理念的提出與肯定，世界各大航空維修企業(yè)開始研發(fā)基于這種理念的飛機狀態(tài)監(jiān)控與維修技術(shù)。1999年，法國空客公司研發(fā)了數(shù)字化排故管理軟件AIRMAN；2002年，美國波音公司開始研發(fā)全新的服務(wù)項目，飛機健康管理（airplane health management，AHM）等。由于機載電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)和空地數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的不斷完善，基于機載數(shù)據(jù)采集技術(shù)和空地數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[5]（aircraft condition management system，ACMS）在航空公司中得到了廣泛的使用，特別是在飛機重要組件的狀態(tài)監(jiān)控方面。借助飛行數(shù)據(jù)來了解機載設(shè)備的運行狀態(tài)和性能是比較穩(wěn)妥、準確的方法。ACARS報文利用ACMS實時收集的飛行數(shù)據(jù)為航空公司推行“基于狀態(tài)的維修”提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。目前，歐洲及美國一些航空公司都采用了基于ACARS和機務(wù)維修電子文檔管理系統(tǒng)的飛機維修支持系統(tǒng)，實現(xiàn)在飛機飛行過程中對機載氣象雷達等系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，以求達到盡早發(fā)現(xiàn)和預(yù)測故障的目的。

因此，本文在“基于狀態(tài)的維修”的思想上，提出一種基于ACARS的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控方法。該方法從機載氣象雷達真實的機載數(shù)據(jù)出發(fā)，利用ACMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫觸發(fā)包含WXR故障字的ACARS報文，并通過空地數(shù)據(jù)鏈將報文發(fā)送至地面維護系統(tǒng)。地面維護系統(tǒng)對故障進行診斷分析，提出可靠的維護建議，從而實現(xiàn)機載氣象雷達的實時故障監(jiān)控。實際裝機測試表明，該方法可有效地識別機載氣象雷達系統(tǒng)故障，降低非例行維護工作量，縮短排故時間，最終達到降低航空運營成本、保障民航運輸安全和高效運行的目的。

1 ACARS系統(tǒng)概述

近年來，信息數(shù)字化技術(shù)在飛行安全中的應(yīng)用十分廣泛。若能合理地使信息數(shù)字化技術(shù)與安全技術(shù)相結(jié)合，將不斷提高航空安全工作的質(zhì)量和效率。ACARS系統(tǒng)由美國ARINC公司開發(fā)，用于在航空器和地面站之間通過無線電或衛(wèi)星傳輸報文消息的一種數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)。ACARS系統(tǒng)是指包括機載設(shè)備、服務(wù)提供商和地面服務(wù)系統(tǒng)等在內(nèi)的一個完整的空地協(xié)同系統(tǒng)[6-7]，其中提供ACARS報文的核心機載設(shè)備為ACMS。

ACMS是建立在先進的機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備、空地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和計算機信息處理技術(shù)上的飛機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字飛行數(shù)據(jù)采集組件（digital flight data acquisition unit，DFDAU）是機載ACMS的核心組件，其收集到的各種原始飛行數(shù)據(jù)既可以經(jīng)機載的ACARS系統(tǒng)通過甚高頻空地數(shù)據(jù)鏈發(fā)送到地面接收站，為飛行安全保障工作的實施提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也可通過快速存取記錄器（quick access recorder，QAR）保存下來，在飛機過站或航后供航務(wù)和機務(wù)人員使用。

ACARS報文具有靈活的可編程和重構(gòu)能力，用戶可以根據(jù)需要加以變更[8]。報文的可編輯性，為基于ACARS的故障監(jiān)控技術(shù)的實現(xiàn)提供了可能。通過客戶化的地面用戶編程軟件編寫ACARS報文觸發(fā)邏輯并裝填于機載ACMS的控制管理組件（control management unit，CMU）內(nèi)。當機載設(shè)備的實時數(shù)據(jù)符合用戶編輯的報文觸發(fā)邏輯時，系統(tǒng)將采集相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，按預(yù)定的報文格式生成報文，并通過ACARS系統(tǒng)經(jīng)由空地數(shù)據(jù)鏈下發(fā)至地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?；贏CARS的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控方法的原理框圖，如圖1所示。

機載氣象雷達實時故障監(jiān)控方法采用空地協(xié)同工作方式，即故障監(jiān)控功能由機載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)共同實現(xiàn)。其中，機載系統(tǒng)包括待監(jiān)控的機載氣象雷達系統(tǒng)、ACMS和ACARS系統(tǒng)等；地面系統(tǒng)包括地面維護系統(tǒng)和地面用戶編程軟件。地到空的工作方式，是指利用ACARS報文地面用戶編程軟件，以待監(jiān)控參數(shù)的數(shù)據(jù)位狀態(tài)改變?yōu)锳CARS報文觸發(fā)邏輯，參照ARINC（Aeronautical Radio Inc.）標準設(shè)定報文格式，并將其裝填于機載組件內(nèi)?？盏降氐墓ぷ鞣绞剑侵笝C載DFDAU采集ARINC 429總線的WXR機內(nèi)自檢設(shè)備（built-in test equipment，BITE）產(chǎn)生的故障字和系統(tǒng)運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當實時數(shù)據(jù)符合用戶編輯的報文觸發(fā)邏輯時生成ACARS報文，并通過空地數(shù)據(jù)鏈傳送到地面維護系統(tǒng)。地面維護系統(tǒng)接收ACARS報文，并利用報文中的參數(shù)信息進行故障診斷，同時提供相應(yīng)故障維護建議，為設(shè)備維修工作提供依據(jù)與指導。

圖1 WXR實時故障監(jiān)控方法的原理框圖Fig.1 Schematic diagram of WXR real-time fault monitoring method

2 設(shè)備失效測試

機載氣象雷達系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)復雜，故障模式多樣，作為機載導航設(shè)備中重要的組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響著飛機的飛行品質(zhì)。

機載氣象雷達通過ARINC 429總線傳輸數(shù)據(jù)，標準ARINC 429的傳輸字為32位，共分為PARITY、SSM、DATA、SDI和LABEL等5個基本區(qū)域[9]。1～8位是標號位（LABEL），標記該傳輸字的信息類型。9～10位是源終端識別位（source destination identifier，SDI），用來指示信息的來源或信息的終端。11～29位是數(shù)據(jù)位（Data Field），用于存儲傳輸?shù)男畔ⅲ创砉收衔唬?0和31位為符號狀態(tài)矩陣位（sign status matrix，SSM），表示數(shù)據(jù)的特性或字的類型，也可以表示發(fā)送設(shè)備的狀態(tài)信息。32位為奇偶校驗位（P），實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)校驗功能。通過LABEL標號，接收設(shè)備可以很容易地判斷出所接收字的用途。例如，LABEL 354用于輸出可更換器件或軟件識別，LABEL 377用于輸出設(shè)備識別，LABEL 350用于輸出故障字等。對于一個典型的故障字，LABEL 350的第11位到第29位分別指示的故障如表1所示。

表1 LABEL 350中數(shù)據(jù)位指示的故障信息Tab.1 Fault information indicated in LABEL 350 data bits

機載氣象雷達與大氣數(shù)據(jù)慣性基準組件（air data inertial reference unit，ADIRU）、無線電高度表（low range radio altimeter，LRRA）、自動油門電門組件和起落架電門等機載系統(tǒng)相互交聯(lián)且較為復雜。當與WXR交聯(lián)的系統(tǒng)發(fā)生故障時，極易被誤判為氣象雷達系統(tǒng)故障，從而引發(fā)氣象雷達故障原因不明的情況，導致WXR的故障虛警率較高，排故復雜且耗時較長，給航班的正常正點運行帶來極大的不便。因此，為有效地實現(xiàn)機載氣象雷達的故障監(jiān)控，必須弄清機載氣象雷達與其他機載設(shè)備的交聯(lián)情況。

由表1可知，通過監(jiān)控LABEL 350中的數(shù)據(jù)位（11～29位），可有效地識別出機載氣象雷達故障。本文以慣導系統(tǒng)與氣象雷達系統(tǒng)的交聯(lián)影響情況為例進行測試分析，利用ARINC 429測試儀讀取總線數(shù)據(jù)，通過斷開左右慣導系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，進行設(shè)備失效測試。設(shè)定“ON”表示出現(xiàn)該數(shù)據(jù)位指示的故障，“OFF”表示未出現(xiàn)故障。測試時，LABEL 350中的數(shù)據(jù)位變化如表2所示。

由表2可知，當關(guān)閉左右慣導1 min后，LABEL 350的BIT 11出現(xiàn)“ON”，即表示W(wǎng)XR收發(fā)組件出現(xiàn)故障。傳統(tǒng)的維修方式僅能通過機載顯示設(shè)備和機組人員的故障記錄信息得到“WXR FAIL”的故障代碼，而無法直接判定出此時的“WXR FAIL”是由慣導組件失效而引起的。維修人員只能通過多次的拆換部件與測試來尋找故障原因。這樣不僅會增加排故的時間與工作量，也極易在多次的拆換過程中帶入新的故障，干擾設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。因此，依托現(xiàn)代化的CBM維修理念，提出一種實時有效的WXR故障監(jiān)控方法，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

3 基于ACARS的WXR實時故障監(jiān)控方法

通過分析設(shè)備失效測試的結(jié)果可知，利用LABEL350中廣播的BITE故障字，可以有效地監(jiān)控機載氣象雷達系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而避免不必要的排故與維修工作。本文在分析機載氣象雷達各組件故障字等參數(shù)信息的基礎(chǔ)上，利用客戶化的ACARS報文地面用戶編程軟件，編寫監(jiān)控機載氣象雷達運行狀態(tài)的ACARS報文，并通過地空數(shù)據(jù)鏈實時傳送設(shè)備的故障字和性能數(shù)據(jù)，為設(shè)備的故障監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支持。地面維護系統(tǒng)接收報文并進行故障診斷，利用直觀智能化的界面顯示提供故障告警和維修建議，指導機務(wù)維修人員的排故工作，從而實現(xiàn)縮減排故時間、降低維修成本的目的。

表2 設(shè)備失效測試時LABEL 350中的數(shù)據(jù)位Tab.2 LABEL 350 data bits in equipment failure test

通常不同機型的數(shù)據(jù)管理組件（data management unit，DMU）由不同公司生產(chǎn)，相應(yīng)的ACARS報文地面編程軟件也不同。目前主流的DMU生產(chǎn)廠家主要有Teledyne公司、Sagem公司和Honeywell公司。本文使用的是Honeywell公司的ADRT（ACMS DMU reconfiguration tool）軟件。

通過分析模擬設(shè)備失效的測試結(jié)果，可建立用于故障診斷的專家?guī)?，以LABEL 350數(shù)據(jù)位的狀態(tài)改變?yōu)橛|發(fā)條件，利用這19位數(shù)據(jù)信息進行故障識別。為實現(xiàn)更準確的故障定位，下發(fā)的報文除傳送機載設(shè)備初步診斷后的故障信息外，還將傳送編碼后的數(shù)據(jù)位信息。參照監(jiān)控參數(shù)的特點和編寫規(guī)則，本文所設(shè)計的機載氣象雷達的故障報報文格式如圖2所示。

圖2 機載氣象雷達故障報Fig.2 WXR fault report

報文通過空地數(shù)據(jù)鏈下發(fā)至地面站，按照ARINC 620協(xié)議中規(guī)定的地/地信息的格式對報文進行轉(zhuǎn)換，并錄入到基于ACARS的機載氣象雷達地面維護系統(tǒng)中，這樣就完成了前文所述的由空到地的WXR實時故障信息傳遞。地面維護系統(tǒng)利用Microsoft Visual Basic 6.0和Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進行聯(lián)合編程，其主要的功能模塊包括報文入庫模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、報文查詢模塊和維護建議模塊等。當接收到故障報文時，地面維護系統(tǒng)的故障診斷流程如圖3所示。

圖3 地面維護系統(tǒng)故障診斷流程圖Fig.3 Fault diagnosis flowchart in ground maintenance system

如圖4所示，基于ACARS的機載氣象雷達地面維護系統(tǒng)可實時地監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。地面維護系統(tǒng)啟動運行后，將自動調(diào)用報文處理模塊，并每隔5 s檢測一次報文的緩存文件夾，判斷是否有新的報文出現(xiàn)。如檢測到新報文，則立即進行入庫操作。當系統(tǒng)接收到WXR故障報時，首先根據(jù)關(guān)鍵字對報文中固定位置的參數(shù)進行提取，同時將重要信息字段存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。其次，以飛機識別碼作為主要分類依據(jù)，對接收的報文進行分類分條顯示，地面維護系統(tǒng)的主界面如圖4（a）所示。以失效測試的故障為例，地面維護系統(tǒng)通過對報文中的數(shù)據(jù)位編碼和故障信息的識別與診斷，判斷出此時的WXR故障是由WXR左側(cè)姿態(tài)匯流條失效（即姿態(tài)數(shù)據(jù)總線失效）引起的。最后，結(jié)合故障隔離手冊（fault isolation manual，F(xiàn)IM）和飛機維護手冊（airplane maintenance manual，AMM），地面維護系統(tǒng)提供了相應(yīng)的維護建議，具體的實現(xiàn)界面如圖4（b）所示。此外，系統(tǒng)還會通過維修報告錄入的方式，將診斷結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，作為后續(xù)故障統(tǒng)計與診斷分析的數(shù)據(jù)源。

圖4 基于ACARS的機載氣象雷達地面維護系統(tǒng)Fig.4 WXR ground maintenance system based on ACARS

在實際操作中，如果最終排故成功的故障原因不是FIM手冊中提供的“故障的可能原因”，則可選擇如圖4（b）所示界面的“another possible causes（查詢輸入其他原因）”，此時系統(tǒng)顯示“其他故障原因查詢與輸入”界面，如圖4（c）所示。維護人員可通過手動輸入拆換件信息、故障手冊信息、排故結(jié)果、備注信息等相關(guān)維修操作信息。同時，界面還可以自動加載數(shù)據(jù)庫中存在的歷史拆換件保留信息，為維護人員提供維修建議和參考。

如圖4（a）所示，運行在甚高頻空地數(shù)據(jù)鏈上的報文分別以ARINC 618協(xié)議和ARINC 620協(xié)議進行封裝傳輸[10]，完整報文由報頭和正文兩部分組成。報頭主要包括優(yōu)先級、目的地址、轉(zhuǎn)發(fā)報文的地面站地址、報文轉(zhuǎn)發(fā)時間、航班號、飛機識別碼和接收報文時間（UTC時間）等基本信息；正文部分是進行WXR故障監(jiān)控的核心，其標明了所接收報文的報文類型（WXR FAULT REPORT）、飛機機尾號（B-5387）和航班號（CA1534）等基本信息。報文中關(guān)鍵的故障信息以“-WXRF”為起始標志。為了對機載氣象雷達設(shè)備及整機的運行狀態(tài)進行更為有效的監(jiān)控，關(guān)鍵信息中除了包括故障字數(shù)據(jù)位編碼（0002108500）和故障信息描述（ONATI 1+）以外，還包括報文觸發(fā)時的飛行階段（ENGS）、報文觸發(fā)時間（004403）、起飛機場（ZBTJ）和目的機場（ZSSS）等相關(guān)信息。如圖4（b）所示，WXR故障報以飛機機尾號作為一級分類標示，地面維護系統(tǒng)在對故障字數(shù)據(jù)位進行解碼分析、診斷故障原因的同時，查詢與該架飛機裝配設(shè)備匹配的故障信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并參照FIM和AMM等手冊信息，給出匹配的維護建議，從而實現(xiàn)空地一體化的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控。

實際裝機測試表明，該方法利用ACARS報文監(jiān)控LABEL 350故障字的數(shù)據(jù)位，可有效地實現(xiàn)機載氣象雷達故障監(jiān)控功能，減少由系統(tǒng)交聯(lián)引起的故障原因不明等現(xiàn)象，大大縮短了飛機排故停場時間

4 結(jié)語

本文在對機載氣象雷達及其交聯(lián)系統(tǒng)進行設(shè)備失效測試的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ACARS的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控方法。利用數(shù)字式機載數(shù)據(jù)采集組件及ACARS報文地面用戶編程軟件，實現(xiàn)機載參數(shù)采集和WXR故障監(jiān)控報文編寫。當WXR設(shè)備出現(xiàn)故障時，觸發(fā)包含WXR故障字的ACARS報文，地面維護系統(tǒng)接收報文并對其提供的故障信息進行診斷與識別，給出相應(yīng)的維護建議作為維修工作的依據(jù)與指導，從而實現(xiàn)空地協(xié)同工作的機載氣象雷達實時故障監(jiān)控，在保障飛行安全的同時，縮短排故時間，降低航空運營成本。

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（責任編輯：楊媛媛）

Real-time fault monitoring method for airborne weather radar based on ACARS

HAN Yan-fei1，LU Xiao-guang1，XU Guang-you2，LI Qi-xiang3，BI Wen-jing3
（1.Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China；2.Tianjin Airlines Co. Ltd.，Tianjin 300300，China；3.Engineering Division，Air China Technics，Beijing 101312，China）

Aircraft communication addressing and reporting system（ACARS）is a data link system of short message transmission between aircraft and ground stations via radio or satellite.According to condition based maintenance，a real-time fault monitoring method for airborne weather radar based on ACARS is proposed.Starting with the real airborne data，the fault words of airborne weather radar are analyzed based on the equipment failure test；meanwhile，ACARS report which is used for real-time fault monitoring is designed.With the air and ground cooperation，real-time fault monitoring of airborne weather radar is realized by using airborne equipment，air-ground data link and ground maintenance system.Actual tests show that this method can identify the fault of airborne weather radar system effectively，and reduce fault misjudgment，troubleshooting time and air operation costs.

airborne weather radar；ACARS；fault monitoring；ground maintenance system

V243.2

：A

：1674-5590（2015）04-0001-05

2015-03-09；

：2015-03-30

國家自然科學基金項目（61471365，61231017，U1233109）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（3122014D007）

韓雁飛（1987—），女，新疆烏魯木齊人，助教，碩士，研究方向為機載氣象雷達信號處理、低空風切變檢測等.