面向維護(hù)的A320飛機(jī)駕駛艙電源功能仿真

馬紅巖，錢文高，陳靜杰

（中國民航大學(xué)a.基礎(chǔ)實驗中心；b.航空自動化學(xué)院，天津 300300）

面向維護(hù)的A320飛機(jī)駕駛艙電源功能仿真

馬紅巖a，錢文高b，陳靜杰b

（中國民航大學(xué)a.基礎(chǔ)實驗中心；b.航空自動化學(xué)院，天津 300300）

民航業(yè)對維護(hù)人員培訓(xùn)的緊迫性越來越突出，而專門的訓(xùn)練設(shè)備比較緊缺。鑒于此設(shè)計了針對維護(hù)人員的電源仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)飛機(jī)電源系統(tǒng)的多輸入多輸出以及控制邏輯復(fù)雜的特點(diǎn)，同時考慮了與其它電氣系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，提出了輸入、本體、輸出的各自功能邏輯，并建立了簡化的統(tǒng)一功能模型，然后運(yùn)用矩陣辨識確定了數(shù)學(xué)模型，解決了元素多而邏輯關(guān)系繁雜的問題，加快了系統(tǒng)的運(yùn)行速度以及提高了后續(xù)的擴(kuò)展性，既實現(xiàn)了電源頁面、應(yīng)急面板和控制面板正常功能的仿真，又實現(xiàn)了電源系統(tǒng)的多種故障模擬。

維護(hù)仿真；系統(tǒng)建模；功能模型；故障模擬

電源系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)載電氣設(shè)備的一個重要組成部分，其承擔(dān)了向飛機(jī)上所有用電設(shè)備供電的任務(wù)。隨著飛機(jī)上各種用電設(shè)備日益增多，用電量不斷增加，電源系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)性都成了人們?nèi)找骊P(guān)注的問題，迅速、正確地認(rèn)識理解飛機(jī)電源系統(tǒng)對維修人員處理相關(guān)故障是非常必要的[1]。

存在于電源系統(tǒng)中的故障可能會導(dǎo)致空中斷電，不僅影響飛行任務(wù)的完成，而且威脅飛行安全，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡的后果，所以快速處理飛機(jī)電源系統(tǒng)的故障對整個飛機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要[2]。而目前國內(nèi)外對駕駛艙的模擬大部分用于飛行模擬機(jī)，為仿真飛機(jī)的飛行提供支持?jǐn)?shù)據(jù)和相關(guān)視景，如微軟模擬飛行模擬程序，而專門用于機(jī)務(wù)維護(hù)訓(xùn)練的較少，以Faros公司的AIRBUS A320 MTD駕駛艙維護(hù)操作模擬器為代表[3]，其模擬是采用無關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)模塊標(biāo)識符標(biāo)識不同的信息，建立各種操作功能，由于標(biāo)識符無關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致內(nèi)部邏輯混亂，并且會使系統(tǒng)復(fù)雜度提升，不利于大規(guī)模系統(tǒng)的實現(xiàn)。由于電源系統(tǒng)是駕駛艙其它系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，因此建立一種自上而下的結(jié)構(gòu)，確定好系統(tǒng)間邏輯關(guān)系，明確輸入輸出，會給其它系統(tǒng)仿真帶來方便，使系統(tǒng)間結(jié)構(gòu)清晰。

基于此，考慮到現(xiàn)代飛機(jī)電氣設(shè)備多、電源系統(tǒng)維護(hù)工作的重要性及駕駛艙電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文選取空客A320系列飛機(jī)，以電源系統(tǒng)輸入、本體、輸出的各自功能邏輯為基礎(chǔ)，建立簡化的統(tǒng)一功能模型，然后運(yùn)用矩陣辨識確定數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用OpenGL作為主要的技術(shù)手段，使用VC++和XML為資源配置工具建立仿真平臺，然后在確定的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立飛機(jī)電源系統(tǒng)模型，包括輸入輸出量、元素、狀態(tài)等，仿真出駕駛艙ECAM電源頁面、應(yīng)急電源面板和電源控制面板。

1 電源系統(tǒng)功能劃分

一般飛機(jī)維護(hù)不需知道每個組件的設(shè)計原理，而只需清楚各系統(tǒng)工作原理即可，因此電源系統(tǒng)操作模型可分為系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)本體、系統(tǒng)輸出。系統(tǒng)輸入包括故障數(shù)據(jù)池的故障擾動輸入、駕駛艙ELEC面板和應(yīng)急電源面板的各種按鈕觸發(fā)消息輸入、供電裝置輸入等（如圖1中A部分）；系統(tǒng)本體以電源系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用抽象元素方法，經(jīng)過模型運(yùn)算，將元素之間用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的信息傳遞關(guān)系連接起來，把系統(tǒng)本體輸出變量傳給系統(tǒng)輸出模塊（如圖1中B部分）；系統(tǒng)輸出經(jīng)過邏輯運(yùn)算后將結(jié)果輸出到顯示器（包括EFIS、ECAM、FCU、CDU等）、SOUND、MCDU，實現(xiàn)電源系統(tǒng)操作、系統(tǒng)測試和故障擾動的影響（如圖1中C部分）。

圖1 電源系統(tǒng)操作模型Fig.1 Operation model of ELEC PWR system

1.1 系統(tǒng)輸入

電源系統(tǒng)的輸入量依據(jù)輸入源的不同分為兩類：第一類是按鈕動作輸入，即開關(guān)量；第二類是供電裝置的輸入量，供電裝置包括IDG1、IDG2、APUGEN、EMERGGEN以及BAT1和BAT2等。其中按鈕量的輸入只有接通和斷開兩種狀態(tài)，所以定義其變量類型為bool型，true表示接通狀態(tài)，false表示斷開狀態(tài)。供電裝置輸入量提供的信息有電壓、電流和頻率，依據(jù)電源系統(tǒng)原理圖得出供電裝置的輸入量分為兩種情況：一種是供電裝置控制組件的輸入量，另一種是顯示系統(tǒng)的輸入量。這兩種輸入量根據(jù)輸入值可歸納為3種不同的表示方式：①根據(jù)組件的不同，邏輯值1表示提供115 V、400 Hz交流電或者28 V直流電；②0都表示不供電；③對顯示系統(tǒng)的輸入量是連續(xù)變化量，值定義為double型，在下ECAM的ELEC頁面上可顯示其變化過程。

1.2 系統(tǒng)本體

電源系統(tǒng)的操作模型接受故障數(shù)據(jù)池的故障擾動、駕駛艙面板的各種按鈕的輸入，經(jīng)過模型運(yùn)算，輸出到顯示器、聲音、MCDU，實現(xiàn)電源系統(tǒng)操作、系統(tǒng)測試和故障擾動的影響。

所建元素模型，采用抽象元素的方法，抽象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中每一個航線更換件（LRU）凝練為元素，元素包括輸入、輸出和功能三個部分，具有多輸入多輸出的特點(diǎn)。不同元素之間通過變量的下標(biāo)（元素fin號）區(qū)別，每個輸入輸出信號由信號物理意義、變量名和取值范圍三部分組成。輸入有控制邏輯（XL）、功能（XA）和故障擾動（XF）三種類型；輸出結(jié)果包括元素功能結(jié)果（YF）和元素功能狀態(tài)（YG）兩部分，功能包括控制邏輯（G）和元素功能（F）兩部分，其表達(dá)式如下

其中：i表示當(dāng)前fin號元素的第幾個輸入；j表示當(dāng)前fin號元素的第幾個輸出（i，j=0，1，…，n）。

例如繼電器1XU1的輸入有4000XU，取值為{0，1}，0表示1XU1沒有從GEN1獲得電源輸入，1表示1XU1從4000XU獲得115 V、400 Hz輸入；輸出有9XU1、11XU1，取值都為{0，1}，0表示沒有輸出，1表示1XU1輸出接通信號，則輸出給9XU1的邏輯可以表示為

由于1XU1的輸出是對9XU1的線圈復(fù)位信號（邏輯值為1），與1XU1實際輸入的115 V、400 Hz交流電無直接關(guān)系，因此設(shè)計1XU1的元素功能如下

1.3 系統(tǒng)輸出

依據(jù)電源系統(tǒng)輸出方式的不同將輸出分為隱性輸出和顯性輸出兩類。隱性輸出是指電源系統(tǒng)向其它系統(tǒng)的供電輸出，體現(xiàn)為各匯流條的供電電壓情況，依據(jù)AMM（aircraft maintenance manual）手冊查出其正常情況下提供的電壓值，由于其取值范圍連續(xù)，所以定義其變量為double類型。顯性輸出又分為兩部分：第一部分是ELEC面板上按鈕燈狀態(tài)輸出，由于按鈕燈狀態(tài)是邏輯量，所以需要邏輯運(yùn)算表達(dá)式計算按鈕燈狀態(tài)輸出；第二部分是電氣頁面中線路連接狀態(tài)輸出。

其中顯性輸出邏輯運(yùn)算是由系統(tǒng)本體輸出的變量組成，變量Wj為

其中：Wj表示電源系統(tǒng)模型本體的輸出變量，邏輯值為布爾型，電路導(dǎo)通有電時其值為1，斷路或沒電時其值為0。

顯性輸出的電氣頁面中線路連接狀態(tài)的運(yùn)算邏輯為

其中：函數(shù)Gk表示電源系統(tǒng)中電氣頁面狀態(tài)的邏輯運(yùn)算；Lk代表電氣頁面中的其中一路邏輯運(yùn)算表達(dá)式的輸出值，值為1表示該路通，值為0表示該路斷。

顯性輸出的還有ELEC面板上按鈕狀態(tài)燈的輸出，其輸出邏輯為

其中：函數(shù)Hfin負(fù)責(zé)電源系統(tǒng)面板上按鈕狀態(tài)的邏輯運(yùn)算；Sfin代表面板上按鈕邏輯輸出值，邏輯值為布爾型，值為1時燈亮，值為0時燈滅。

例如，AC1至APUGEN的線路，該路含有匯流條互聯(lián)接觸器11XU1和APUGEN接觸器3XS，該線路在ELEC上定義為第二路輸出線，故可表示為L2= YG11XU1∩YG3XS，若這兩個接觸器均吸合則該路通，輸出值為1，否則該路斷，輸出值為0。

由于按鈕狀態(tài)不僅有通斷兩種情況，而且部分按鈕還有兩種狀態(tài)燈，所以對含有兩種狀態(tài)燈的按鈕采用兩個邏輯運(yùn)算表達(dá)式計算其狀態(tài)，如GEN1按鈕含有FAULT和OFF兩個狀態(tài)燈，其對應(yīng)邏輯表達(dá)式為

其中：SGEN1-OFF、SGEN1-FAULT分別表示GEN1按鈕的OFF、FAULT燈狀態(tài)，值為1表示燈亮，值為0表示燈滅。

2 電源系統(tǒng)模型建立

由于電源系統(tǒng)關(guān)系到其它電氣系統(tǒng)[3]，而不同的系統(tǒng)使用的電子元器件不盡相同，因此采用系統(tǒng)原理分析以及數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的方法對電源系統(tǒng)進(jìn)行建模，即灰色建模[4]。

針對不同的元素、不同的功能，先提出一般的數(shù)學(xué)抽象模型[5]。圖2中，ym是電源系統(tǒng)中組件轉(zhuǎn)換以后的其中一路輸出電壓參數(shù)，x1，x2，…，xn是飛機(jī)電源系統(tǒng)組件的輸入電壓參數(shù)，fm是函數(shù)關(guān)系，表示組件的控制邏輯。對于圖2的數(shù)學(xué)模型，其輸入輸出關(guān)系可以表述為

圖2 電源系統(tǒng)輸入輸出簡化模型Fig.2 Input-output model of power system

根據(jù)電源系統(tǒng)的簡化模型確定常見組件輸入與輸出之間的關(guān)系，加快系統(tǒng)的運(yùn)行，提高后續(xù)的擴(kuò)展性，可表述為

其中：A為輸入電壓的辨識矩陣；B為輸出電壓的辨識矩陣；X為電壓輸入矩陣；Y為電壓輸出矩陣。

A=[a1，a2，…，an1]，其中a1，a2，…，an1分別表示對應(yīng)于x1，x2，…，xn1輸入的控制邏輯，可取值0，1，2…，表示不同的輸入狀態(tài)，每一個布爾值對應(yīng)于一種故障狀態(tài)，0表示功能正常，參數(shù)正常[5]。

B=[b1，b2，…，bn2]，其中b1，b2，…，bn2分別表示對應(yīng)于y1，y2，…，yn2輸出的控制邏輯，可取值0，1，2…，表示對應(yīng)于不同的輸出狀態(tài)[6]。

X=[x1，x2，…，xn1]T，其中x1，x2，…，xn1表示組件的輸入電壓參數(shù)。

Y=dir[y1，y2，…，yn2]，其中y1，y2，…，yn2表示組件的輸出電壓參數(shù)[7-8]。

由此電源系統(tǒng)的組件模型可表示為

3 仿真與實現(xiàn)

運(yùn)用OpenGL作為主要的技術(shù)手段，使用VC++和XML為資源配置工具建立仿真平臺，在確定的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立飛機(jī)電源系統(tǒng)模型，包括輸入輸出量、故障元素、狀態(tài)等，仿真出駕駛艙下ECAM上電源頁面、應(yīng)急電源控制面板和電源控制面板。其中對于按鈕輸入先實現(xiàn)背景圖和熱區(qū)設(shè)置，此部分主要通過XML腳本文件實現(xiàn)，然后建立消息傳遞機(jī)制，實現(xiàn)捕捉按鈕動作消息，并完成對應(yīng)變量的設(shè)置。輸出主要通過改變按鈕對應(yīng)變量值而改變該按鈕對應(yīng)節(jié)點(diǎn)變量值，若對應(yīng)節(jié)點(diǎn)變量值符合按鈕狀態(tài)圖片顯示條件，則更新按鈕狀態(tài)圖。

下ECAM上ELEC頁面仿真效果如圖3所示，實現(xiàn)了對ELEC頁面功能的全仿真，能實時反映電源系統(tǒng)的狀態(tài)，如圖中GEN1、GEN2、BAT1、BAT2等組件的各參數(shù)變化，交直流匯流條與發(fā)電機(jī)間的顯性連線，并且能實時反映出數(shù)據(jù)庫設(shè)置的故障效應(yīng)，全面監(jiān)控維護(hù)模擬機(jī)的電源狀態(tài)。圖4是頂板左側(cè)的應(yīng)急電源面板，供應(yīng)急情況和測試應(yīng)急發(fā)電機(jī)時使用，主要用來控制應(yīng)急發(fā)電機(jī)。圖5為頂板ELEC控制面板，可控制電瓶并監(jiān)控電瓶電壓，另外兩個主發(fā)電機(jī)、APU發(fā)電機(jī)、外部電源、匯流條也由其相應(yīng)的按鈕開關(guān)控制。圖4與圖5中每個按鈕燈都是顯性輸出，應(yīng)急電源面板與ELEC面板上的操作對電源系統(tǒng)的影響都會實時地在ELEC頁面上顯示出來，同時，面板上的按鈕都可以成為故障元素，仿真故障。

圖3 下ECAM的ELEC頁面Fig.3 ELEC page on down ECAM

圖4 應(yīng)急電源面板Fig.4 EMER ELEC PWR panel

圖5 ELEC控制面板Fig.5 ELEC PWR panel

4 結(jié)語

駕駛艙電源系統(tǒng)仿真為維護(hù)模擬機(jī)的各電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供必須的輸入，支持系統(tǒng)各種故障的設(shè)置，并能為進(jìn)一步仿真系統(tǒng)的故障影響與故障效應(yīng)提供支撐。本文選取空客A320系統(tǒng)飛機(jī)，以電源系統(tǒng)功能模型和TSM手冊里電源系統(tǒng)的相關(guān)故障數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在A320飛機(jī)維修模擬器平臺上通過VC++采用類仿真電源系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)；并且結(jié)合XML仿真駕駛艙ELEC頁面的表達(dá)與故障效應(yīng)的顯示，可再現(xiàn)電源系統(tǒng)絕大多數(shù)的故障，仿真出對應(yīng)的故障效應(yīng)，達(dá)到支持維修人員訓(xùn)練的目的。

[1]朱新宇，沈頌華.飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，27（6）：706-708.

[2]GENG H，WANG H.A Novel Method of Avionics Circuit Simulation[C]//Computer Modeling and Simulation，ICCMS’10.Second International Conference on.IEEE，2010，3：403-406.

[3]SONGHUA N X S，ZHUO D S C.Fault diagnosis of rectifier in aircraft power system[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，10：018.

[4]劉本德，胡昌華.基于圖論模型的模擬電路故障可測性分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007，27（4）：257-259.

[5]MINOURA T，PARGAONKAR S S，REHFUSS K.Structural Active object Systems for Simulation[C]//ACM SIGPLAN Notices.ACM，1993，28（10）：338-355.

[6]PATTON R J，CHEN J，SIEW T M.Fault Diagnosis in Nonlinear Dynamic Systems Via Neural Networks[C]//Control，1994.Control’94.International Conference on.IET，1994，2：1346-1351.

[7]李昕穎，熊華鋼.綜合化航空電子分區(qū)隔離的建模與設(shè)計方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2011，37（1）：31-35.

[8]HINZMANN M A.Dependency Modeling of an Avionics Power-Supply for Testability Analysis[C]//Reliability and Maintainability Symposium，1995.Proceedings，Annual.IEEE，1995：283-289.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Maintenance-oriented A320 cockpit electrical power function simulation

MA Hong-yana，QIAN Wen-gaob，CHEN Jing-jieb
（a.Basic Experiment Center；b.College of Aeronautical Automation，CAUC，Tianjin 300300，China）

Aiming at the short supply of special training equipment and the more and more prominent urgency of maintenance staff training on civil aviation industry is a power simulation system for maintenance mechanics is designed.Based on multiple input multiple output of aircraft power supply system and the characteristics of complex control logic with consideration of the connection between other electrical systems at the same time，the function logic of input，ontology，output is put forward and the simplified unity function model is established.Matrix identification is used to determine the mathematical model，solving the complex logical relationship between various elements，accelerating the system simulation speed and enhancing the subsequent extensibility.The current system can already achieve normal function simulation of power page，emergency panel and control panel as well as many kinds of power system fault simulation.

maintenance simulation；system modeling；function model；fault simulation

V223；TP391.9

：A

：1674-5590（2015）04-0030-04

2014-09-28；

：2014-12-10

天津市科技攻關(guān)計劃重點(diǎn)項目（06YFGZGX00700）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項（ZXH2012B001，ZXH2012D010）

馬紅巖（1982—），女，河南新鄉(xiāng)人，助教，碩士，研究方向為虛擬維修仿真與故障診斷.