基于航后QAR數(shù)據(jù)譯碼的APU故障診斷技術(shù)

高飛鵬，黃加陽，陳新霞

(上海民用飛機健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，上?！?00241)

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基于航后QAR數(shù)據(jù)譯碼的APU故障診斷技術(shù)

高飛鵬，黃加陽，陳新霞

(上海民用飛機健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，上海200241)

APU系統(tǒng)由于其會直接影響飛機的運行安全性、經(jīng)濟(jì)性以及旅客的舒適度，因此無論是飛機主制造商還是航空公司都非常重視APU系統(tǒng)的故障診斷工作;但是，在APU設(shè)計之初又無法實現(xiàn)對其所有故障的準(zhǔn)確探測和隔離;為了實現(xiàn)飛機投入運營后對APU系統(tǒng)疑難故障的探測問題，文章以B737飛機的APU啟動電門故障以及APU啟動時間異常為例，提出利用航后的QAR相關(guān)數(shù)據(jù)譯碼結(jié)果，查看相關(guān)參數(shù)的變化情況，提高APU系統(tǒng)的故障診斷水平;實踐證明，利用航后QAR數(shù)據(jù)譯碼結(jié)果能夠極大提高航空公司對APU系統(tǒng)以及飛機的故障診斷水平，方便航空公司日常的運營和維護(hù)工作，最終提高飛機的利用率。

快速存取記錄器；飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；輔助動力裝置；故障診斷

0　引言

輔助動力裝置(auxiliary power unit，APU)本質(zhì)上是一臺小型的發(fā)動機，用于向飛機獨立地提供電力和壓縮空氣，在部分飛機上還可以提供額外的附加推力。當(dāng)飛機在地面上時，APU主要用于在起飛前啟動主發(fā)動機，從而可以使得飛機脫離對地面電源、氣源的依賴。在飛機起飛過程中，APU還負(fù)責(zé)為客艙和駕駛艙提供充足的電力和壓縮空氣，保證照明以及空調(diào)系統(tǒng)的正常運行，進(jìn)而確保發(fā)動機的輸出功率全部用于飛機的地面加速以及空中爬升，從而可以很好的改善飛機的起飛性能。飛機降落后，APU系統(tǒng)重新啟動，向外供應(yīng)電力和壓縮空氣，這樣主發(fā)動機就可以盡快關(guān)閉，從而節(jié)省燃油，降低噪聲。當(dāng)飛機爬升到一定的高度(通常為5 000 m以下)時，APU會自動關(guān)閉。但是在飛行過程中，當(dāng)主發(fā)動機遭遇空中停車的惡性事件時，APU可以在一定高度(通常為10 000 m)以下為主發(fā)動機的空中重新啟動提供動力，降低發(fā)動機空中停車造成的危害，進(jìn)而提高飛機的安全性。

因此，在目前主流的民用飛機上，APU系統(tǒng)都被視為直接影響飛行安全性、經(jīng)濟(jì)性以及旅客舒適性的不可獲取的重要機載系統(tǒng)。因此，無論飛機主制造商還是航空公司都非常重視對APU系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控以及故障診斷技術(shù)方面的研究[1-2]。

本文首先分析了常見的APU系統(tǒng)故障診斷方法以及QAR數(shù)據(jù)譯碼原理，在此基礎(chǔ)上，以B737飛機的APU啟動電門故障以及APU啟動時間異常為例，提出基于航后QAR相關(guān)數(shù)據(jù)譯碼結(jié)果查看相關(guān)參數(shù)的變化情況實現(xiàn)診斷，以提高APU系統(tǒng)的故障診斷水平。

1　常見的APU系統(tǒng)故障診斷方法

對APU系統(tǒng)的故障進(jìn)行探測和隔離，并對APU特定時刻的運行狀態(tài)進(jìn)行長期穩(wěn)定的監(jiān)控是目前APU故障診斷技術(shù)的主要方法。

從具體的實現(xiàn)方法來說，主要有以下3種。

1)故障實時探測：APU系統(tǒng)內(nèi)部計算機ECU(Engine Control Unit)與飛機維護(hù)系統(tǒng)(OMS/CMS)相互配合，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的邏輯，實時探測飛機的故障，并在故障發(fā)生的第一時間通知機組；如果故障的等級很高，還可以通過ACARS實時下傳至地面，以便維護(hù)人員提前做好維護(hù)準(zhǔn)備。目前，這種故障探測方法廣泛應(yīng)用于波音、空客等各種機型，是最為流行的故障探測方式。

2)故障離線檢查：地面維護(hù)人員在飛機落地后，通過對APU系統(tǒng)各個組件的手動BITE測試，探測其中可能存在的故障。這種故障檢查方式主要應(yīng)用于航后對APU系統(tǒng)復(fù)雜故障的排故工作中，同時也用于少數(shù)不具備中央維護(hù)功能(CMF)的機型(如B737飛機)的日常維護(hù)和檢查工作中。

3)狀態(tài)實時監(jiān)控：機載的飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(ACMS)可以根據(jù)預(yù)先定義的邏輯，對APU的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并在邏輯觸發(fā)的時刻，按照預(yù)先定義的方式采集并記錄相應(yīng)的發(fā)動機參數(shù)[3-4]；目前比較通用的APU相關(guān)的ACMS報文主要有啟動/性能報(Start/Performance Report)、主發(fā)動機啟動/慢車轉(zhuǎn)速報(MES/Idle Report)以及自動關(guān)車報(Auto Shutdown Report)3種報文，這些報文主要用于APU主制造商以及航空公司對APU進(jìn)行長期健康趨勢分析工作，以便提前發(fā)現(xiàn)潛在故障的征兆，提前做好相應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)工作。

如圖1所示為波音、空客以及中國商飛各個機型除了發(fā)動機以外各機載系統(tǒng)的ACMS狀態(tài)監(jiān)控報文的數(shù)量對比圖。從圖中可以看出，雖然各個機型的新舊程度不一，但APU相關(guān)狀態(tài)監(jiān)控報文的數(shù)量始終都在2到3個，明顯高于其他機載系統(tǒng)，這充分體現(xiàn)了APU健康狀態(tài)監(jiān)控對飛機日常運營維護(hù)工作的重要性。

圖1　ACMS報文產(chǎn)生過程

4)航后QAR數(shù)據(jù)譯碼分析：飛機落地后，航空公司可以利用QAR內(nèi)部連續(xù)記錄的海量數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行譯碼后提取其中與APU相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這些數(shù)據(jù)一方面可以幫助航空公司更好的定位一些復(fù)雜疑難故障，另一方面還可以為航空公司提供APU的連續(xù)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，有助于航空公司對APU整個運行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)控和長期趨勢分析工作。這是目前最新的故障診斷的方式，也被各大航空公司以及航空相關(guān)科研院所視為最有潛力的飛機故障診斷以及健康管理的方式。

2　QAR數(shù)據(jù)譯碼

快速存取記錄器(quick access recorder，QAR)，是現(xiàn)代民航客機飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)(ATA31)中非常重要的組成部分。相對傳統(tǒng)的“飛行事故記錄器”(FDR/DFDR)，QAR中記錄著更加豐富的飛機運行參數(shù)。同時，QAR還具有易于接近、維護(hù)簡單、數(shù)據(jù)存儲量大，且機載存儲設(shè)備通用、價格低等優(yōu)點[5-6]。

QAR數(shù)據(jù)譯碼分析的過程如圖2所示。從圖中可以看出，整個譯碼分析過程主要由以下5個部分組成。

圖2QAR譯碼分析過程

1)數(shù)據(jù)采集：

目前主流民用飛機的QAR數(shù)據(jù)都是通過ACMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入輸出模塊采集的，也有部分支線客機上的QAR直接與飛機航電總線相連，從而直接獲取所需數(shù)據(jù)。

通過ACMS進(jìn)行數(shù)據(jù)QAR采集的優(yōu)點主要在于航空公司可以通過客戶化的ACMS軟件對QAR中記錄的參數(shù)列表以及各個參數(shù)的特性進(jìn)行客戶化修改和設(shè)置，從而更好的滿足飛機實際運營維護(hù)工作的需要。

在數(shù)據(jù)存儲格式方面，ARINC717協(xié)議是目前主流機型QAR數(shù)據(jù)記錄的格式，而ARINC767協(xié)議是在此基礎(chǔ)上衍生出來的記錄格式，主要用于B787等先進(jìn)機型上。

2)數(shù)據(jù)下載：

QAR數(shù)據(jù)采集后，通常會被會被記錄在特定的存儲介質(zhì)上，主要包括PCMCIA卡、光盤以及SD卡等。這些數(shù)據(jù)可以通過人工手動獲取的方式下載至地面。同時，隨著WQAR(Wireless QAR)的逐漸普及，越來越多的航空公司選擇通過地面無線3G、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)在飛機落地后自動向地面?zhèn)鬏斚鄳?yīng)的數(shù)據(jù)，從而提高整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，降低運營成本。

3)數(shù)據(jù)解壓：

考慮到存儲設(shè)備成本或數(shù)據(jù)安全等問題，有些廠家提供的機載QAR 設(shè)備對其原始QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮處理，一般地，其壓縮算法不公開，地面軟件必須使用廠家提供的解壓模塊/算法解壓后才可進(jìn)行之后的應(yīng)用處理(解壓模塊往往與解碼軟件內(nèi)置/集成)。國內(nèi)航空公司中常見的QAR 設(shè)備供應(yīng)商中，L3、SAGEM 的QAR 數(shù)據(jù)都是被壓縮的，Honeywell，Teledyne 是不壓縮的。

4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄：

QAR 數(shù)據(jù)在QAR 磁盤(光盤/PCMCIA 卡/閃存磁盤)上有兩種文件分署方式：基于 FAT 表的塊式文件分署(FBFA-FAT Block File Allocate)以及流式文件分署(SFA-Stream File Allocate)。

在FBFA 中，一個QAR 磁盤在初始化時(由地面軟件或機載QAR 設(shè)備自動完成)就已經(jīng)為磁盤中各種數(shù)據(jù)的存儲劃定了存儲空間。如圖3所示中，以一個512 M 的QAR 磁盤(PCMCIA 卡或閃存盤或MO光盤)為例：

·QAR 數(shù)據(jù)：49% ≈ 250 M；

圖3　FBFA示意圖

·DAR 數(shù)據(jù)：49% ≈ 250 M；

·SAR 數(shù)據(jù)(另一種特殊用途的二進(jìn)制數(shù)據(jù))：1% ≈ 5M；

·MSG 數(shù)據(jù)(ACMS 數(shù)據(jù))：1%≈ 5M。

在上面的例子中，QAR、DAR、SAR、MSG 數(shù)據(jù)將以4 個獨立的固定大小的文件保存在QAR 磁盤上，且在新數(shù)據(jù)堆積的過程中，文件大小不改變。上圖中，我們還可以看出，對某些數(shù)據(jù)，初始設(shè)置允許“Wrap”(即回滾：空間滿后舊數(shù)據(jù)將被自動清除)；有些數(shù)據(jù)不允許”Wrap”；磁盤最低剩余空間限制(磁盤剩余空間低于此值時，機載設(shè)備將產(chǎn)生警告信息，以提醒維護(hù)人員即使更換QAR 磁盤)。在SFA 中，每一個起落的數(shù)據(jù)被單獨保存在一個文件，因此SFA 不存在QAR 文件內(nèi)部“剩余空間”的問題，但卻無法實現(xiàn)”Wrap”的功能。SFA 的QAR 文件在數(shù)據(jù)堆積的過程中，文件的大小不斷增加。

5)數(shù)據(jù)分析：

目前，國內(nèi)大部分航空公司的QAR數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼后的主要存儲形式為CSV(comma separated variables)文件。這種文件格式本身比較通用，航空公司維護(hù)人員可以采用微軟的Excel電子表格處理軟件作為分析工具，結(jié)合自身的工程經(jīng)驗，對QAR數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的初步分析。這種數(shù)據(jù)分析方式比較簡單通用，成本也較低，比較適合QAR數(shù)據(jù)分析初期3到5組數(shù)據(jù)的簡單對比分析工作，在航空公司應(yīng)用比較廣泛。

另一方面，由于CSV文件本身在數(shù)據(jù)存儲和處理方面具有其自身的缺陷，如其數(shù)據(jù)存儲調(diào)用不夠靈活、數(shù)據(jù)容量有限以及圖表處理慢等，因此少數(shù)航空公司選擇使用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析平臺軟件以及數(shù)據(jù)庫對QAR數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析。這些數(shù)據(jù)分析平臺包括SAGEM的AGS，Teledyne的AirFASE等。這種數(shù)據(jù)自動分析工作功能強大，但是其應(yīng)用成本也非常高，比較適用于多組QAR數(shù)據(jù)應(yīng)用于成熟復(fù)雜診斷模型的分析工作。

3　基于航后QAR數(shù)據(jù)譯碼的APU故障診斷應(yīng)用分析

本節(jié)以B737飛機APU啟動電門故障以及APU啟動時間異常為例，介紹航后QAR數(shù)據(jù)譯碼在APU系統(tǒng)故障診斷上的應(yīng)用[7]。

1)APU啟動電門故障：

國內(nèi)某大型航空公司某架B737飛機在航后發(fā)現(xiàn)APU無法起動。維護(hù)人員根據(jù)工程經(jīng)驗，首先判斷為啟動電源組件故障，并依據(jù)飛機維護(hù)手冊AMM 49-41-71立即對其進(jìn)行了更換，但是故障依舊。由于航線維護(hù)時間較短，而APU當(dāng)時又無法正常啟動，因此維護(hù)人員選擇現(xiàn)場調(diào)取前一天的APU相關(guān)QAR譯碼結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4APU相關(guān)QAR數(shù)據(jù)譯碼結(jié)果

APU ON信號從OFF變?yōu)镺N起開始計時，到APU N1大于95%時為止的時間加2秒為APU起動名義時間。APU ON信號從OFF變?yōu)镺N起且APU N1不為0時開始計時，到APU N1大于95%時為止的時間加2秒為APU起動實際時間。從圖4可以看出，在14點43分11秒(14:43:11)出現(xiàn)過一次APU等待時間為1秒的數(shù)據(jù)，且之后的APU名義和實際啟動時間為3秒和4秒。對比APU轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(APU N1)可以發(fā)現(xiàn)，APU在14點43分56秒(14:43:56)已經(jīng)完成啟動(APU N1大于達(dá)到95%)，而對應(yīng)的APU ON信號在之后的時間區(qū)間內(nèi)不斷地在ON和OFF之間來回切換。由以上分析可以判斷，APU無法啟動的根本原因在于啟動電門故障。

由于APU啟動系統(tǒng)本身比較復(fù)雜，而啟動電門本身不具備BITE測試功能，因此僅僅依靠維護(hù)人員檢查無法及時、準(zhǔn)確地定位啟動電門的故障。因此，航后QAR相關(guān)數(shù)據(jù)的譯碼結(jié)果能夠很好的幫助維護(hù)人員定位該故障，提高航線維護(hù)效率。

2)APU啟動時間異常：

目前，APU啟動時間正在成為繼EGT、引氣壓力之后第3個APU性能退化特征參數(shù)。雖然該參數(shù)無法直接定位故障，但是從以往的APU排故故障來看，啟動時間的逐漸上升，往往是內(nèi)部各組件故障的前兆，值得重點研究和關(guān)注。

國內(nèi)某大型航空公司維護(hù)人員在日常航線維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，某架B737飛機APU起動時間數(shù)據(jù)異常，為176秒。為此，維護(hù)人員調(diào)取了前一天的QAR相關(guān)數(shù)據(jù)的譯碼結(jié)果，如圖5所示。譯碼結(jié)果顯示，在GMT時間19點40分23秒(19:40:23)進(jìn)行第一次啟動APU時，啟動時間為 119秒且無反應(yīng)無燃油流量(FF)，啟動無反應(yīng)時間超長。在GMT時間19點42分25秒(19:42:25)進(jìn)行第二次啟動APU時，啟動第一秒FF為3LB/HR，隨后為0，然后正常供油。其中，APU剛啟動時有幾秒鐘應(yīng)無FF屬于正?，F(xiàn)象。

圖5APU相關(guān)QAR數(shù)據(jù)譯碼結(jié)果

針對該現(xiàn)象，維護(hù)人員立即對燃油相關(guān)組件進(jìn)行了有針對性的測試和檢查，發(fā)現(xiàn)有維護(hù)信息49-31-175(FCU解析器環(huán)路故障)，因此對FCU進(jìn)行了更換。更換后，再次啟動APU，啟動時間恢復(fù)正常。

由于B737飛機本身不具備中央維護(hù)功能(CMS)，部分故障必須通過航后上機BITE測試才能發(fā)現(xiàn)。而在日常航線維護(hù)中時間非常有限，維護(hù)人員無法對飛機各個系統(tǒng)進(jìn)行完整的檢查。因此，借助QAR數(shù)據(jù)譯碼技術(shù)，維護(hù)人員可以在保證飛機安全性的基礎(chǔ)上進(jìn)行更加有針對性的檢查，從而提高飛機的維護(hù)效率。

4　結(jié)束語

現(xiàn)有主流飛機尤其是先進(jìn)飛機的QAR數(shù)據(jù)記錄功能都非常強大。以B777-200型飛機為例，該機型可以獲得的QAR數(shù)據(jù)達(dá)1322種，以每項數(shù)據(jù)取點間隔1秒為例，一次時長4小時的航班理論上所獲得的數(shù)據(jù)量為4×3 600×1 322=190 368 00條。如此海量的數(shù)據(jù)中包含了相當(dāng)多的飛行數(shù)據(jù)信息，必定可以為飛機的日常維護(hù)和維修提供全面的信息決策支持。同時，在機載設(shè)備方面，航空公司還可以根據(jù)自身的需求，客戶化的定義QAR中記錄的數(shù)據(jù)對象以及各個數(shù)據(jù)記錄的頻率、

周期、精度等特性。在地面譯碼軟件系統(tǒng)方面，航空公司可以根據(jù)各架飛機的運行特性以及實際工程經(jīng)驗，自定義相關(guān)飛機參數(shù)與APU以及其他機載系統(tǒng)故障之間的邏輯關(guān)系，從而進(jìn)一步提高QAR數(shù)據(jù)譯碼結(jié)果更有針對性，更能滿足航空公司對APU以及其他系統(tǒng)復(fù)雜故障的診斷以及預(yù)警等功能的需要。

本文對常見的APU系統(tǒng)故障診斷方法以及QAR數(shù)據(jù)譯碼原理進(jìn)行了分析，提出了基于航后QAR數(shù)據(jù)譯碼的APU故障診斷思路，并通過B737飛機的APU啟動電門故障以及APU啟動時間異常為例進(jìn)行了驗證，提高了APU系統(tǒng)的故障診斷水平。航后QAR數(shù)據(jù)譯碼技術(shù)能夠極大地提高航空公司對APU系統(tǒng)以及其他機載系統(tǒng)的故障診斷水平，方便航空公司日常運營維護(hù)工作，從而最終提高飛機的利用率，因此必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

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[7] Boeing. B737 Aircraft Maintenance Manual [Z].

Study of Post Flight QAR Data Decoding in Fault Diagnosis of APU

Gao Feipeng, Huang Jiayang, Chen Xinxia

(Shanghai Civil Aircraft Health Monitoring Engineering Technical Center, Shanghai200241, China)

Due to the direct influences to the aircraft operation safety, economics and customer comfortability, both airframers and airliners pay much attention on the fault diagnosis of APU sytsem. But during the design process of APU, it is impossible to detect and isolate all of the faults or failures. So, in order to solve the detection issue of complicated APU faults, taking start button fault and abnoraml start time of B737 as two examples, this article intend to propose the application of post flight QAR data decoding, which can enable maintenaners to review continuous change of APU related parameters.Then fault diagnosis level of APU can be raised. Practices has proved that, with the help of post flight QAR data decoding results, the fault diagnosis level of APU and aircraft wil be enhanced, the airliners’ operation and maintenance will be faciliated, and finally utilization of the fleet will be promoted.

QAR; ACMS; APU; fault diagnosis

2015-08-05；

2015-09-11。

高飛鵬(1984-)，男，山西晉城人，中級工程師，主要從事民用飛機實時監(jiān)控、故障診斷技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0042-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.011

TP183

A