WSN技術(shù)在飛機(jī)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用與展望

藍(lán)屹群

（上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，200232）

WSN技術(shù)在飛機(jī)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用與展望

藍(lán)屹群

（上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，200232）

本文主要介紹了無線傳感技術(shù)的概念，討論了其在機(jī)載測(cè)試方面應(yīng)用的可能性，分析了可能遇到的一些問題，并對(duì)其未來的應(yīng)用作了估計(jì)。

無線傳感技術(shù)；機(jī)載測(cè)試

0　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Net， 簡(jiǎn)稱WSN）是近年來國際、國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)綜合了信息采集、信息處理技和信息傳輸功能于一體，實(shí)現(xiàn)了與周圍環(huán)境的信息交互，在軍用和民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。鑒于此，國家自然科學(xué)基金委NFSC連續(xù)資助了一系列WSN的研究項(xiàng)目。同時(shí)，隨著人們的日益關(guān)注與重視，WSN技術(shù)在理論與實(shí)際應(yīng)用方面研究成果顯著。本文擬就后者探討WSN在飛機(jī)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試上的應(yīng)用。

1　WSN技術(shù)概述

WSN主要通過在人們所感興趣的、被監(jiān)測(cè)的區(qū)域布置一些微型的傳感器，這些傳感器以無線的方式構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如下圖1示，每個(gè)傳感器在網(wǎng)絡(luò)中亦稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己感知到的、人們所關(guān)心的信息（數(shù)據(jù)）如溫度、光照強(qiáng)度、壓力、物體運(yùn)動(dòng)的速度和方向等互相傳遞、匯聚，再由匯聚節(jié)點(diǎn)（匯聚傳感器）以有線或無線的方式將收集到的數(shù)據(jù)傳遞給用戶。因此，WSN實(shí)際上是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與以往有線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，WSN具有低功耗、低成本、安裝方便、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，因此受到人們普遍重視。下面即討論WSN在飛行試驗(yàn)中，對(duì)飛機(jī)各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試方面的應(yīng)用可能性。

圖1　WSN基本結(jié)構(gòu)示意圖

2　飛機(jī)試驗(yàn)的意義、傳統(tǒng)測(cè)試方法與特點(diǎn)

所謂飛行試驗(yàn)，即通過飛機(jī)飛行，獲取大量相關(guān)的定性、定量的數(shù)據(jù)信息，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，確定飛機(jī)及其系統(tǒng)的性能，從而檢驗(yàn)新機(jī)型飛機(jī)對(duì)各種技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的符合性。為獲得這些數(shù)據(jù)，必須在機(jī)上組建相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)，傳統(tǒng)的試飛測(cè)試系統(tǒng)（如ADAS）測(cè)試主要工作過程為，先由傳感器（包括信號(hào)調(diào)節(jié)器）將感知到的重要飛機(jī)參數(shù)如（迎角、側(cè)滑角等）送入專用的數(shù)據(jù)采集器（如1553B），數(shù)據(jù)采集器則將多個(gè)測(cè)量參數(shù)按一定的格式合并為一個(gè)單一的數(shù)據(jù)流，然后通過無線信道將其發(fā)送出去，或利用磁記錄系統(tǒng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。獲取數(shù)據(jù)后，在地面可對(duì)其進(jìn)行處理分析，根據(jù)處理結(jié)果建立數(shù)學(xué)模型，得出飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)性能的結(jié)論。

然而，該測(cè)試系統(tǒng)面臨的問題是，對(duì)機(jī)載傳感器而言，無論是電源的輸送、數(shù)據(jù)的傳輸，都需由電纜提供。傳感器數(shù)量如此之多，勢(shì)必導(dǎo)致電纜數(shù)量相應(yīng)增長(zhǎng)，從而使系統(tǒng)復(fù)雜、布線困難。有些傳感器的位置比較特殊，所處位置并不適合敷設(shè)電纜，否則會(huì)影響測(cè)控性能。然而，隨著人們對(duì)飛機(jī)安全性要求的不斷提高，試驗(yàn)必將測(cè)試更多的系統(tǒng)參數(shù)，容易想象，如繼續(xù)使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將使電纜的數(shù)量達(dá)到難以接受的程度，如此極大地增加了飛機(jī)的重量，進(jìn)而影響飛機(jī)的飛行性能。因此，有必要研制出一種新型的測(cè)試系統(tǒng)，解決此問題。下文以測(cè)量飛機(jī)顫振參數(shù)為例，探討在飛機(jī)上建立WSN測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)想。

3　WSN飛機(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的方案

顫振，是飛機(jī)飛行時(shí)產(chǎn)生的一種危險(xiǎn)的現(xiàn)象，其發(fā)生原因，簡(jiǎn)單說是由于飛機(jī)機(jī)翼上的瞬時(shí)氣動(dòng)力與機(jī)翼彈性位移之間存在相位差，因而使振動(dòng)機(jī)翼不斷從氣流中吸取能量而擴(kuò)大振幅，尤其當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到臨界速度V（亦稱顫振速度）時(shí)，振動(dòng)開始發(fā)散，從而有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。故對(duì)顫振參數(shù)的測(cè)試是十分重要的，飛機(jī)WSN顫振測(cè)試方案結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

如圖，在飛機(jī)的各個(gè)部位分布一定數(shù)量的無線傳感器，可稱之為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其作用為監(jiān)測(cè)傳感器所在區(qū)域的各項(xiàng)飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)。如前文所述，欲測(cè)量機(jī)翼顫振狀況，即可在圖2所示飛機(jī)機(jī)翼與飛機(jī)機(jī)身接口處A、B位置安裝無線傳感器節(jié)點(diǎn)。終端計(jì)算機(jī)帶有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。A、B傳感器將所感知到的機(jī)翼顫振狀態(tài)以單跳或多跳方式匯聚到終端計(jì)算機(jī)，終端計(jì)算機(jī)又與監(jiān)視計(jì)算機(jī)（監(jiān)控中心）相聯(lián)系。終端計(jì)算機(jī)的匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)視計(jì)算機(jī)，如此，測(cè)試者可通過觀察監(jiān)視計(jì)算機(jī)顯示器獲知飛機(jī)機(jī)翼的顫振狀況以及其變化趨勢(shì)。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)還應(yīng)配有服務(wù)器，用以儲(chǔ)存所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)作實(shí)時(shí)的處理，最后將處理的結(jié)構(gòu)送至終端計(jì)算機(jī)。

以上方案與傳統(tǒng)機(jī)載有線測(cè)試系統(tǒng)相比，有許多自身的優(yōu)勢(shì)，比如，在飛機(jī)各處的無線傳感器屬于微電子機(jī)載系統(tǒng)（MEMS），其本身體積小、重量輕，即使大量布置也不會(huì)過多增加飛機(jī)的重量，如此飛機(jī)的燃油利用率也大大提升，使航程更遠(yuǎn)。另外，以往在對(duì)飛機(jī)各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試過程中，由于環(huán)境的變化或測(cè)試方案的改變，傳統(tǒng)電纜式傳感器測(cè)試系統(tǒng)往往面臨大幅度的調(diào)整，缺乏靈活性，工作難度、復(fù)雜度與人力、物力與時(shí)間成本大大上升，甚至影響新機(jī)適航取證的進(jìn)度。然而，WSN是一種自組織的的網(wǎng)絡(luò)，也就是說，網(wǎng)絡(luò)允許根據(jù)需要加入新的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將于原測(cè)控系統(tǒng)中的其它節(jié)點(diǎn)自發(fā)組成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，提高了靈活性，降低了改裝的開銷，這對(duì)測(cè)試者來說是極具吸引力的。我國一些科研單位對(duì)此已作出了一些有益的嘗試，如西安閻良飛行試驗(yàn)研究院研制出一套基于WSN的飛機(jī)剎車壓力測(cè)試系統(tǒng)，并作了實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明測(cè)試性能與傳統(tǒng)有線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)相比相差無幾，完全滿足飛行試驗(yàn)對(duì)測(cè)試精度的要求。

圖2　WSN飛機(jī)測(cè)試系統(tǒng)方案示意圖

4　進(jìn)一步的設(shè)想

前文所述的測(cè)試，主要指在不改變飛機(jī)原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前提下，為獲得更多的性能參數(shù)，在飛機(jī)上加裝許多無線傳感器構(gòu)成測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。然而，飛機(jī)本體就有許多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將測(cè)到的參數(shù)通過電纜輸送到儀表或者其他系統(tǒng)，使后者能夠發(fā)揮自身的作用。同樣，由于機(jī)內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)傳輸采用電纜傳輸，導(dǎo)致電纜數(shù)量過多，布線困難，維護(hù)不便，甚至有因電纜發(fā)生電氣失效而造成飛機(jī)墜毀的例子。循上文思路，我們可以設(shè)想，在飛機(jī)內(nèi)部參數(shù)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)也采用WSN技術(shù)，則可很大程度上解決此類問題。

雖然此設(shè)想的前景十分誘人，但就現(xiàn)狀而言，仍然有一些困難需要克服。

其一，由于WSN采用無線通信方式，然而飛機(jī)上本身載又有其它電子設(shè)備（如通信、導(dǎo)航設(shè)施），故WSN測(cè)控系統(tǒng)工作時(shí)并非處于完全不受干擾的狀態(tài)。此外，機(jī)上的乘客常帶有電子產(chǎn)品，因此WSN網(wǎng)絡(luò)與后二者之間的電磁兼容問題必須予以考慮。如后者影響前者，則WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)誤差，影響測(cè)試參數(shù)的精度；如前者影響后者，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)上其它電子設(shè)備不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)危及飛機(jī)飛行安全。

其二，若欲在飛機(jī)上布置WSN測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，則需在飛機(jī)各個(gè)位置安裝無線傳感器，安裝須在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上開孔。這樣就必須考慮孔所在位置是否影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能。

第三，WSN網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器都自帶供電模塊，不由外界供電。但其容量十分有限，若在機(jī)載測(cè)試過程中電池耗盡，則該傳感器將失效，則相關(guān)系統(tǒng)也將失效。因此，WSN系統(tǒng)電源持續(xù)性的問題有待進(jìn)一步研究解決。

5　總結(jié)與展望

由以上可知，WSN因自身的特殊優(yōu)勢(shì)，在飛行試驗(yàn)中已有一些應(yīng)用，效果良好。但若將該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用與飛機(jī)內(nèi)部參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，鑒于上文所提到的一些實(shí)際問題，出于對(duì)飛機(jī)安全性的要求，目前尚無任何型號(hào)的飛機(jī)嘗試此項(xiàng)技術(shù)。但我們?nèi)匀豢梢哉J(rèn)為，它是有著巨大潛力的。相信隨著WSN技術(shù)不斷成熟完善，WSN在機(jī)載上的應(yīng)用將會(huì)越來越廣，甚至有可能使飛機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念發(fā)生產(chǎn)生革命性的變化。無論如何，其未來是十分值得期待的。

［1］ 王恒亮.胡濤.機(jī)載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用及適航性研究.航空科學(xué)技術(shù) 2014.2

［2］張瑩.張國強(qiáng).基于ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2010.5

［3］孫科.連帥.面向試飛測(cè)試領(lǐng)域的無線傳感器及其組網(wǎng)技術(shù)研究.高科技產(chǎn)品研發(fā) 2013.7

［4］鄭軍.張寶賢.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).2012.2

Application and Prospect of WSN technology in aircraft system parameter test

Lan Yiqun
（Shanghai Civil Aviation College，200232）

This paper introduces the concept of wireless sensor technology，discusses the possibility of application in the field of airborne testing，analyzes some of the problems that may be encountered，and its future applications are estimated.

Wireless sensor technology；airborne test