淺談航電健康管理技術(shù)現(xiàn)狀

劉瀏

【摘 要】文章介紹了國(guó)內(nèi)航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，探究了航電系統(tǒng)失效的主要原因，以及元件級(jí)、電路板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試方法，并詳細(xì)分析了當(dāng)前航電健康管理測(cè)試技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】航電系統(tǒng)；健康管理；技術(shù)

【中圖分類(lèi)號(hào)】V243 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）12-0149-03

0 引言

航電系統(tǒng)是任何飛機(jī)、宇宙飛船或運(yùn)載火箭管理模塊的關(guān)鍵部分。航電系統(tǒng)在飛行器中起著中樞神經(jīng)的作用，運(yùn)行著管理和控制算法。因此，航電系統(tǒng)的失效將會(huì)對(duì)飛行器的運(yùn)行和任務(wù)的完成產(chǎn)生重大影響。設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷，以及環(huán)境引發(fā)的故障，是造成航電系統(tǒng)失效的主要原因。

1 航電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 航電系統(tǒng)的組成

航電系統(tǒng)由管理飛行器的運(yùn)行和為飛行器系統(tǒng)提供電能的必要部件組成，由飛行計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)總線(xiàn)、制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)、通信和跟蹤系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、在硬件部件上執(zhí)行的軟件、飛機(jī)所有子系統(tǒng)中的傳感器組成。

1.2 航電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

航電系統(tǒng)有2種基本結(jié)構(gòu)類(lèi)型：聯(lián)邦系統(tǒng)和模塊化的集成系統(tǒng)。這些機(jī)構(gòu)可以確定航電系統(tǒng)對(duì)于航電系統(tǒng)內(nèi)部失效管理的響應(yīng)。聯(lián)邦系統(tǒng)是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方法，包含一組集成但是不相同的航電部件。每個(gè)航電部件都是一個(gè)獨(dú)立的單元，不同的廠家采用不同的技術(shù)。模塊化的集成系統(tǒng)是一種新興的設(shè)計(jì)方法，目的是通過(guò)為部件提供通用接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相互連接的優(yōu)勢(shì)最大化。集成是在不同級(jí)別上的，在總線(xiàn)上開(kāi)始傳遞信息，并收集所有信息用于處理和顯示。

1.3 航電技術(shù)

航電部件主要是電子系統(tǒng)，同時(shí)也包括重要的射頻系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和微電子機(jī)械系統(tǒng)。模擬器件是非常重要的組件，如在激光驅(qū)動(dòng)模塊中的使用。通過(guò)模擬電路對(duì)熱穩(wěn)定性和壓力穩(wěn)定性變量進(jìn)行嚴(yán)格控制。電力子系統(tǒng)利用模擬器作為功率調(diào)理電路。數(shù)字器件對(duì)所有的航電部件都很重要。微處理器數(shù)字控制邏輯、可編程器件，以及其他形式的離散邏輯器件都很普遍。系統(tǒng)使用處理器對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和轉(zhuǎn)換。對(duì)于傳感器的應(yīng)用，智能傳感器中包含數(shù)字邏輯，提供嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信、自檢、故障檢測(cè)和嵌入式工程單位轉(zhuǎn)換。光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)形激光陀螺和光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，光學(xué)系統(tǒng)主要受熱穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)，以保持波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。

2 航電系統(tǒng)的失效原因

2.1 影響因素

影響裝備健康狀態(tài)的因素大致可劃分為不可控因素和可控因素兩大類(lèi)，不可控因素包括裝備自身因素和地理環(huán)境與氣候因素。環(huán)境是一個(gè)重要的外部影響因素。對(duì)系統(tǒng)影響的一些參數(shù)主要分為3種環(huán)境類(lèi)型，分別是地面、航空和太空。環(huán)境參數(shù)對(duì)于航電組件故障是一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)。在某些情況下，設(shè)備的工作環(huán)境可以被主動(dòng)控制以維持一個(gè)合適的工作環(huán)境。列舉幾個(gè)主要參數(shù)，溫度影響所有類(lèi)型的航電設(shè)備，大多數(shù)電子和微機(jī)電系統(tǒng)都能在軍用標(biāo)準(zhǔn)-55 ℃～85 ℃范圍內(nèi)工作，超出范圍會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失效，溫度控制的失效會(huì)很快導(dǎo)致航電組件的失效。氣壓是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，特別是低壓力，氣壓降低時(shí)，系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)能預(yù)防電暈放電，否則會(huì)造成阻尼性能退化，并破壞設(shè)備的靈敏度。對(duì)于工作在高濕度環(huán)境中的設(shè)備，必須考慮濕度影響，水分會(huì)導(dǎo)致電路短路，破壞器件。海水環(huán)境因水蒸氣中含有鹽分，對(duì)航電元件的包裝有很大的腐蝕性。電氣環(huán)境處理的是電磁干擾和閃電。電磁干擾可以由自然界或者系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生。電磁兼容一般通過(guò)屏蔽電線(xiàn)和包裝、合理布線(xiàn)、消除會(huì)產(chǎn)生傳輸效果的元件特性等來(lái)解決。閃電對(duì)于航電設(shè)備是一個(gè)重要威脅，飛行系統(tǒng)要求接地系統(tǒng)能夠?qū)⒋箅娏鲝暮诫娫限D(zhuǎn)移掉?？煽匾蛩刂饕侨藶橐蛩?，主要包括管理人員落后的管理方式、操作人員不正確的使用方式、維修人員不合適的維修方式等。

2.2 故障源

故障源會(huì)影響航電系統(tǒng)的組件和系統(tǒng)。故障來(lái)源于設(shè)計(jì)與制造階段或是外部環(huán)境。設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中產(chǎn)生的故障包括設(shè)計(jì)缺陷、材料缺陷和制造缺陷。通過(guò)在設(shè)計(jì)周期的每個(gè)階段密集檢測(cè)、正確運(yùn)用仿真，以及機(jī)載級(jí)/系統(tǒng)級(jí)測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可顯著減少設(shè)計(jì)缺陷。環(huán)境試驗(yàn)?zāi)軌蛘业皆跇O端的操作條件下發(fā)生故障的設(shè)計(jì)缺陷，采用溫度循環(huán)測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)與環(huán)境相關(guān)的時(shí)變因素。用戶(hù)通常并不知道材料缺陷主要是由制造過(guò)程存在瑕疵引起的，在檢驗(yàn)和核心部件的資格認(rèn)證過(guò)程中也可能出現(xiàn)這種設(shè)計(jì)缺陷。制造故障與半導(dǎo)體、金屬沉積、芯片級(jí)蝕刻、焊接和組件在板子的位置等問(wèn)題有關(guān)。粒子沖擊噪聲檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)制造問(wèn)題，好的視覺(jué)檢查與深入的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和環(huán)境測(cè)試能夠發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題。

3 航電健康管理技術(shù)及健康狀態(tài)評(píng)估方法

3.1 健康管理技術(shù)

健康管理方法是在元件級(jí)利用各種電子誤差檢測(cè)和測(cè)試技術(shù)，包括掃描設(shè)計(jì)/內(nèi)置自檢、錯(cuò)誤檢測(cè)和校正、邊界掃描，以及模塊測(cè)試和維護(hù)總線(xiàn)，解決芯片級(jí)或電路板級(jí)的異常數(shù)據(jù)。表決技術(shù)也是用來(lái)檢查電路板和模塊級(jí)的異常和故障。在研發(fā)中用來(lái)檢測(cè)發(fā)生在元件間的系統(tǒng)級(jí)失效的技術(shù)，可概括為3個(gè)層次的測(cè)試：元件級(jí)、電路板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)。

元件級(jí)有2個(gè)重要的測(cè)試技術(shù)：掃描設(shè)計(jì)和內(nèi)置自檢。掃描設(shè)計(jì)的原理是能夠訪(fǎng)問(wèn)被寄存器圍繞的組合邏輯電路。該技術(shù)是將嵌入式寄存器轉(zhuǎn)化為電路虛擬的主要輸入和輸出，使用內(nèi)置自檢技術(shù)可以解決測(cè)試矢量生成難的問(wèn)題。錯(cuò)誤檢測(cè)和校正是一種檢測(cè)存儲(chǔ)系統(tǒng)或傳輸系統(tǒng)中的比特錯(cuò)誤并進(jìn)行修正的方法。用于實(shí)時(shí)誤差檢測(cè)，而無(wú)需使電路板停止工作。

電路板級(jí)重要的測(cè)試技術(shù)是使用邊界掃描技術(shù)。最廣泛支持的掃描設(shè)計(jì)的是由聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組開(kāi)發(fā)的邊界掃描，并形成IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)。通常在電路板不運(yùn)行應(yīng)用軟件時(shí)進(jìn)行邊界掃描測(cè)試或編程，通過(guò)JTAG接口應(yīng)用可以加載和運(yùn)行應(yīng)用軟件，邊界掃描軟件仍然能夠工作，這類(lèi)測(cè)試通常在制造和維修測(cè)試期間進(jìn)行。邊界掃描技術(shù)對(duì)于離線(xiàn)測(cè)試非常有用，但不支持實(shí)時(shí)失效檢測(cè)或故障診斷。

在系統(tǒng)級(jí)，健康管理方法目前集中在系統(tǒng)維護(hù)方面。一個(gè)嵌入式航電系統(tǒng)的集成方法有很多。集成化的“系統(tǒng)”關(guān)系可為收集用于診斷故障和預(yù)測(cè)失效的證據(jù)提供很大的便利。實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)健康管理的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。一種開(kāi)放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流代表哪些信息的標(biāo)準(zhǔn)及單個(gè)數(shù)據(jù)元素代表什么規(guī)范化的元數(shù)據(jù)描述進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)整個(gè)航電健康管理系統(tǒng)的信息連續(xù)性。

3.2 健康狀態(tài)評(píng)估方法

裝備健康狀態(tài)是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能夠保持一定的可靠性和維修水平，并穩(wěn)定、持續(xù)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的能力。從某種程度上說(shuō)，裝備的健康狀態(tài)是指裝備保持一定可靠性和維修水平的能力，是裝備在一定范圍的置信水平。裝備健康狀態(tài)是一個(gè)多屬性評(píng)估、動(dòng)態(tài)性評(píng)估、約束性評(píng)估、層次性評(píng)估。采用故障和正常的二值函數(shù)來(lái)描述裝備狀態(tài)已難以滿(mǎn)足實(shí)際需求，可將裝備狀態(tài)分為5級(jí)：健康、良好、注意、惡化和疾病。裝備健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的核心是評(píng)估方法，是針對(duì)特定研究對(duì)象的特點(diǎn)，選取相適應(yīng)的評(píng)估方法來(lái)展開(kāi)評(píng)估，模型法、層次分析法、模糊評(píng)判法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法是常用的評(píng)估方法。

其中，模型法可信度高，是通過(guò)建立被研究對(duì)象的物理或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)估的方法，但主要不足是建模過(guò)程比較復(fù)雜、模型驗(yàn)證較為困難，隨著評(píng)估對(duì)象的變化，要對(duì)模型進(jìn)行修正，該方法的范圍受限。層次分析法是將復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)為定量計(jì)算的一種有效的決策方法。將一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題表示為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，并確定同一層次中各評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重，將定性因素定量化，這種方法更科學(xué)。使用模糊評(píng)判法進(jìn)行評(píng)估主要是由于裝備健康狀態(tài)的不確定性，傳統(tǒng)的精確評(píng)估方法無(wú)法適用，需要建立評(píng)估指標(biāo)的因素集和合理評(píng)判集，通過(guò)專(zhuān)家評(píng)定或其他方法獲得模糊評(píng)估矩陣，再利用合適的模糊算子進(jìn)行模糊變換運(yùn)算，最終獲得結(jié)果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的一般步驟是先建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再利用訓(xùn)練樣本對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，最后利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估分析。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)又稱(chēng)信度網(wǎng)絡(luò)，是一種不確定知識(shí)表達(dá)模型，具有良好的知識(shí)表達(dá)框架，是當(dāng)今人工智能領(lǐng)域不確定知識(shí)表達(dá)和推理技術(shù)的主流方法，易于學(xué)習(xí)因果關(guān)系，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)和數(shù)據(jù)信息融合。

由于裝備健康狀態(tài)的影響因素眾多，包括自身因素、人為因素、與地理環(huán)境、氣候因素等，所以很難定量描述，而可靠性分析方法——FMECA方法通過(guò)對(duì)裝備每一約定層次的故障模式、原因及其影響進(jìn)行分析，建立各約定層次之間的迭代關(guān)系，可得到裝備由正常狀態(tài)發(fā)展為故障狀態(tài)的各系統(tǒng)、各層次的影響因素，可利用FMECA結(jié)果進(jìn)行裝備健康狀態(tài)評(píng)估。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的航電應(yīng)用中，航電系統(tǒng)健康管理有很多種形式，但是效果并不理想。傳統(tǒng)的健康管理技術(shù)主要集中于反應(yīng)行為而非預(yù)測(cè)行為上，隨著任務(wù)期望的增高及任務(wù)時(shí)間增長(zhǎng)，預(yù)期可能遇到的問(wèn)題并采取相應(yīng)辦法解決始料不及的問(wèn)題的能力變得更為重要。有很多技術(shù)可以提高航電系統(tǒng)對(duì)于失效的響應(yīng)速度和提高任務(wù)的可靠性，新興技術(shù)領(lǐng)域的先進(jìn)故障檢測(cè)技術(shù)、診斷技術(shù)及可重購(gòu)計(jì)算技術(shù)，為航電健康管理系統(tǒng)做出了巨大貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]（美）約翰遜.系統(tǒng)健康管理及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[M].景博，楊洲，池小泉，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]