新構(gòu)型直升機(jī)機(jī)電管理系統(tǒng)

汪智超，張 旸，趙兀君

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002；2.海軍研究院，北京 100000)

0 引言

機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)由支持飛機(jī)正常、安全飛行的，獨(dú)立于航空電子系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)的機(jī)電子系統(tǒng)組成，在國(guó)外把這些系統(tǒng)也稱為公共設(shè)備系統(tǒng)。典型的機(jī)電系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、電源及配電系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、機(jī)輪剎車(chē)系統(tǒng)等[1]。

目前飛機(jī)上的各種機(jī)電系統(tǒng)都是獨(dú)立發(fā)展起來(lái)的，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了各系統(tǒng)之間的接口關(guān)系和相互影響，但從來(lái)沒(méi)有把機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)發(fā)展。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法必然產(chǎn)生一系列問(wèn)題：

1)從空間分布上看，各機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)獨(dú)立地分布在飛機(jī)的各個(gè)位置，走線錯(cuò)綜復(fù)雜，形成“散、亂、雜”的局面，導(dǎo)致飛機(jī)可靠性和維護(hù)性下降。

2)從配置上看，這些子系統(tǒng)一般都單獨(dú)配有一套管理控制器和專(zhuān)用儀表，這不僅造成硬件利用率低，體積、重量和經(jīng)濟(jì)成本增加，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和共享等問(wèn)題，而且會(huì)使飛行員的負(fù)擔(dān)過(guò)重，人機(jī)功效變差。

3)從飛機(jī)的發(fā)展來(lái)看，伴隨著飛機(jī)性能的不斷提高，各種機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)，技術(shù)日益復(fù)雜，這使機(jī)電系統(tǒng)的重量成本和經(jīng)濟(jì)成本有越來(lái)越高的趨勢(shì)，而這通常要以犧牲整機(jī)重量和經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)；如果要維持飛機(jī)的成本和重量，就必須部分地犧牲機(jī)電子系統(tǒng)的性能，因而限制了飛機(jī)性能的提高。所以在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法下，主機(jī)和機(jī)電系統(tǒng)的矛盾也變得越來(lái)越突出。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代后期，隨著機(jī)電一體化技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，為了改善上述機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)的不足，出現(xiàn)了機(jī)電管理系統(tǒng)。機(jī)電管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的綜合化管理和控制，改變了機(jī)電系統(tǒng)“散、亂、雜”的局面，改善飛機(jī)的可靠性、維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性，有效降低了機(jī)電子系統(tǒng)的重量。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

在國(guó)外，機(jī)電管理系統(tǒng)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末， 20世紀(jì)90年代初，機(jī)電管理系統(tǒng)應(yīng)用于歐洲戰(zhàn)斗機(jī)EF2000[2]。該系統(tǒng)由四臺(tái)節(jié)點(diǎn)機(jī)組成，節(jié)點(diǎn)機(jī)之間采用雙余度的MIL-STD-1553B總線相連。各機(jī)電子系統(tǒng)根據(jù)其機(jī)上位置、重要程度等以單余度、雙余度或者多余度方式與四臺(tái)節(jié)點(diǎn)機(jī)相連。整個(gè)機(jī)電管理系統(tǒng)以雙余度方式和航空電子系統(tǒng)相連，以實(shí)現(xiàn)信息的交換和共享。

借鑒EF2000的成功經(jīng)驗(yàn)，自此以后，無(wú)論在固定翼飛機(jī)還是在直升機(jī)上，機(jī)電管理系統(tǒng)都得到了廣泛應(yīng)用。在我國(guó)直升機(jī)領(lǐng)域，機(jī)電管理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)階段的發(fā)展：非航空電子監(jiān)控處理系統(tǒng)(NAMP系統(tǒng))和機(jī)電管理系統(tǒng)。NAMP系統(tǒng)完成如下功能：

1)監(jiān)控直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和故障信息，并通過(guò)航電的數(shù)據(jù)總線傳給航電的任務(wù)處理機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的共享，重要的機(jī)電參數(shù)和故障告警信息通過(guò)航電的綜合顯示器顯示。

2)記錄直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的故障信息。

3)解析航電系統(tǒng)的指令，完成相關(guān)機(jī)電子設(shè)備的維護(hù)BIT操作(MBIT)。

NAMP系統(tǒng)雖然具備了機(jī)電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)機(jī)電子系統(tǒng)的控制功能。

后繼型號(hào)的研制中，在NAMP系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，發(fā)展了機(jī)電管理系統(tǒng)。機(jī)電管理系統(tǒng)加上了對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的部分控制功能，即可以通過(guò)機(jī)電參數(shù)顯示器上的控制鍵完成燃油系統(tǒng)的壓力加/抽油和燃油轉(zhuǎn)輸控制功能。

目前，無(wú)論NAMP系統(tǒng)還是機(jī)電管理系統(tǒng)，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)的綜合化，但還存在明顯不足，具體如下：

1)對(duì)改善機(jī)電系統(tǒng)的維修性支持不夠。現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備的智能化程度越來(lái)越高，像發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、電源及配電系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)以及環(huán)控系統(tǒng)中的很多機(jī)電設(shè)備，一般都具有PBIT，MBIT，IBIT等多種BIT功能。充分利用這些設(shè)備的BIT能力必將大大提高機(jī)電系統(tǒng)的維修性，而現(xiàn)階段無(wú)論是NAMP系統(tǒng)還是機(jī)電管理系統(tǒng)對(duì)這些設(shè)備的BIT能力的利用都十分有限。

2)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的保障性支持不夠。當(dāng)前機(jī)電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)如何降低機(jī)電設(shè)備的保障成本明顯考慮不足。以燃油系統(tǒng)為例，雖然實(shí)現(xiàn)了壓力加/抽油和燃油轉(zhuǎn)輸功能，但是燃油系統(tǒng)在使用過(guò)程中，每次更換油量傳感器都必須進(jìn)行燃油系統(tǒng)的調(diào)零調(diào)滿工作。目前燃油系統(tǒng)的調(diào)零調(diào)滿都由專(zhuān)用設(shè)備完成，這無(wú)疑增加了保障成本和保障的復(fù)雜性，而實(shí)際上該功能可以通過(guò)機(jī)電管理系統(tǒng)綜合。

3)機(jī)電管理系統(tǒng)的智能化程度不高。一般來(lái)講，對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行健康監(jiān)控主要涉及三個(gè)方面：一是對(duì)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定，即故障診斷；二是對(duì)設(shè)備的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，即故障預(yù)測(cè)；三是根據(jù)故障診斷和預(yù)測(cè)結(jié)果，提供最優(yōu)的排故方案，即決策[3]。目前機(jī)電管理系統(tǒng)具有機(jī)電系統(tǒng)的故障監(jiān)控功能，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)和決策功能。

4)機(jī)電管理系統(tǒng)的余度不足。余度不足不僅使機(jī)電管理系統(tǒng)的可靠性較低，而且也限制了機(jī)電管理系統(tǒng)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。NAMP系統(tǒng)和機(jī)電管理系統(tǒng)都采用單余度系統(tǒng)，如果機(jī)電管理系統(tǒng)失效，則很多機(jī)電參數(shù)就不可獲得。為了防備這種情況的發(fā)生，很多重要的機(jī)電參數(shù)都有備份儀表進(jìn)行顯示，這和機(jī)電系統(tǒng)的綜合化思路是不協(xié)調(diào)的。因此，為了進(jìn)一步提高機(jī)電系統(tǒng)的綜合化程度，必須提高機(jī)電管理系統(tǒng)的可靠性，故機(jī)電管理系統(tǒng)必須采用雙余度或多余度設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)及工作原理

本文提出的新構(gòu)型直升機(jī)機(jī)電管理系統(tǒng)采用雙余度設(shè)計(jì)，不但大大提高了機(jī)電管理系統(tǒng)的可靠性，而且也為機(jī)電管理系統(tǒng)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了必要的支持。

機(jī)電管理系統(tǒng)由兩臺(tái)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)(UMC)和一臺(tái)機(jī)電參數(shù)顯示器組成，兩臺(tái)節(jié)點(diǎn)機(jī)之間由交叉數(shù)據(jù)鏈路CCDL、同步電路、故障邏輯電路互聯(lián)。各機(jī)電系統(tǒng)根據(jù)余度要求及其機(jī)上位置選擇和其中一臺(tái)或者兩臺(tái)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)相連。機(jī)電參數(shù)顯示器專(zhuān)用于機(jī)電參數(shù)和故障信息的顯示和人機(jī)交互，其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)電管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)和故障信息通過(guò)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)采集處理后在機(jī)電參數(shù)顯示器上顯示。飛行員和維護(hù)人員可以通過(guò)機(jī)電參數(shù)顯示器上的控制按鍵控制機(jī)電管理計(jì)算機(jī)進(jìn)入不同的工作模式，以完成不同任務(wù)。

機(jī)電管理系統(tǒng)根據(jù)各機(jī)電子系統(tǒng)的功能、重要性的不同，對(duì)其分別采取不同的余度配置和管理策略。對(duì)于可靠性要求高的任務(wù)采用直接余度法，即硬件備份；對(duì)可靠性要求較低的任務(wù)進(jìn)行單余度設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)硬件的合理配置和軟件程序的編制，機(jī)電管理計(jì)算機(jī)能夠?qū)Χ嘤喽热蝿?wù)進(jìn)行管理，并控制它們之間的通訊。節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)之間對(duì)于相同的任務(wù)彼此同步，始終運(yùn)行同一任務(wù)，允許有限的偏差。同步是周期性的，在同步管理程序的控制下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)根據(jù)時(shí)鐘向冗余節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)出它的當(dāng)前時(shí)間，同時(shí)在一定時(shí)間間隔內(nèi)收到冗余節(jié)點(diǎn)機(jī)的時(shí)鐘值，實(shí)現(xiàn)同步握手，然后根據(jù)同步算法校正時(shí)鐘，雙機(jī)開(kāi)始同步工作。對(duì)于雙余度任務(wù)，雙通道在完成數(shù)據(jù)采集后，首先通過(guò)CCDL進(jìn)行交叉?zhèn)鬏?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)控制功能的解算，并將解算后的數(shù)據(jù)通過(guò)CCDL進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和比較，從而實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的一致性。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

機(jī)電管理系統(tǒng)的全部功能都需要軟件的支持才能實(shí)現(xiàn)，良好的軟件設(shè)計(jì)是提高機(jī)電管理系統(tǒng)性能的前提。由于硬件采用了分布式余度容錯(cuò)計(jì)算系統(tǒng)，故采用基于分布式容錯(cuò)系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電管理系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

機(jī)電管理系統(tǒng)軟件由機(jī)電參數(shù)顯示器軟件和UMC軟件兩大部分組成。機(jī)電參數(shù)顯示器軟件的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)飛行員的不同按鍵、飛機(jī)的不同工作狀態(tài)以及機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的不同工作模式，機(jī)電參數(shù)顯示器有不同的顯示界面。其主要功能是完成飛行員輸入指令的解析、機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)和故障信息的顯示以及與機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的通信。

UMC軟件分成三個(gè)層次，依次為應(yīng)用軟件層，系統(tǒng)服務(wù)層和I/O訪問(wèn)層。其中應(yīng)用軟件完成機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)和故障信息的采集和處理、機(jī)電系統(tǒng)的控制和維護(hù)、與機(jī)電參數(shù)顯示器和航電系統(tǒng)的通信功能；系統(tǒng)服務(wù)層完成機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的資源管理、雙節(jié)點(diǎn)協(xié)同與余度管理、應(yīng)用程序接口等；I/O訪問(wèn)層按照系統(tǒng)服務(wù)層的請(qǐng)求完成硬件接口的輸入、輸出控制。

系統(tǒng)服務(wù)層和I/O訪問(wèn)層由配套成品供應(yīng)商完成，而應(yīng)用軟件層可根據(jù)設(shè)計(jì)需求由主機(jī)單位開(kāi)發(fā)。

3.2 應(yīng)用軟件任務(wù)模塊劃分

直升機(jī)在不同工況下，如飛行、地面維護(hù)等，機(jī)電管理系統(tǒng)對(duì)各機(jī)電子系統(tǒng)的操作控制權(quán)限也相應(yīng)地有所不同，這就要求機(jī)電管理系統(tǒng)處于不同的工作模式，執(zhí)行不同的任務(wù)。合理劃分機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的任務(wù)模塊既是機(jī)電子系統(tǒng)對(duì)機(jī)電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出的客觀要求，也是機(jī)電管理系統(tǒng)合理分配自身內(nèi)部資源以完成相應(yīng)的功能的必要途徑。吸取型號(hào)研制的成功經(jīng)驗(yàn)，克服現(xiàn)階段機(jī)電管理系統(tǒng)的不足，瞄準(zhǔn)未來(lái)新一代直升機(jī)的需求，將UMC應(yīng)用軟件劃分成以下六個(gè)任務(wù)模塊：

1)通訊模塊：完成和機(jī)電參數(shù)顯示器、航電系統(tǒng)的通訊。

2)機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)與故障監(jiān)控模塊：完成機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)以及故障狀態(tài)的采集、處理和記錄。

3)機(jī)電系統(tǒng)控制模塊：完成機(jī)電系統(tǒng)使用過(guò)程中對(duì)一些機(jī)電設(shè)備的控制操作，如燃油系統(tǒng)的壓力加/抽、燃油轉(zhuǎn)輸?shù)裙δ?。該模塊為機(jī)電系統(tǒng)的綜合化控制提供支持。

4)機(jī)電系統(tǒng)維護(hù)模塊：完成機(jī)電系統(tǒng)的一些維護(hù)操作，如一些智能機(jī)電設(shè)備的MBIT操作；更換一些機(jī)電設(shè)備時(shí)的系統(tǒng)標(biāo)定工作，如燃油系統(tǒng)的調(diào)零調(diào)滿工作。這些操作只能在直升機(jī)處于地面維護(hù)時(shí)進(jìn)行。該模塊為提高機(jī)電系統(tǒng)的可維護(hù)性提供支持。

5)機(jī)電系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)模塊：根據(jù)以往的故障經(jīng)驗(yàn)和對(duì)設(shè)備現(xiàn)狀的分析，對(duì)設(shè)備的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)的科學(xué)預(yù)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的故障可以進(jìn)行提前預(yù)防，從而大大提高機(jī)電系統(tǒng)的安全性。

6)機(jī)電系統(tǒng)排故支持專(zhuān)家系統(tǒng)模塊：在專(zhuān)家系統(tǒng)的支持下，根據(jù)故障診斷和預(yù)測(cè)結(jié)果，提供最優(yōu)的排故方案，可以大大減少機(jī)電系統(tǒng)的排故時(shí)間，提高飛機(jī)的出勤率。

在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，每個(gè)任務(wù)模塊會(huì)根據(jù)具體需求劃分成若干具體任務(wù)。

3.3 機(jī)電管理軟件工作模式及流程

根據(jù)直升機(jī)工況的不同，機(jī)電管理計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)有三種不同的工作模式，分別是空中監(jiān)控模式、地面監(jiān)控模式和地面維護(hù)模式。每種模式下機(jī)電管理計(jì)算機(jī)運(yùn)行的任務(wù)都不盡相同，機(jī)電參數(shù)顯示器的顯示界面也不同。應(yīng)用軟件和系統(tǒng)應(yīng)用軟件統(tǒng)一設(shè)計(jì)，形成一個(gè)完整的控制軟件，并存儲(chǔ)在兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)機(jī)中。系統(tǒng)上電后，UMC自動(dòng)識(shí)別自己的位置，然后根據(jù)自己的位置和系統(tǒng)資源表進(jìn)行自動(dòng)配置和自主優(yōu)化，運(yùn)行預(yù)先規(guī)劃的、靜態(tài)配置的控制軟件，之后進(jìn)行IBIT測(cè)試，然后按照設(shè)定的程序開(kāi)始正常的執(zhí)行過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)容錯(cuò)和重構(gòu)策略，根據(jù)不同的錯(cuò)誤等級(jí)和錯(cuò)誤影響進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，并向整個(gè)系統(tǒng)通知容錯(cuò)和重構(gòu)信息，并對(duì)錯(cuò)誤情況和重構(gòu)情況進(jìn)行記錄，然后開(kāi)始系統(tǒng)正常任務(wù)的執(zhí)行，直到系統(tǒng)任務(wù)結(jié)束。

機(jī)電管理系統(tǒng)的總體軟件框圖如圖2所示。機(jī)電管理計(jì)算機(jī)在IBIT測(cè)試之后，判斷直升機(jī)輪載狀態(tài)，如果直升機(jī)在地面，則進(jìn)入默認(rèn)的地面監(jiān)控模式；如果直升機(jī)在空中則進(jìn)入空中監(jiān)控模式。在地面監(jiān)控模式下，如果維護(hù)人員從機(jī)電參數(shù)顯示器的控制鍵發(fā)出進(jìn)入地面維護(hù)的指令，則機(jī)電管理計(jì)算機(jī)就從地面監(jiān)控模式進(jìn)入地面維護(hù)模式。在地面監(jiān)控模式和地面維護(hù)模式下，如果直升機(jī)輪載狀態(tài)從地面變?yōu)榭罩校瑒t在對(duì)地面監(jiān)控模式和地面維護(hù)模式下的任務(wù)做必要的處理后，機(jī)電管理計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)為空中監(jiān)控模式。

圖2 機(jī)電管理系統(tǒng)的總體軟件框圖

4 結(jié)論

隨著機(jī)電一體化技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，借助機(jī)電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的綜合化管理和控制已經(jīng)在型號(hào)研制中得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)電管理系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)新型機(jī)電管理系統(tǒng)，在提高直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的可靠性、保障性、維護(hù)性等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于在役機(jī)能力提升及加改裝有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)新一代直升機(jī)機(jī)電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)參考意義。

[1] 路多.綜合機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)[J].北京：航空科學(xué)技術(shù)，2003(6).

[2] 羅海明 謝劍斌 陸志肖.機(jī)電系統(tǒng)綜合化控制和管理[J].景德鎮(zhèn)：直升機(jī)技術(shù)，2010(1)：62-67

[3] 張建民，徐小力，徐寶杰，王紅軍. 北京： 面向機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷的現(xiàn)代技術(shù)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004(9).