國外機載維護系統(tǒng)架構發(fā)展概述

(北京航空工程技術研究中心，北京 100076)

為降低運行和維護成本，提高保障效率，民用航空器設計發(fā)展了機載維護系統(tǒng)，實現(xiàn)了飛機狀態(tài)的實時監(jiān)控、故障部件的快速定位以及維修保障需求信息的快速傳輸?shù)裙δ?，為提高航空公司的競爭力，起到了關鍵作用。《ARINC 604機內測試設備設計與應用指南》和《ARINC 624機載維護系統(tǒng)設計指南》對機內測試設備和機載維護系統(tǒng)的功能架構做了定義，主要功能是準確隔離故障；提供關鍵狀態(tài)監(jiān)控；減少備件規(guī)模及飛機延誤，提高維修效率，提升飛機快速派遣能力；減少或消除地面保障設備，降低維修費用。其核心目標就是用最小的費用代價(備件、維修保障資源、人力、培訓等)，達到整個機隊的高安全性和高派遣率。

航空電子技術的進步不斷推進了機載維護系統(tǒng)的發(fā)展，使之功能不斷完善，體系架構歷經由分立式到聯(lián)合分布式，再到綜合化系統(tǒng)的發(fā)展過程。機載維護系統(tǒng)自產生發(fā)展至今大概經歷了以下發(fā)展階段：分立式機載維護設備；聯(lián)合式機載維護系統(tǒng)(On-board Maintenance System，OMS)，早期以中央故障顯示系統(tǒng)(Centralized Fault Display System，CFDS)為代表，隨后發(fā)展為中央維護系統(tǒng)(Centralized Maintenance System，CMS)和飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(Aircraft Condition Monitoring System，ACMS)，以空客A330/A340系列，波音737后續(xù)機型為代表；綜合化機載維護系統(tǒng)，中央維護功能和狀態(tài)監(jiān)控功能都宿留在FSA-NG、公共計算資源(Common Computing Resource，CCR)、中央處理計算機(Integrated Processor Computer，ICP)中，依托智能終端和高速網絡進行信息數(shù)據(jù)交換，呈現(xiàn)高度綜合化集成化的特點，典型代表為空客A380/A350和波音787等機型，軍機的典型代表為美軍F-35。

國內航空裝備機載維護系統(tǒng)的發(fā)展起步較晚，大多數(shù)機型的機載維護系統(tǒng)仍處于較初級的分立式機載維護設備階段，在新研制的大型航空裝備上開展了中央維護系統(tǒng)和健康管理系統(tǒng)的研制，但總體設計仍屬于聯(lián)合分布式架構，與ARINC 624的系統(tǒng)架構基本一致，由于國內機載航空電子系統(tǒng)發(fā)展的限制，國內機載維護系統(tǒng)首先在系統(tǒng)架構上與國際先進的綜合化集成架構存在很大差距，而且綜合故障診斷、故障預測、狀態(tài)監(jiān)控分析等關鍵技術需要突破，工程設計仍需試驗、試用進行充分驗證，逐步熟化，國內機載維護系統(tǒng)的發(fā)展仍需經歷較長的工程實踐過程，因此，研究分析國外機載維護系統(tǒng)功能架構發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，對我國大型航空裝備機載維護系統(tǒng)設計具有重要的借鑒意義。

1 中央故障顯示系統(tǒng)

早在1976年，航空公司就試圖利用BITE來降低維護成本。隨著航空電子技術和航空總線技術的發(fā)展，BITE的功能性能取得了長足進步，也為機載維護系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎，中央故障顯示系統(tǒng)(CFDS)應運而生[3]。

1988年發(fā)布的《ARINC 604機內測試設備設計與應用指南》中，定義了CFDS的基本功能及結構。典型的CFDS由中央故障顯示組件(Centralized Fault Display Unit，CFDU)、中央故障顯示接口組件(Centralized Fault Display Interface Unit，CFDIU)、機內測試設備(Built-In Test Equipment,BITE)、移動式故障顯示部件(Remote Fault Display Unit，RFDU)、可移動式存儲器和打印機等組成，如圖1所示。

圖1 CFDS組成架構

(1) 中央故障顯示組件(CFDU)。

CFDU是地面維護人員和機載系統(tǒng)BITE的交互接口，用于控制故障診斷、故障狀態(tài)顯示和故障上報。中央故障顯示組件安裝在駕駛艙內，主要由地面維護人員操作使用。

(2) 中央故障顯示接口組件(CFDIU)。

CFDIU是CFDU與機載系統(tǒng)交聯(lián)的接口部件。各機載系統(tǒng)與安裝在航空電子設備艙內的CFDIU連接，并通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)從各機載系統(tǒng)傳輸至CFDU。CFDS的總線架構如圖2所示。

圖2 CFDS總線架構(ARINC 604)

(3) 機內測試設備(BITE)。

與對獨立LRU的BITE要求不同，CFDS要求通過數(shù)據(jù)總線對BITE信息進行集中的顯示和處理，基于BITE，CFDS在外場維護使用條件下應具備以下能力：

① 在飛行階段故障發(fā)生時，記錄故障數(shù)據(jù)，如果用戶需要并將數(shù)據(jù)備份至ACARS(Aircraft Communications Addressing and Reporting System,飛機通信尋址與報告系統(tǒng))。

② 維護人員按照CFDU上的維修引導快速診斷故障，隔離故障。

③ 提供幫助引導，協(xié)助維修人員更換故障的外場可更換單元(Line Replaceable Unit,LRU)。

④ 在維修中提供操作測試功能。

⑤ 進行交互式系統(tǒng)測試已確認與其他機載系統(tǒng)的互操作性。

⑥ 進行系統(tǒng)性能測試，以確認復雜系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

在外場維護條件下，BITE的檢測方式主要包括：LRU上電自檢、更換LRU 確認測試和系統(tǒng)性能測試。

(4) 移動式故障顯示部件(RFDU)。

RFDU的主要功能與CFDU一致，為在最便利的地方向用戶提供CFDS信息，RFDU通常設計成便攜式模式。

(5) 存儲器(BITE，可移動式)。

CFDS系統(tǒng)中，通過BITE中的非易失性存儲器存儲故障。故障數(shù)據(jù)應包括故障特征數(shù)據(jù)、飛行航班號、LRU確認標識、故障發(fā)生日期、時間、ATA(航班實際到達時間等)、經緯度、航速描述等信息。

CFDS在波音早期373、空客A320系列早期型號中得到了應用，解決了以往飛機維護數(shù)據(jù)難以獲取、故障數(shù)據(jù)的顯示分散、故障數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、維護流程系統(tǒng)各異、操作復雜等難題，CFDS采用集中顯示控制的方式，統(tǒng)一規(guī)范了故障數(shù)據(jù)格式，故障數(shù)據(jù)可集中獲取，機上測試在CFDS集中控制下完成，大大提高了故障檢測和隔離的效率。

2 中央維護和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

隨著CFDS在波音、空客等機型的應用，功能需求不斷完善，1993年發(fā)布的《ARINC 624機載維護系統(tǒng)設計指南》首次提出了OMS的概念，并對OMS的設計提出了規(guī)范要求。與CFDS相比，OMS在組成和架構上最大的特點是將CMS和ACMS設計為兩個獨立的子系統(tǒng)，增加了中央維護計算機(Central Maintenance Computer，CMC)用于集中處理、存儲、格式化故障數(shù)據(jù)，控制管理系統(tǒng)配置信息和地面測試等功能。

2.1 OMS(ARINC 624)系統(tǒng)架構及功能

典型的OMS包括成員系統(tǒng)BITE、CMC、駕駛艙的維護訪問終端(Maintenance Access Terminal,MAT)、飛行員駕駛艙效應(Flight Desk Effects，F(xiàn)DE)監(jiān)控接口、電子庫系統(tǒng)(ELS)接口、駕駛艙打印機接口、數(shù)據(jù)鏈路接口、數(shù)據(jù)加載備份接口、駕駛艙事件按鈕接口和遠程維護終端等設備[4]，如圖3所示。

OMS包含的很多子功能都駐留在各成員系統(tǒng)的LRU中，由CMC統(tǒng)一協(xié)調運行。CMC是OMS的核心部件，提供了維護人員與OMS的接口，同時CMC應具有以下功能：

圖3 OMS系統(tǒng)架構(ARINC624)

① 接收成員系統(tǒng)故障和失效數(shù)據(jù)；

② 對故障和失效數(shù)據(jù)進行分類、綜合；

③ 把故障和失效數(shù)據(jù)與FDE信息關聯(lián)；

④ 格式化故障和失效數(shù)據(jù)，用于存儲、傳輸和顯示；

⑤ 控制成員系統(tǒng)進行地面測試，例如替換驗證測試、系統(tǒng)操作測試、系統(tǒng)功能測試、系統(tǒng)調整與校準等；

⑥ 顯示成員系統(tǒng)軟硬件配置數(shù)據(jù)，如設備部件號、序列號等。

OMS的使用目標是以經濟有效的方式，使自動BITE與人工檢測流程相結合，實現(xiàn)對故障檢測、隔離和報告，保證有效地對全部機載系統(tǒng)進行維護，主要包括以下功能。

(1) 故障自動檢測與隔離。

成員系統(tǒng)的BITE數(shù)據(jù)是OMS檢測隔離LRU內部故障、系統(tǒng)故障和外部接口故障的主要數(shù)據(jù)來源，BITE將初步檢測隔離結果發(fā)送至CMC，由CMC進行數(shù)據(jù)綜合，與駕駛艙信息進行關聯(lián)，消除關聯(lián)故障，并對LRU或接口進行適當?shù)难a充檢測和故障隔離。CMC也通過向成員系統(tǒng)發(fā)出測試請求的方法啟動成員系統(tǒng)內的自動測試。對于非成員系統(tǒng)，OMS可利用機載維護文檔(On-board Maintenance Document,OMD)自動制定故障檢測人工分析流程。

(2) 用戶啟動測試(地面測試)。

地面測試是由維護人員通過OMS控制面板輸入指令，人工啟動的測試流程，主要包括操作測試、LRU更換驗證測試、系統(tǒng)測試、交互式故障定位測試、調整和校準測試、接口監(jiān)控和系統(tǒng)軟硬件配置識別等功能。

(3) 機載維護文檔(OMD)。

OMS應提供有關信息，以加速維修或派遣已檢出故障的飛機，同時應提供必要的信息，用于排除BITE沒有自動檢出的故障。

(4) 飛機狀態(tài)監(jiān)控(ACMS)。

ACMS是一個多功能機載數(shù)據(jù)讀取器/記錄器，用于飛機系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控、處理、存儲和讀取，ACMS數(shù)據(jù)可用于系統(tǒng)運行趨勢分析和預測維護需求。ACMS包括以下基本功能：

① 監(jiān)控容錯系統(tǒng)當前的故障等級，并在OMS上顯示系統(tǒng)的健康狀態(tài)；

② 存儲和讀取系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，如發(fā)動機、液壓、空調、電源等狀態(tài)參數(shù)。

CMC通過控制面板或維護訪問終端(MAT)響應人工或飛機發(fā)出輸入指令，執(zhí)行相應功能，如：顯示當前故障、當前航段故障、最近航段故障、歷時故障、地面測試、飛機狀態(tài)監(jiān)控、維護文檔讀取、LRU清單、服務報表、備忘錄和幫助等。

2.2 空客A340 OMS系統(tǒng)架構及功能

空客A340飛機的OMS的組成和架構與ARINC 624定義的架構基本相同，該系統(tǒng)采用了人機交互設計，可以訪問每個設備的BITE，用來幫助維修人員診斷系統(tǒng)故障。OMS主要由飛機中央維護系統(tǒng)、飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、機載打印機、多功能磁盤驅動組件(Multipurpose Disk Drive Unit,MDDU)、飛機通信尋址和報告系統(tǒng)(ACARS)以及多功能控制顯示組件(Multipurpose Control & Display Unit，MCDU)組成，系統(tǒng)組成架構如圖4所示。

圖4 空客A340中央維護系統(tǒng)架構

未采用CMS系統(tǒng)的飛機維護系統(tǒng)訪問測試端口比較分散，維護數(shù)據(jù)獲取困難，空客A320系列及A330/A340系列飛機設計了CMS系統(tǒng)，較之前飛機相比，CMS的訪問界面更加集中、簡潔、便利，如圖5所示。

圖5 機載維護系統(tǒng)維護終端發(fā)展

由圖5可以看出，CMS維護終端將之前分散的訪問端口集中到駕駛艙內的多功能顯示器上集中顯示控制，減少了維護人員的操作時間；維護界面按照字幕排序顯示，采用了簡單通用的英語和標準的縮寫，簡化了技術文檔； CMS的界面采用菜單驅動的程序，維修人員不再需要熟悉各種不同的訪問方式，減少了維修人員的訓練時間。

CMS有兩種操作模式：飛行模式和地面模式。飛行模式為正常模式，主要用于故障和警告的記錄；地面模式為交互模式，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索、系統(tǒng)測試以及故障排除功能。當飛行過程中，飛機出現(xiàn)異常情況時，CMS通過飛行告警系統(tǒng)向機組提供告警，同時將告警信息傳送到CMC，CMC通過甚高頻通信天線將維護信息傳送給地面維護人員，以便地面維護人員實現(xiàn)快速排故。

ACMS是多功能機載數(shù)據(jù)讀取器/記錄系統(tǒng)，提供了機上用來實施預防性維修的維修數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括：發(fā)動機和飛機的性能監(jiān)控數(shù)據(jù)、發(fā)動機和飛機的健康監(jiān)控數(shù)據(jù)、APU健康監(jiān)控數(shù)據(jù)、排故幫助、深層次系統(tǒng)調查數(shù)據(jù)等。監(jiān)控數(shù)據(jù)可以被實時傳輸?shù)降孛?，從而在飛機落地之前可采取必要的維修準備措施，提高維修效率。監(jiān)控數(shù)據(jù)也可以在地面被維修人員檢索或通過可移動存儲器卸載后進行分析。狀態(tài)數(shù)據(jù)實時顯示、生成飛機和發(fā)動機狀態(tài)報告、原始狀態(tài)數(shù)據(jù)采集是ACMS的三大核心功能。A340飛機主要監(jiān)控的數(shù)據(jù)如圖6所示，ACMS的構架及接口如圖7所示。

圖6 A340飛機的ACMS監(jiān)控數(shù)據(jù)

圖7 ACMS的構架及接口

空客A340的機載維護系統(tǒng)較以往機載維護設備，將中央維護系統(tǒng)(CMS)和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(ACMS)設計為兩個獨立的子系統(tǒng)，增加了獨立的中央維護計算機，用于集中處理、存儲、格式化故障數(shù)據(jù)，控制管理系統(tǒng)配置信息和地面測試，獨立的ACMS夠實時監(jiān)控飛機運行狀態(tài)中的各系統(tǒng)的健康狀況，并且當飛機運行發(fā)生異常時，通過機載數(shù)據(jù)鏈，能夠將故障信息下傳地面，生成排故建議，有效提高飛機的維護效率和派遣率。

3 綜合化模塊化機載維護系統(tǒng)

隨著航空電子技術的發(fā)展，機載航電系統(tǒng)向著智能化、數(shù)據(jù)化、網絡化的綜合航電方向發(fā)展。早期的航空電子系統(tǒng)采用組合式結構，航空電子系統(tǒng)由一個或者多個具有特定功能的LRU組成。這種組合式結構正逐步被綜合模塊航空電子設備(IMA)取代。IMA機箱的各個功能可以共用電源和輸入/輸出等硬件資源，還可以共享計算處理資源。該結構減少了獨立電子組件的數(shù)量，具有體積小、質量輕、能耗低、可靠性高等很多優(yōu)點。

3.1 波音 777飛機OMS系統(tǒng)

在IMA架構下，OMS的中央維護功能和狀態(tài)監(jiān)控功能以功能模塊的形式集成在IMA系統(tǒng)中。波音777飛機綜合航空電子系統(tǒng)的核心是飛機信息管理系統(tǒng)(Aircraft Information Management System,AIMS)，它綜合了多項航空電子功能，充分利用信息資源共享以及功能分隔結構，為航空電子系統(tǒng)提供公用的計算資源。波音777的AIMS共有左、右兩個機柜，每個機柜中共有16個核心處理模塊(Core Processor Module,CPM)，其中8個處理模塊和8個I/O模塊。處理模塊有4種類型：核心通信處理模塊CPM/COMM、核心飛機狀態(tài)監(jiān)控處理模塊CPM/ACMF(AIMS 左機柜)、基本型核心處理模塊CPM/Basic(AIMS右機柜)和圖像處理模塊CPM/GG[7]。AIMS結構如圖8所示。

AIMS作為飛機平臺的公共計算資源，為以下系統(tǒng)采集、計算并管理數(shù)據(jù)，它們是：主顯示系統(tǒng)(PDS)、中央維護計算系統(tǒng)(CMCS)、飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(ACMS)、飛行數(shù)據(jù)記錄器系統(tǒng)(FDRS)、數(shù)據(jù)通信管理系統(tǒng)(DCMS)、飛行管理計算系統(tǒng)(FMCS)、推力管理計算系統(tǒng)(TMCS)。各系統(tǒng)控制管理的功能軟件宿留在AIMS各處理模塊中。

圖8 波音777飛機 AIMS模塊及其功能

AIMS的每個模塊均含有數(shù)據(jù)轉換門功能(Data Conversion Gateway Function，DCGF)，這一基本功能主要對應于模塊的數(shù)據(jù)運算方面。CPM/COMM模塊綜合功能有：中央維護計算功能(Central Maintenance Computing Function,CMCF)、數(shù)據(jù)通信管理功能、駕駛艙通信功能、快速接入記錄儀功能、數(shù)字飛行數(shù)據(jù)獲取功能；CPM/ACMF模塊綜合功能有：飛行管理計算功能、推力管理計算功能、飛機狀態(tài)監(jiān)控功能；CPM/Basic模塊功能與CPM/ACMF模塊相似，但缺少了飛機狀態(tài)監(jiān)控功能；CPM/GG為主顯示功能。

在IMA架構下，OMS取消了LRU形式的中央維護計算機，飛機中央維護功能和狀態(tài)監(jiān)控功能以功能模塊的形式集成在IMA系統(tǒng)中，OMS的硬件架構與航電系統(tǒng)深度耦合，中央維護和狀態(tài)監(jiān)控功能軟件宿留在AIMS的CPM模塊中，控制中央維護計算系統(tǒng)和飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)工作，實現(xiàn)故障檢測隔離、故障報告、地面測試、性能監(jiān)控等功能，波音777飛機CMCS組成架構如圖9所示。

3.2 波音787飛機OMS系統(tǒng)

波音 787飛機設計了公共核心系統(tǒng)(Common Core System，CCS)為機載系統(tǒng)提供高可靠、低成本的公共數(shù)據(jù)處理和傳輸網絡資源。CCS的軟件應用為機載系統(tǒng)(不是所有系統(tǒng))提供計算服務。波音 787飛機共有2個公共計算資源(Common Computing Resource，CCR)機柜，分別為左CCR機柜和右CCR機柜，6臺ARINC 664(AFDX)遠程網絡開關(ARS)和21臺遠程數(shù)據(jù)集中器(RDC)組成[8]。CCS的核心架構如圖10所示。

CCS的公共數(shù)據(jù)網絡(Common Data Network，CDN)由ARINC 664遠程網絡開關模塊、光纖傳輸模塊(FOX)等共同組成。遠程數(shù)據(jù)集中器通過AFDX總線與CDN的接口模塊通信，進行數(shù)據(jù)交換。遠程數(shù)據(jù)集中器通過ARINC 429、CAN、模擬量和離散量與飛機機載系統(tǒng)和傳感器連接，進行通信或采集系統(tǒng)狀態(tài)。設計了AFDX總線的機載系統(tǒng)可直接與CDN相連，傳輸數(shù)據(jù)，如發(fā)動機電子控制器、發(fā)動機監(jiān)控單元、飛行控制系統(tǒng)的飛行控制單元、導航系統(tǒng)的集成監(jiān)視系統(tǒng)處理器單元、供電系統(tǒng)的遠程動力分配組件、內部通信系統(tǒng)的音頻控制面板、飛行記錄器、匯流條電源控制組件、機艙服務系統(tǒng)控制器、核心網絡系統(tǒng)、顯控系統(tǒng)的圖形生成器和防結冰控制組件等。

每個CCR機柜由16個模塊組成，分別為2個電源模塊、8個通用處理模塊、2 個ARINC 664機柜網絡開關、2個光纖傳輸模塊、2個圖形處理模塊。

圖9 波音777飛機CMCS組成架構

圖10 波音 787飛機公共核心系統(tǒng)架構(Common Core System)

波音787的中央維護系統(tǒng)核心軟件中央維護計算功能(CMCF)軟件模塊加載至左、右CCR機柜的GPM模塊7中，CMCF通過公共數(shù)據(jù)網絡CDN與飛機其他系統(tǒng)交聯(lián)通信，采集、關聯(lián)、存儲、顯示飛機各系統(tǒng)故障信息，啟動地面測試，系統(tǒng)組成如圖11所示，主要功能是從其他機載系統(tǒng)獲取并記錄故障數(shù)據(jù)。從機組告警顯示器獲取FDE信息，并將故障信息與FDE信息關聯(lián)。如果故障信息與FDE信息沒有關聯(lián)，則顯示非關聯(lián)故障數(shù)據(jù)。確認并顯示系統(tǒng)配置信息。創(chuàng)建并向核心網絡機柜的文件服務器模塊發(fā)送故障報告。創(chuàng)建并向CCR中的數(shù)據(jù)通信功能軟件發(fā)送ACARS數(shù)據(jù)報告。

圖11 波音 787飛機CMS組成架構

維護人員可使用的CMCF數(shù)據(jù)包括：顯示影響飛機派遣的詳細故障信息；啟動地面測試功能；與飛機其他系統(tǒng)通信，執(zhí)行其他特定工作，如發(fā)動機平衡、接近傳感器裝配校準等；把CMCF數(shù)據(jù)發(fā)送至駕駛艙打印機。CMCF從飛機系統(tǒng)獲取故障信息，確認系統(tǒng)故障信息，剔除冗余信息(去除關聯(lián)故障影響)，向故障系統(tǒng)分發(fā)維護信息(MM)。根據(jù)飛行航段故障刪選邏輯計算存儲故障。

3.3 空客A-350飛機OMS系統(tǒng)

空客A-350 OMS主要完成飛機及機隊維護(現(xiàn)場和內場維護、計劃維護和非計劃維修)、飛機系統(tǒng)與機隊狀態(tài)監(jiān)控、飛機系統(tǒng)配置確認和機隊運行服務等功能。

空客A-350 OMS的功能軟件宿留在FSA-NG服務器平臺上，包括航空電子服務器功能機柜(Avionic Server Function Cabinet，ASFC)和開放式服務器功能柜(Open World Server Function Cabinet，OSFC)。ASFC上宿留的應用功能軟件包括：CMS、ACMS、數(shù)據(jù)加載和配置系統(tǒng)以及配電監(jiān)控和維護功能。OSFC上宿留的應用功能軟件包括：電子日志、飛機文件系統(tǒng)、本地維護功能、維護中央訪問、簡化數(shù)據(jù)加載等功能軟件。

空客A-350 OMS的CMS功能主要包括：獲取航電設備/ASF系統(tǒng)的維護數(shù)據(jù)(BITE)、關聯(lián)FDE信息與維護信息、深度故障隔離、管理BITE 交互式測試、管理BITE掃描和航電設備/ASF系統(tǒng)的報告功能(建立飛行后報告/地面故障報告)等，系統(tǒng)架構如圖12所示。

4 機載維護系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

早期飛機的機載維護能力低，BITE及OMS發(fā)展不完善。隨著用戶對飛機機載維護能力要求的提高和航空電子技術的發(fā)展，OMS自上世紀80年代出現(xiàn)至今，取得了長足的發(fā)展，總體經歷了以下3個階段：分立式機載維護設備，聯(lián)合式機載維護系統(tǒng)，綜合化模塊化機載維護系統(tǒng)。其發(fā)展歷程如圖13所示。

圖12 空客A-350飛機CMS架構

圖13 機載維護系統(tǒng)發(fā)展歷程

表1 各類機載維護系統(tǒng)特點

4.1 分立式機載維護設備

第一階段，分立式機載維護設備。早期飛機的自檢測能力，主要依托各航電系統(tǒng)自身的BITE實現(xiàn)。BITE只能完成自身LRU或分系統(tǒng)部分故障的檢測和隔離，故障顯示、存儲在各自機載系統(tǒng)上，分布在飛機各設備艙和駕駛艙，維護數(shù)據(jù)難以訪問，故障顯示的形式和故障數(shù)據(jù)的類型復雜，包括各種類型指示燈、文字，代碼等，沒有形成標準的數(shù)據(jù)格式和規(guī)范。各系統(tǒng)都有自身的機上自檢測流程，操作復雜。沒有獨立的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，各機載系統(tǒng)利用自身的傳感器監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。系統(tǒng)故障信息和狀態(tài)信息存儲在本系統(tǒng)核心LRU的存儲器內，相關信息單獨顯示。分立式機載維護設備具有一定的機內測試能力，對故障檢測隔離和系統(tǒng)維護起到了一定作用。

4.2 聯(lián)合式機載維護系統(tǒng)

第二階段，聯(lián)合式機載維護系統(tǒng)。隨著機載系統(tǒng)的日益復雜，以空客A340為例，全機共有150多臺計算機，通過400多條串行總線連接，并與500多個組件(顯示終端、傳感器、執(zhí)行器等)連接形成龐大復雜的機載系統(tǒng)，為機載維護系統(tǒng)的信息處理、傳輸和存儲的能力提出了更高的要求，傳統(tǒng)分立的機載維護設備已不能滿足用戶的使用要求。1988年發(fā)布的《ARINC 604機內測試設備設計與應用指南》和1993年發(fā)布的《ARINC 624機載維護系統(tǒng)設計指南》為機載維護系統(tǒng)的第二階段發(fā)展過程中的典型標準規(guī)范。指南中定義了兩種典型機載維護系統(tǒng)的架構：中央故障顯示系統(tǒng)和中央維護系統(tǒng)。這兩類系統(tǒng)從技術上有一定的繼承性，都采用分布式總線架構，集中顯示故障數(shù)據(jù)(駕駛艙MCDU)，可輕松訪問維護數(shù)據(jù)，采用標準的數(shù)據(jù)和顯示格式，包括故障碼、維護碼、FDE碼等，規(guī)范了BIT和標準測試流程。

CFDS是聯(lián)合式機載維護系統(tǒng)的初級階段，該系統(tǒng)重點解決了維護數(shù)據(jù)的集中顯示與處理，由CFDU控制故障診斷、故障狀態(tài)顯示和故障上報，但BIT能力依托各機載系統(tǒng)的BITE，故障數(shù)據(jù)也存儲在系統(tǒng)本地。

在CFDS基礎上，ARINC 624正式提出了OMS的概念，OMS在組成和架構上最大的特點是將CMS和ACMS設計為兩個獨立的子系統(tǒng)，單獨增加了CMC用于集中處理、存儲、格式化故障數(shù)據(jù)，控制管理系統(tǒng)配置信息和地面測試等功能。增加了機載維護文檔功能，對機載BIT不能檢測的故障，提出了故障隔離策略。CMS在LRU內部BITE檢測隔離故障的基礎上，提高了系統(tǒng)層次檢測隔離故障的能力，系統(tǒng)BITE的故障檢測結果發(fā)送至CMC進行故障的深度隔離，去除關聯(lián)故障，并與FDE信息和維護信息關聯(lián)，用于指導維修排故。將ACMS設計為獨立的子系統(tǒng)，與CMC交聯(lián)用于告警和指導維修。優(yōu)化了完善了地面測試功能，大大提高了故障隔離和性能測試的能力，提高了維修效率。

CFDS的出現(xiàn)并發(fā)展到CMS和ACMS階段，是用戶需求的直接驅動，也是航空電子技術發(fā)展推動的結果。微電子技術和航空總線技術的飛速發(fā)展使機載系統(tǒng)呈現(xiàn)出不斷數(shù)字化的趨勢，更多的機械系統(tǒng)被機電混合系統(tǒng)或電子系統(tǒng)替代，這種數(shù)據(jù)化的發(fā)展在系統(tǒng)輕量化和維修方面產生了顯著的效益。機載系統(tǒng)的數(shù)字化給故障檢測隔離、狀態(tài)監(jiān)控帶來了機遇與挑戰(zhàn)，大大推動了OMS的發(fā)展，使其架構也產生了巨大的變化。

4.3 綜合化模塊化機載維護系統(tǒng)

第三階段，綜合化模塊化機載維護系統(tǒng)。長久以來，航空電子工業(yè)界已經認識到，將大規(guī)模綜合計算結構應用到機載航空電子系統(tǒng)可獲得顯著的全壽命成本效益。綜合模塊航空電子(Integrated Modular Avionics,IMA)應運而生，IMA的頂層目標是通過減少備件要求和減少成本(包括減少LRM備件的成本和所需LRM的數(shù)量)、減少設備的拆卸率和航空電子設備及布線的重量和體積。此外，IMA還旨在滿足用戶提出的更高的MTBF，改進系統(tǒng)性能、增加機載功能、更好地進行故障隔離與檢測，支持更長時間的無維修放飛。

綜合化結構在滿足系統(tǒng)可用性和完整性方面要大大高于聯(lián)合式結構，它會大大降低系統(tǒng)多個功能同時失效的概率，采用容錯技術可實現(xiàn)系統(tǒng)高完整性的監(jiān)視，可有效地支持故障隔離和維修，減少維修時間。據(jù)統(tǒng)計，IMA架構在不確定故障設備無效拆卸方面比基于LRU的聯(lián)合式結構改進6倍以上。

在IMA技術的驅動下，形成了第一代綜合化機載維護系統(tǒng)，典型代表為波音777機載維護系統(tǒng)AIMS。其典型特征是，OMS依托開放式架構的綜合模塊化航電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的各系統(tǒng)的LRU被雙綜合機柜取代，中央維護功能軟件駐留在AIMS處理模塊中，實現(xiàn)了信息資源共享以及功能分隔，各類信號(總線信號、模擬量、離散量)數(shù)據(jù)集中處理，AIMS通過ARINC 429、ARINC 629數(shù)據(jù)總線與飛機其他設備或系統(tǒng)相連，接收由它們傳來的數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)指令到各設備和系統(tǒng)。AIMS的容錯性管理設計實現(xiàn)了高完整性的硬件監(jiān)視，使AIMS能立即完成故障檢測和限制使用措施，在產生駕駛艙效應之前消除大部分故障，并延緩維修，根據(jù)最低放飛清單允許飛機“容錯帶故放飛”，提高飛機的派遣率，降低使用成本。另外，通過AIMS的資源余量和機柜LRM插槽提供了擴展能力，提高了設計的靈活性。

在第一代IMA技術的基礎上，發(fā)展形成了Generic Network Element for Synthesis of Integrated Systems(GENESIS，通用組網元件集成分析系統(tǒng))。波音787的CCR就是GENESIS平臺的一種具體實現(xiàn)，該系統(tǒng)將若干GPM和ARINC 664網絡交換機組合在一個機柜內，將遠程數(shù)據(jù)集中器(RDC)和其余的ARINC 664網絡交換機以LRU的形式分布就近安裝在飛機的各處，并連接到各飛機子系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行器等，形成虛擬邊界的機載任務系統(tǒng)。波音787的CMS以飛機航電架構為載體，與飛機航電系統(tǒng)深度耦合，核心軟件CMCF駐留在CCR機柜的GPM模塊中，CMCF通過公共數(shù)據(jù)網絡(CDN)與飛機其他系統(tǒng)交聯(lián)通信，采集、關聯(lián)、存儲、顯示飛機各系統(tǒng)故障信息，啟動地面測試。相對于波音777的AIMS，波音787的CCR更加綜合，最大特點是利用智能傳感器、遠程數(shù)據(jù)集中器等智能化周邊設備完成機載系統(tǒng)執(zhí)行末端的模數(shù)或數(shù)模轉換，減少中央處理平臺對模擬量和離散量的需求，通過轉換形成的控制和狀態(tài)數(shù)字信號，通過高速總線連接傳輸，將飛機系統(tǒng)轉換為數(shù)字式的端到端的系統(tǒng)，形成機載系統(tǒng)網絡。這種架構可適應不斷增加的飛機系統(tǒng)特定功能的擴展需求，增加機載系統(tǒng)周邊接口的魯棒性和抗干擾能力，降低中央處理機的信號處理要求，簡化數(shù)據(jù)接口和通信數(shù)據(jù)流，提高系統(tǒng)的故障隔離能力和維修性，大大減少系統(tǒng)飛機布線量，降低系統(tǒng)規(guī)模。

5 結束語

從機載維護系統(tǒng)(OMS)的發(fā)展歷程看，OMS的發(fā)展一直與航電系統(tǒng)的發(fā)展密切相關，航電技術的發(fā)展從一定程度上推動了OMS的發(fā)展?，F(xiàn)代飛機航電系統(tǒng)經歷了最初的分立式航電系統(tǒng)，到聯(lián)合式航電系統(tǒng)，再到綜合化航電系統(tǒng)的過程，目前正逐步朝著深度綜合化航電系統(tǒng)的方向前進。OMS也隨之從早期的分立的機載維護設備發(fā)展到CFDS和CMS，再發(fā)展到現(xiàn)在的綜合化OMS。隨著微電子技術、傳感器技術、網絡技術、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，OMS會向著更高的綜合化、智能化、網絡化、數(shù)據(jù)化方向發(fā)展。