公共數(shù)據(jù)庫檢索在模擬機維護中的應用

貝 珩

(中國國際航空股份有限公司 培訓部，北京 101300)

近10年的統(tǒng)計數(shù)字表明，模擬機儀表接口系統(tǒng)是模擬機故障率最高的系統(tǒng)，其故障占比達到各類系統(tǒng)故障總量的50%左右，維護人員在該系統(tǒng)中投入的工作量也相對較大。傳統(tǒng)的故障性維護方式一般是根據(jù)故障點對應的電路連接，逐一測量和更換線路上的硬件設備，以期達到恢復模擬機正常功能的效果。以這種方式處理故障通常要面臨3種困難：

① 所有相關設備的更換都需要對應的備件支持，并且新備件必須與原設備所在線路兼容；

② 測量點必須清晰可見，測量人員、測量設備和操作空間必須符合測量要求；

③ 為確保操作者和設備安全，必須暫停飛行訓練，由至少二人協(xié)作、占用較長時間完成上述操作。

而在故障現(xiàn)象復雜的情況下，更換單一的備件并不能保證100%排除故障，當故障的癥結存在于未被更換的器件上或者軟件驅動和尋址方面，就應當采用從軟件端對故障設備對應的特征變量(label)實施監(jiān)測和控制的方法，來尋找故障的形成原因。

公共數(shù)據(jù)庫(Common Datebase，CDB)檢索也稱為公共數(shù)據(jù)庫查詢技術，即在數(shù)據(jù)庫文件或系統(tǒng)中對關鍵字搜索的結果進行分析、篩選和實驗，并獲得有用信息的技術[1]。使用CDB檢索找到特定label的方法剛好符合模擬機接口系統(tǒng)復雜故障的排故需求，但它在現(xiàn)行的排故工作中并不通用，這主要有3方面原因：

① CDB是模擬機軟件運行的動態(tài)參數(shù)庫，廠家沒有明確給出對CDB進行操作的方法和檢出label的定義；

② 交互頁面式的監(jiān)控軟件沒有提供輸入特定label實施監(jiān)控的手段，僅能對軟件中可視的label進行監(jiān)控；

③ 對由時序信號控制并不斷刷新狀態(tài)的label進行賦值時，廠家沒有告知保持其賦值狀態(tài)的方法。

就上述問題開展研究，分析模擬機軟硬件運行的原理，在CDB初始文件中，使用設備關鍵字檢索的方法，找到可能影響設備狀態(tài)的若干個label。而后通過命令行軟件直接與模擬機運行時使用的CDB進行實時交互，窮舉觀察所有l(wèi)abel賦值帶來的設備狀態(tài)變化。以期在不中斷飛行訓練的情況下，短時間內(nèi)確定故障癥結，提高排故的針對性、操作的安全性，并減少對飛行訓練的干擾，這是采用CDB檢索的排故方法預期達到的效果。

1 故障案例

中國國際航空股份有限公司737-800型飛行模擬機于質(zhì)量自檢中發(fā)現(xiàn)第三部無線電調(diào)諧面板的對側調(diào)諧燈顯示邏輯出現(xiàn)錯誤。根據(jù)中國國際航空股份有限公司737機組操作手冊第五章第十節(jié)的描述，這類面板在737-800型飛機內(nèi)共有3部，分別安裝于中央控制臺的左上(第1部)、右上(第2部)和中下(第3部)，其英文名稱為Radio Tuning Panel，簡稱RTP。

RTP的對側調(diào)諧燈位于面板中上部，其顯示邏輯正常時應符合中國國際航空股份有限公司737機組操作手冊第五章第十節(jié)第七段的概括，即通常與這個面板連接的無線電正在由另一個無線電調(diào)諧面板調(diào)諧、或這個無線電調(diào)諧面板正在用于調(diào)諧通常不與它連接的無線電時，該燈顯示為白色常亮[2]。也就是說對側調(diào)諧燈邏輯的正常狀態(tài)為熄滅狀態(tài)，此時三部RTP各自與通常應當連接的無線電進行調(diào)諧，即RTP1選擇調(diào)諧VHF1(Very High Frequency)，RTP2選擇調(diào)諧VHF2，RTP3在非備用狀態(tài)時調(diào)諧VHF3。而當任何一個RTP調(diào)諧了其他RTP通常調(diào)諧的無線電頻率時，這兩個RTP的對側調(diào)諧燈點亮。如：RTP1選擇調(diào)諧VHF2，RTP2和RTP3保持正常調(diào)諧狀態(tài)，此時RTP1和RTP2的對側調(diào)諧燈點亮，RTP3的對側調(diào)諧燈熄滅。

按照上述原則，使用窮舉法采樣三部RTP的27組對側調(diào)諧燈顯示邏輯，如表1所示。發(fā)現(xiàn)僅有RTP1的對側調(diào)諧燈顯示邏輯符合機組操作手冊的描述，RTP2和RTP3的顯示邏輯則呈現(xiàn)出相反的狀態(tài)，即RTP2的對側邏輯符合RTP3的調(diào)諧原則，RTP3的對側邏輯符合RTP2的調(diào)諧原則。初步估計二者在接口電路中傳輸?shù)目刂菩盘柊l(fā)生了錯誤的互換。

表1 RTP對側調(diào)諧燈顯示邏輯采樣表

2 模擬機儀表接口系統(tǒng)原理分析和CDB檢索方法在排故中的應用

2.1 模擬機儀表接口系統(tǒng)原理分析

模擬機生產(chǎn)商利用波音、空客等飛機制造企業(yè)提供的、獲取自真實飛機的特性數(shù)據(jù)，通過自行開發(fā)的主程序及其分支模塊，將各個系統(tǒng)的仿真效果傳遞給模擬機用戶[3]。這些系統(tǒng)通?？梢苑譃橛嬎銠C系統(tǒng)、儀表接口系統(tǒng)、運動和操縱系統(tǒng)、視景系統(tǒng)和聲音系統(tǒng)[4]。

而上述故障發(fā)生在儀表接口系統(tǒng)中，對于這一系統(tǒng)的故障，傳統(tǒng)的方法通常需要測量故障線路的信號是否正常受控，或者在電路圖中找出故障線路的label，用軟件對label進行賦值，再觀察對應器件是否出現(xiàn)正常的響應。這種故障處理方式面臨如下幾個問題。

① 可靠的電子產(chǎn)品在設計時通常會考慮，在環(huán)境溫度、工作載荷和持續(xù)使用時間等因素的影響下，發(fā)生元件參數(shù)退化或小范圍特性漂移時，產(chǎn)品性能指標仍在關聯(lián)設備可識別的容差范圍內(nèi)，部分電路的潛在故障可以被消除或容忍[5]。但由于RTP2和RTP3的顯示邏輯不是單獨出現(xiàn)錯誤，而是發(fā)生了完整互換，其各自的接口設備同時存在對稱的顯性故障的可能性微乎其微，因此單純更換接口設備以消除故障的概率較低。

② 機載設備的功能復雜，對應的接口模塊類型較多，為了維護方便，在設計時一般采用將串行數(shù)據(jù)模塊和ARINC模塊分別以單獨的接口板卡形式與用戶操作面板連接[6]，同時遵循以最小可更換器件為單元，將每個RTP面板對應的接口設備GPIM(General Purpose Interface Module)設計為3個，如果同時更換2個RTP對應的GPIM，將為接口系統(tǒng)引入7個不同類型的新設備，所需的備件數(shù)量和投入的工作時間都很多，新設備的兼容性隱患也非常大[7]。

③ GPIM是封閉安裝的設備，沒有外部可視的測量點，僅可使用專用設備將測量點引出才能進行測量，同時RTP面板除接收處理串口信號外，還接收ARINC信號，這種時序信號需要專用設備測量，使用一般的工具無法得到有效的測量結果。

④ 如果信號的互換錯誤發(fā)生在接口設備上，更換對應GPIM可以排除故障，但如果信號的互換錯誤發(fā)生在主機(Host)端，那么更換GPIM就毫無意義，必須對主機端軟件進行進一步處理。

因此必須選用軟件監(jiān)控的方法，從主機端著手，嘗試分別控制RTP2和RTP3，并對產(chǎn)生的現(xiàn)象加以分析，找出發(fā)生信號錯誤互換的設備。

2.2 CDB檢索方法在排故中的應用

對于使用一般的串行數(shù)據(jù)控制的設備，廠家大多會給出每個器件對應的label，正常情況下這些器件可使用特定的監(jiān)測軟件通過控制label的數(shù)值呈現(xiàn)出相應的現(xiàn)象變化，如：燈光亮滅、指針轉動等。而在模擬機內(nèi)對設備進行如：電門開合、旋鈕轉動等操作，也可以在監(jiān)測軟件上觀察到label數(shù)值的變化。

RTP面板既用到串口信號也用到ARINC信號，其接口電路如圖1所示，主機通過以太網(wǎng)將串行和ARINC數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點計算機(USB_IO)，再由節(jié)點計算機通過簡化PCI總線發(fā)送到功能分立的GPIM上，負責串行接口的普通GPIM將信號分為數(shù)字量和模擬量的輸入輸出與下游器件實現(xiàn)驅動和交互，而負責ARINC信號的特殊接口卡GPIM_AC則通過板載的FPGA模塊與相關設備建立聯(lián)系[8]。

圖1 RTP面板接口電路原理圖

串行信號一般控制面板上的按鍵、旋鈕和燈光，這些功能都在模擬機的CDB中有相應的定義，這種定義被稱為label，可以通過在主機端運行的接口軟件ITMS(Integrated Test Management System)對這些label實現(xiàn)監(jiān)測和控制。憑借對這些label的賦值和觀察，可以直觀地發(fā)現(xiàn)接口設備是否存在故障情況，并且可使用萬用表等常用測量工具，通過由專用工具引出的測量點，獲得對應插針的電壓值。比如：在ITMS上，對某指示燈的label進行賦值，同時檢查燈光的狀態(tài)，如果無論賦予的邏輯是“0”還是“1”，燈光始終亮起，則可以認為對應的GPIM存在故障，并輸出了錯誤的驅動信號。但對于使用ARINC429協(xié)議的鏈路采用同樣的方法很難取得成效，這種協(xié)議傳輸?shù)氖请p極歸零式調(diào)制信號，即頻率為12.5～100 kbit/s的周期性連續(xù)信號，其傳輸字格式如表2所示。

表2 ARINC429傳輸字的格式[9]

這種信號的邏輯特性遵循以下原則：由高電平+5 V回歸到零電平表示邏輯“1”，由低電平-5 V回歸到零電平表示邏輯“0”。同時其信號發(fā)送和接收設備也不是常見的邏輯信號保持器，而是綜合譯碼邏輯、控制邏輯、實時時鐘和中斷的集成模塊FPGA(Field Programmable Gate Array)，因此只能使用示波器等不常用手段觀察其信號狀態(tài)，很難作為有效的故障判斷依據(jù)[10]。雖然原理上講ARINC信號有對應的label，但在電路圖中，這些label往往不被直接給出，想要控制這類信號必須尋找到與之相關的上游label。

假設一個ARINC邏輯信號的函數(shù)模型為

A{0,1}=F(a，b，c，…，n)

如果找到任何一個可控的變量a，b，c，…,n，在對這一變量進行賦值的同時，保持其他所有變量不變，能夠使A的值發(fā)生變化，則可以認為A能夠單獨被上述變量控制。也就是說，當CDB中存在一個可以單獨控制某路ARINC邏輯的label時，可以通過在賦值該label的同時觀察RTP面板狀態(tài)的變化，來確定GPIM、ARINC設備或鏈路是否存在故障，以期實施有針對性的軟硬件調(diào)整。

由于CDB文件中含有的變量包含了所有的輸入/輸出變量和所有系統(tǒng)之間，甚至是系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間的交連變量，如圖2所示[11]。因此對CDB文件進行檢索，一般可以發(fā)現(xiàn)直接或者間接控制ARINC設備各種功能的特定label。

圖2 模擬機數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)容示意

根據(jù)模擬機的軟件運行原理，模擬機各個節(jié)點計算機和接口設備會從在用的配置下轄的CDB中調(diào)用label。這些CDB的初始文件可以借助Windows系統(tǒng)，在主機端的各個configuration文件夾下，使用*cdb*關鍵字搜索獲得，而與ARINC協(xié)議相關的初始文件，也可以用*arinc*關鍵字搜索獲得，此故障中涉及到的兩個文件為b73x2.cdb和b73xarinc.csv。可以使用UltraEdit等軟件打開上述CDB文件，并在其中繼續(xù)搜索與RTP相關的label，對比兩個文件中描述語句具有相關性的label，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)十項與一般label存在關聯(lián)的ARINC邏輯。

由于這些label在ITMS中缺少調(diào)用接口，因此使用監(jiān)控工具CTS-PLUS(Control Test System)來進行l(wèi)abel賦值，CTS的工作原理如圖3所示。

圖3 CTS軟件工作原理

可以看到，CTS將獲取到的初始數(shù)據(jù)通過同步和異步進程按照主程序的要求寫入CDB，模擬機執(zhí)行來自CDB的初始輸出后，再根據(jù)模擬機使用者的人為輸入形成反饋，并發(fā)往CDB中，CTS此時再通過同步和異步進程從CDB中獲取反饋數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)監(jiān)測和控制。ARINC邏輯通常在同步進程中進行運算和傳遞，并且刷新頻率較高。如果通過賦值其相關label來改變ARINC邏輯，則可能會發(fā)生賦值當時所生成的ARINC輸出在下一個時鐘周期到來時即被刷新回原有狀態(tài)的現(xiàn)象，這會令監(jiān)測者無法看到機艙端發(fā)生的變化，因此在CTS中進行l(wèi)abel賦值操作前，可以對模擬機進行飛行凍結(Flight Freeze)，此時大部分同步進程會暫停刷新，操作者此時再行賦值，模擬機主程序只對發(fā)生賦值的label和由此產(chǎn)生的單次運算結果進行響應，對應的機艙端現(xiàn)象可以保留下來，直至凍結解除。

在上述故障中，通過搜索找到影響RTP2和RTP3對側調(diào)諧燈的label后，發(fā)現(xiàn)當對RTP2的相關label進行賦值改變其邏輯狀態(tài)時，對側調(diào)諧燈發(fā)生亮暗變化的是RTP3；反之當對RTP3的相關label進行賦值改變其邏輯狀態(tài)時，對側調(diào)諧燈發(fā)生亮暗變化的是RTP2；同時賦值RTP1的相關label，僅有RTP1會有對應現(xiàn)象。由此可以斷定主程序發(fā)出的指令在接口鏈路中而不是主機端發(fā)生錯誤互換。此后檢查RTP2和RTP3的地址定義列表，發(fā)現(xiàn)兩路接口設備的地址定義與正常值相反，重新進行接口設備固件燒錄后，故障現(xiàn)象消失。

3 結束語

通過公共數(shù)據(jù)庫檢索，找出待測設備對應的特征變量，并結合CTS軟件進行賦值，是一種高效、準確和安全的儀表接口系統(tǒng)故障排查方法。大量的工作驗證這種方法可以應用于CAE公司生產(chǎn)的不同機型，不同技術代別的各類模擬機中。運用該種方法處理關閉的故障有：B737-800型CLASSIC模擬機氣象雷達面板增益旋鈕功能不正常、B737-Max型XR模擬機燈光測試開關常閉、A330型SIMXXI模擬機黃系統(tǒng)滲油測試閥開關常開、A320型R4模擬機時鐘計時器失效等。

故障性維護對工程人員的要求主要是對故障的快速定位和隔離，同時應兼顧以最小的維護成本換取故障的排除。一般熟練的工程人員能夠在1 h內(nèi)完成label檢索和賦值，而更換對應接口設備或節(jié)點計算機的工時都相對更長，從搜尋備件到斷電更換，再到對主機進行相應的軟件更新，耗時通常在2 h以上，同時還可能引入新備件兼容性帶來的故障隱患。如果對電路進行直接測量，除去可能存在的觸電或損傷電路的風險外，還可能遇到測量點難以確認或接觸、信號特殊無法用常規(guī)設備采樣等問題。而在機艙端對故障現(xiàn)象的觀察也是通過CTS賦值的方式最為便捷。因此該種方法應在模擬機儀表接口系統(tǒng)的故障處理中被優(yōu)先考慮和應用。