飛行控制系統(tǒng)BIT 虛警問(wèn)題分析研究

飛行控系虛警問(wèn)分析研摘要:飛控系統(tǒng)是飛機(jī)的關(guān)鍵核心系統(tǒng)中BIT分系統(tǒng)中存在較高的虛警率是制約其快速發(fā)展影響其有效使用的關(guān)鍵問(wèn)題之一有效降低Bπ虛警率的研究是BIT研究中的主要內(nèi)容之一?？偨Y(jié)歸納了飛控系統(tǒng)IT各種虛警的原因。按照IT硬/軟件設(shè)計(jì)工環(huán)境因素等幾個(gè)方面提出了一個(gè)較為系統(tǒng)和完整的BIT虛警解決方案。對(duì)提升飛控系BIT的性能，推進(jìn)BIT入、廣泛、有效的應(yīng)用具有十分重要意義。由于現(xiàn)代軍/民用航空飛行控制系統(tǒng)復(fù)雜化程度不斷擴(kuò)大，使得檢測(cè)和維修難度增大，測(cè)試時(shí)間變長(zhǎng)、維修保障費(fèi)用增加。為解決這些問(wèn)題，飛控系統(tǒng)廣泛采用機(jī)內(nèi)測(cè)試(built-intest，簡(jiǎn)稱(chēng)BIT)技術(shù)，以便對(duì)其內(nèi)部故障進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、診斷和隔離。BIT是指系統(tǒng)或設(shè)備自身為故障檢測(cè)、隔離或診斷提供的自動(dòng)測(cè)試能力。飛控系統(tǒng)具有的BIT能力可以保證系統(tǒng)以最短停飛維護(hù)時(shí)間做好飛行前準(zhǔn)備。BIT技術(shù)從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始應(yīng)用于國(guó)外航空領(lǐng)域和武器裝備系統(tǒng)中在提高系統(tǒng)測(cè)試性維修性和保障性方面發(fā)揮了重要作用但同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題，較高的虛警在其中尤為突出。虛警是指設(shè)備的IT系統(tǒng)或其他監(jiān)控系統(tǒng)指示有故障而實(shí)際上不存在故障的情況直接導(dǎo)致了飛控系統(tǒng)可用性降低和全壽命周期費(fèi)用提高使得使用及維修人員對(duì)BIT逐步喪失信心直接影響了BIT的應(yīng)用與推廣嚴(yán)重制約了BIT技術(shù)更深入廣泛的應(yīng)用如何有效抑制和降低虛警已經(jīng)成為目前BIT技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。飛控統(tǒng)BIT結(jié)構(gòu)飛控系統(tǒng)BIT的基本結(jié)構(gòu)可分為兩級(jí)第1級(jí)是對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的檢測(cè)因?yàn)轱w控計(jì)算機(jī)是整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的核心部件，同時(shí)IT的軟件、激勵(lì)信號(hào)、采集等功能都是由飛控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生和控制的；第級(jí)是對(duì)飛行控制系統(tǒng)的各傳感器、伺服作動(dòng)系統(tǒng)、離散量等進(jìn)行檢測(cè)。飛控系統(tǒng)IT總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。飛控系統(tǒng)BIT件設(shè)計(jì)及檢測(cè)原理見(jiàn)圖2。

飛控統(tǒng)BIT虛警分GJB3385-98定義虛警為：機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)或其他監(jiān)測(cè)電路指示有故障而實(shí)際上不存在故障的現(xiàn)象按照美軍對(duì)BIT的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)BIT虛警可以分為兩類(lèi)①檢測(cè)對(duì)象A有故障BIT指示檢測(cè)對(duì)象B有故障，即所謂“錯(cuò)報(bào)”，類(lèi)虛警；②檢測(cè)對(duì)象無(wú)故障，BIT報(bào)警，即所謂的“假報(bào)”，為Ⅱ類(lèi)虛警。BIT虛警參數(shù)反映系統(tǒng)BIT虛警的指標(biāo)通常用虛警率(FAR)表示警率發(fā)生的虛警數(shù)與

同一時(shí)間內(nèi)的故障指示總數(shù)之比。的數(shù)學(xué)表達(dá)式可用式(1)來(lái)表示。式中，NFA為測(cè)試中的虛警次數(shù);NF為真實(shí)故障指示次數(shù);NFA故障指示總次數(shù)。用于電子及機(jī)電產(chǎn)品FAR的分析及預(yù)計(jì)模型可用式(2)來(lái)表示。式中

表示第i個(gè)導(dǎo)致虛警的事件的頻率中包括導(dǎo)致虛警的IT故障的故障率和瞬態(tài)事件的頻率；事件總數(shù)。

表示被檢測(cè)出的所有故障模式的故障率之和；代表導(dǎo)致虛警的通常飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中都會(huì)對(duì)BIT虛警率有定量的要求，例如:虛警率≤1%。BIT虛警原因根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)，造成飛控系統(tǒng)IT虛警主要有4個(gè)主要原因:系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)采集通道中的噪聲污染、計(jì)過(guò)程中門(mén)限值(或測(cè)試容差)選擇不當(dāng)和故障診斷算法選擇不合適。BIT設(shè)計(jì)人員為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)常需要作一些假設(shè)由于難以完全掌握BIT工作環(huán)境和實(shí)際工作特性對(duì)BIT的影響，使得這些假設(shè)不一定是完全符合實(shí)際情況，導(dǎo)致BIT在實(shí)際工作中出現(xiàn)虛警。傳感器采集通道中的噪聲污染使得采集的數(shù)據(jù)不能反映系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)。門(mén)限值(或測(cè)試容差)主要指被測(cè)參數(shù)的最大允許偏差量果測(cè)量值超出此值，說(shuō)明發(fā)生了故障。BIT門(mén)限值選擇不當(dāng)，包括兩種情況。①門(mén)限值大小不合理:門(mén)限值太寬，難以有效檢測(cè)到故障；門(mén)限值太嚴(yán)，易導(dǎo)致虛警；若飛行門(mén)限值與地面維修及中間級(jí)(中繼級(jí)基地級(jí))維修時(shí)門(mén)限值不協(xié)調(diào)易導(dǎo)致不能復(fù)現(xiàn)(CND)和重測(cè)合格(RTOK)現(xiàn)象。②門(mén)限值固:在惡劣環(huán)境因素(離溫、高

濕、頻繁氣壓變化)、液壓源波動(dòng)、震動(dòng)沖擊、不適當(dāng)激勵(lì)和干系統(tǒng)潛在通路、強(qiáng)電磁干擾、電源被動(dòng)等)下導(dǎo)致其適應(yīng)性、魯棒性差，易發(fā)生虛警。常規(guī)BIT故障診斷算法往往是采取基于硬件/軟件實(shí)現(xiàn)的固定閾值瞬態(tài)判決算法，該算法在系統(tǒng)產(chǎn)生間歇故障或瞬態(tài)故障時(shí)容易出現(xiàn)虛警。另外當(dāng)IT軟件故障診斷算法簡(jiǎn)單、粗糙時(shí)，進(jìn)行IT信號(hào)處理、故障診斷和維修決策等也易導(dǎo)致BIT虛警。除此之外BIT虛警率的高低利BIT工作的可靠性高低也有很大關(guān)系BIT自身工作可靠性的高低主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面(1)BIT自身發(fā)生故障(如軟故障、硬故障、瞬態(tài)故障、間歇故障)。例如：BIT組成單元降級(jí)，結(jié)果將導(dǎo)致報(bào)告被測(cè)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障；中故障判定或指示報(bào)警部分發(fā)生故障，也會(huì)導(dǎo)致被測(cè)系統(tǒng)元故障但I(xiàn)T發(fā)生報(bào)警現(xiàn)象(II類(lèi)虛警)。(2)BIT在非設(shè)計(jì)的條件下運(yùn)行例如:當(dāng)Bπ在實(shí)際工作條件下所受環(huán)境應(yīng)力與設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)計(jì)的不同時(shí)，BIT工作特性與原計(jì)劃相比發(fā)生變化使原設(shè)計(jì)的BIT特性(如門(mén)限值)出現(xiàn)虛警區(qū)和未檢測(cè)區(qū)。BIT虛警影響根據(jù)美國(guó)空軍試驗(yàn)和評(píng)價(jià)中心對(duì)F-15A，F(xiàn)-16A和F/A-18A的BIT統(tǒng)計(jì)分析，這些飛機(jī)的BIT診斷能力僅有50%-70%，而個(gè)別航空電子設(shè)備的虛警率高達(dá)85%美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部的研究表明從飛機(jī)拆下的外場(chǎng)可更換單元大約有70%是再測(cè)試完好的。BIT的虛警問(wèn)題會(huì)在從飛行任務(wù)到后勤保障維護(hù)等多個(gè)方面造成嚴(yán)重后果。影響產(chǎn)品/部件可用度:錯(cuò)誤的BIT指示使得產(chǎn)品/部件功能得不到正常有般地利用并且會(huì)因而影響飛行任務(wù)造成無(wú)效維修錯(cuò)誤的BIT指示使得好的可更換單元被拆卸和維修，造成人力、時(shí)間和費(fèi)用的浪費(fèi)。影響維修備件供應(yīng)錯(cuò)誤的BIT指示使得設(shè)備可更換單元的備件數(shù)目難以有效地確定，可能造成備件液費(fèi)或貽誤戰(zhàn)機(jī)。失去使用、維修人員信任對(duì)使用者而言，可能因此造成嚴(yán)重后果；對(duì)維修人員而言，可能放棄使用BIT手段進(jìn)行維修活動(dòng)，造成效率低下。

飛控系統(tǒng)BIT常見(jiàn)虛警在飛控系統(tǒng)臺(tái)架綜合和外場(chǎng)機(jī)上地面試驗(yàn)以及飛行試飛的過(guò)程中，工程技術(shù)人員經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一些常見(jiàn)的π虛警，例如①飛行前BIT報(bào)飛控系統(tǒng)一次電源28Vl、28V2故障。很可能是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)未開(kāi)車(chē)，飛控系統(tǒng)只由飛機(jī)上蓄電瓶供電。②飛行前BIT報(bào)1553B總線(xiàn)通信故障。很可能是因?yàn)榕c飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的航電系統(tǒng)未上電或啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置不合理。③飛行中Bπ報(bào)某舵機(jī)的機(jī)械液壓監(jiān)控器故障。有些情況下是機(jī)上液壓披動(dòng)和故障監(jiān)控時(shí)間設(shè)置不合理。④飛行前BIT報(bào)角速率陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)速故障。有些情況下是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速輸出披形和該信號(hào)的濾波、計(jì)數(shù)方式不匹配。⑤駕駛員指令傳感器不在要求的物理零位和飛行員或地勤人員在BIT運(yùn)行過(guò)程中的誤操作，也會(huì)影響B(tài)IT的正確結(jié)果。3BIT虛警解決方案3.1硬件措施從BIT硬件的設(shè)計(jì)方面采取措施來(lái)降低飛控系統(tǒng)π虛警的方法主要有以下5種:①合理地確定監(jiān)控容差和延時(shí);針對(duì)Bπ信號(hào)獲取中的干擾引起的虛警，分析采集信號(hào)的特性，采用必要的硬件濾波措施，消除干擾對(duì)π決策的影響;③確認(rèn)BIT裝置自身的可靠性和邏輯的嚴(yán)密性④對(duì)分布式的飛控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的分布式測(cè)試設(shè)計(jì)，最終由飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息綜合處理;⑤提高設(shè)備元器件的可靠性、完善生產(chǎn)工藝、改善硬件原材料和提高裝配質(zhì)量等。3.2軟件措施從Bπ軟件設(shè)計(jì)的角度采取措施來(lái)降低飛控系統(tǒng)Bπ虛警的方法主要有以下7個(gè)方面:①根據(jù)部件的重要性和故障危害度等綜合因素，合理設(shè)置判故門(mén)限，以取得Bπ故障檢測(cè)率和虛警率的合理折衷②針對(duì)瞬變狀態(tài)引起的虛警，檢測(cè)到的故障信息不要馬上報(bào)警，延時(shí)一段時(shí)間，連續(xù)檢測(cè)確認(rèn)該信息元誤后再報(bào)警③采用數(shù)字濾波和卡爾曼濾波技術(shù)，可以有效消除干擾噪聲對(duì)實(shí)際信號(hào)的影響;④分析環(huán)境應(yīng)力因素，采用變門(mén)限方法⑤考慮部分傳感器的初始值對(duì)其他測(cè)試部分的影響⑥多余度信息的數(shù)據(jù)融合;⑦在BIT故障診斷算法中引人諸如專(zhuān)家系統(tǒng)、自適應(yīng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等智能理論和方法。應(yīng)用BIT軟件解決虛警問(wèn)題具有靈活性、升級(jí)容易、便于智能化處理等優(yōu)點(diǎn)，所以說(shuō)采用軟件改善π的診斷算法來(lái)降低BIT虛警是一種比較高效、實(shí)用的方法。3.3人工及環(huán)境措施人的因素在BIT虛警中也占有重要的位置，現(xiàn)在興起的人素工程，重點(diǎn)就是研究人在系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)中的地位和作

用。環(huán)境影響問(wèn)題無(wú)處不在，是每個(gè)系統(tǒng)工程中都要客觀(guān)面對(duì)的問(wèn)題。飛控系統(tǒng)所處的惡劣環(huán)境高溫、高濕、電磁輻射、振動(dòng)沖擊，這些因素不僅影響被測(cè)對(duì)象，同時(shí)也影響IT模塊本身。提高地勤維護(hù)人員的個(gè)人綜合素質(zhì)、加強(qiáng)工程管理手段、嚴(yán)格遵守BIT操作規(guī)程、降低或有效隔離環(huán)境應(yīng)力、改善保養(yǎng)存儲(chǔ)條件，也可對(duì)Bπ虛警起到一定的控制作用。3.4系統(tǒng)試驗(yàn)綜合驗(yàn)證由于飛控系統(tǒng)是整個(gè)飛機(jī)的關(guān)鍵控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)聯(lián)部件眾多。各部件都能正常工作是保證飛控系統(tǒng)正常良好運(yùn)行的基礎(chǔ)。所以以飛控計(jì)算機(jī)為核心的IT系統(tǒng)不僅需要確認(rèn)自身是否功能、性能正常，還需要對(duì)所有的部件進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控。在飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初就必須對(duì)系統(tǒng)、部件及重要功能模塊進(jìn)行固有測(cè)試性分析，保證BIT的有效性。系統(tǒng)試驗(yàn)綜合是以工程試驗(yàn)的方式鑒定BIT設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)方案的正確性，提示系統(tǒng)BIT硬件完善與軟件優(yōu)化的方法與途徑。通過(guò)各種地面試驗(yàn)和長(zhǎng)期飛行試驗(yàn)的使用結(jié)果，發(fā)現(xiàn)IT存在的問(wèn)題，分析原因并采取改進(jìn)措施進(jìn)行優(yōu)化是減少虛警提高BIT有效性的重要途徑系統(tǒng)試驗(yàn)綜合是Bη系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐過(guò)程中不可缺少的科研環(huán)節(jié)，為整系統(tǒng)在生產(chǎn)交付后減少由于設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的虛警打下了堅(jiān)實(shí)的驗(yàn)證基礎(chǔ)，也為今后分析系統(tǒng)的虛警特性有一定的幫助。一般情況下BIT系統(tǒng)試驗(yàn)包括:Bπ邏輯驗(yàn)證、各Bη檢測(cè)特征值的靜/動(dòng)態(tài)測(cè)試、檢測(cè)闊值的確定、檢測(cè)使能與