民用飞机机载维护系统体系结构分析

沈新刚 田林 吕镇邦

摘要：民用飞机机载维护系统（OMS）可有效提高飞机安全飞行、降低运营和维修成本，航空工业部门愈发重视机载维护技术的发展，但由于国内民机发展较晚，其顶层架构技术尚处在探索中。本文简要介绍了机载维护系统典型架构和系统组成，提出面向二级用户目标的系统功能设计、层次化OSA-CBM功能模型设计、基于机载信息系统（AIS）处理平台的系统结构，以及阐述对成员系统的维护设计需求，最后对未来机载维护系统技术的发展与应用进行了讨论。机载维护系统体系架构的研究对新一代民机机载维护系统的研制将具有重要的参考价值。

关键词：机载维护系统；健康管理；故障诊断；故障预测；体系结构

中图分类号：V243文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.004

基金项目：工信部民机科研项目（MJ-2017-S-58）

随着机载维护系统（onboard maintenance system， OMS）在飞机维修领域的广泛使用，早期由于无法测知故障源头而产生维修困难的现象已经不复存在。机载维护系统作为现代民用飞机航空电子系统必备的子系统之一，通过对飞机故障准确定位，帮助维护人员实施准确、及时维修，保持飞机的持续适航性，从而保障飞机安全运营，减少航班延误，提高飞机使用效益，降低飞机使用成本[1]。

机载维护系统通过监控航线可更换单元（LRU），对飞机系统进行故障探测和处理、分析与整合，实现对飞机系统及时且准确的故障报告与诊断，提高飞机的维护与维修效率，进而降低航空公司的维护成本。随着故障预测与健康管理（PHM）相关技术在航空领域得到广泛应用且显现成效，视情维修的目标需求也出现在机载维护系统的设计中。具备实时监控系统工作状况、专家级的故障诊断能力，以及对系统工作状况的预测功能等，能够帮助机组人员实时掌握飞机的工作状况，帮助维修人员及时制订维修保障方案，准确快速地维修故障部件，判断飞机预计的工作状况并制订可能的保障预案，从而提高飞机的维修性、可用性、保障性，实现飞机从事后维修和定期维修向视情维修的转变[2]。

从机载维护系统的市场应用情况来看，空客A380和波音787均装备了OMS，代表着机载维护系统的较高水平。国内民用飞机ARJ21和C919也都配备了OMS，可以看出OMS已经成为民用飞机的标配。然而包括ARJ21和C919在内，主要服役和在研飞机的OMS均为国外厂商所垄断，因此，开展机载维护系统体系架构的研究，掌握民机机载维护系统设计的核心技术，提高国内系统供应商的研制能力，对于打破国外公司对民机维护系统市场的垄断局面具有重要意义。本文在分析典型机载维护系统体系结构的基础上，从用户级的系统功能确立、依据OSA-CBM模型纵向进行的功能分解、机载维护系统核心处理的架构设计，以及全机范围的成员系统设计4个方面讨论了民用飞机机载维护系统顶层架构设计。

1典型民用飞机机载维护系统

由于飞机设备复杂性和系统构成复雜性的不断提高，对维护系统的要求也进一步提高，随着设计技术的进步，飞机维护系统的发展经历了三个阶段。第一阶段对飞机重要子系统和部件状态实现数字化显示，使得维修人员可以交互式的方式完成对设备部件的维护。第二阶段采用联合式的数字化系统结构和专用的中央维护计算机（CMC），基本实现对全机大部分子系统的状态监控和维护管理。第三阶段以A380和波音787机载维护系统为标志，实现了维护系统和航电系统的高度综合，先进网络以及健康管理技术的应用使得综合故障诊断和更深层次故障诊断、状态分析得以实施，测试覆盖率、故障隔离率和虚警率等方面性能有了明显提高[2]。

根据ARINC624-1的定义，OMS提供故障诊断、飞机状态监测、数据加载功能。OMS通过监控LRU的机内测试（BIT）及相关数据，对飞机系统进行故障探测和处理、分析与整合，实现对飞机系统及时且准确的故障报告与诊断；通过对飞机系统状态参数的监测，并记录特定情况下的状态，为评估飞机健康状态、部件维修、产品改进提供支持；通过提供统一的数据加载接口，实现飞机各部件和系统的软件、数据库的更新[3]。这些功能都能够显著提高飞机的维护与维修效率，进而降低航空公司的维护成本。

一个典型的机载维护系统如图1所示，由以下几部分组成：（1）支持机内自检的成员系统；（2）装有用于状态监测传感器的成员系统；（3）承担机载维护系统核心处理的计算机或计算资源；（4）座舱中用于显示的终端设备；（5）机载数据存储访问接口；（6）座舱打印机接口；（7）数据链接口；（8）数据加载/下载接口；（9）人工控制板接口；（10）便携式显示终端设备。

2民用飞机机载维护系统设计

随着PHM技术的不断发展和相关领域的技术进步，民用飞机机载维护系统在具体实现层面上会融合更多的新技术、新方法。机载维护系统的顶层设计势必会在功能、架构、实现方法上进行改进，以满足新一代民用飞机低运营成本、高维修效率的需求。

2.1基于用户目标的功能设计

民用飞机机载维护系统设计目标的确立是其系统设计的关键所在。机载维护系统的主要用户可以分为两类：外场维护人员、与维护工作相关的其他人员。

外场维护人员的主要责任是修正飞行日志中的差异，并恢复适航，包括修理或更换有差异的部件，按照适航当局批准的最小设备清单（minimum equipment list， MEL）要求推迟维修。外场维护人员的工作环境是计划驱动的，即如何安全满足发布的起飞时间要求。所以维护人员必须尽快地完成维护活动，很少有时间进行详细分析，维护工作仅限于那些可直接通过维护消息、驾驶舱效应（FDE）和飞行日志定位的故障。

与维护工作相关的其他人员包括基地和机库维护人员、部件修理和设备检查人员（包括第三方专业维修机构）、设备供应商的工程设计和功能测试人员、维护管理和计划人员等。通常开展详细的故障隔离、工程分析、系统测试等定期维护相关的活动。

对于两类目标用户提供有针对性的系统功能是机载维护系统系统设计的主要任务。图2为面向两类用户目标的机载维护系统系统功能分配。

（1）故障诊断

提供故障检测、级联故障消除、故障综合诊断和隔离、故障报告、FDE关联、故障排故信息索引，外场维护人员可以根据维护消息和操作指示执行故障排除任务。

（2）地面测试

提供诊断测试程序启动、参数调零和校准、非易失存储（NVM）维修数据下载和传输，外场维护人员可以执行故障诊断和隔离、系统验证测试、LRU替换验证测试、参数调零和校准操作。

（3）数据加载

提供软件、数据加载，外场维护人员可以完成软件和数据的更新。

（4）构型报告

提供飞机系统的软硬件构型状态收集和报告，外场维护人员可以掌握和确认飞机构型信息。

（5）飞机状态监控

提供数据采集、数据计算、趋势/超限数据捕获、系统参数显示/记录、生命周期数据记录、飞机状态信息生成，为地面维护提供基础维护数据，为航空公司地面维护、设备供应商维修和产品改进提供帮助。

（6）地面健康管理

提供健康状态实时评估、剩余寿命RUL计算、维修建议、备件库管理、飞行和维护数据分析，维护管理和计划人员依据维修建议开展视情维修活动。

2.2层次化OSA-CBM功能模型

民用飛机机载维护系统作为飞机级健康管理系统，同样在系统的设计层面也应参考OSA-CBM的层次架构[4]，分成7个层次，如图3所示。

（1）数据获取层

数据获取层可以考虑三方面的内容。一是安排传感器去获得监测对象的状态数据，如温度、压力等，这些数据可能是较为原始的电压/电流形态，需要进一步的处理。二是被检设备的状态数据，通常是通过机内自检程序产生的。三是连接被检设备各种输入/输出总线上的数据。

（2）数据处理层

数据处理层需要考虑接收来自数据获取层的数据并进行必要的加工处理，包括过滤传感器数据、频谱、转换实际的传感器信号，提取特征值等处理。

（3）状态监测层

状态监测层需要考虑过滤前两层传来的数据，依据阈值等过滤算法，发现存在的异常状态，并且形成异常状态报告。

（4）健康评估层

健康评估层可以考虑在机载端依据健康状态评估模型形成机载健康状态报告，供机组人员和外场维护人员使用。

（5）预测层

预测层在机载端考虑收集健康状态、故障诊断和记录数据，为地面的部件寿命预测提供支持。

（6）决策支持层

决策支持层在机载端考虑对故障及发生异常的处置进行决策支持，给机组和维护人员提供行动指南。

（7）表达层

表达层在机载端考虑实现机载维护系统的人机接口，包括座舱内机组人员使用的人机接口和维护人员使用的便携式人机接口方式。

在地面端机载维护系统需要考虑的功能包括三方面的内容。一是飞行和维护数据分析功能。通过对历史故障数据、地面诊断模型、知识库数据的处理，包括数据挖掘、数据融合、故障预测、健康状态评估。这些可以认为是跨过数据获取层、数据处理层、状态监测层、健康评估层和预测层。二是维修决策支持，以健康评估和故障预测结果为依据，形成维修计划和维护数据库，以指导维修活动。三是建立地面健康管理人机接口[5-7]。

2.3基于信息系统处理平台的系统架构

机载信息系统（airborne information system， AIS）处理平台是新兴的机载系统，它通过与机载数据网络的高效集成，提供包括飞机通用信息、驾驶舱信息、维护信息和视频音频监视信息的高集成度信息化平台[8]。新一代民用飞机机载维护系统的核心处理可以考虑建立在机载信息系统处理平台之上，充分利用其提供的丰富资源。图4为基于机载信息系统处理平台的OMS系统架构。机载维护系统可利用平台资源包括以下5方面内容。

（1）模块化通用计算处理环境

机载维护系统核心处理软件可以驻留在通用计算处理环境中，利用通用计算处理环境提供的丰富计算资源，如高速CPU、大容量内存、大容量存储、系统服务等。同时由于机载维护系统的研保等级可以是DAL D及以下，因此系统的研制成本可以大大降低。

（2）飞机数据网络的安全网关接口

安全网关将飞机数据网络和机载信息系统平台隔离开来，这样机载维护系统可以安全地访问飞机数据网，而不会带来安全问题。

（3）机上信息大容量存储

相比较综合航电系统（IMA），机载信息系统能够提供更大容量的存储能力，这一点正是可以满足未来机载维护系统对海量维护数据存储的需求。

（4）机场无线通信

机载信息处理平台提供机组无线网络和机场无线网络作为两个无线接入点。飞机在着陆后可以迅捷地接入到机场网络，与地面进行数据交互。便携式设备在地面也可以快捷地通过机组无线网络连接到机载维护系统，方便开展飞机维护活动。

（5）机上显示

机载信息处理平台提供座舱侧显（MAT）、座舱打印机、便携式设备（PMAT）作为机载维护系统的人机接口，分别承担机载维护系统的座舱固定显示、移动设备显示和报告打印输出的角色。

2.4对成员系统的需求

机载维护系统需要覆盖飞机全机的维护保障活动，飞机各系统和设备被视为机载维护系统的成员系统而纳入到机载维护系统体系当中。如图5所示，组成机载维护系统有两个部分：一是成员系统，二是机载维护核心处理系统。成员系统好比人体全身的神经末梢，承担着数据采集处理、故障检测隔离等基础任务；而机载维护核心处理系统好比大脑，综合处理来自飞机各系统的维护数据，形成可支持维护活动的结论并提供给机组和维护人员使用。

成员系统和核心处理系统的协同工作是机载维护系统成功的关键。在成员系统的设计中要考虑5个方面的内容：（1）故障检测、隔离、报告：对于内部故障的检测和隔离；对外部接口故障的检测和报告。（2）故障记录和报告：定义实时报告过程、FDE关联方法、NVM数据记录与访问。（3）地面测试：定义测试过程、测试页面设计方法、测试报告过程；（4）构型数据和报告过程。（5）成员系统数据加载：定义加载管理端与目标机之间的加载协议、加载状态、数据加载显示等数据加载过程，以及建立可加载数据包指南[9]。

从系统层面规范和指导成员系统对核心处理系统的支持，主要包括在线数据存储和通信以及离线数据建模两方面的内容。在线数据存储和通信接口有：（1）周期性BIT、状态参数；（2）加电BIT、异常检测；（3）启动BIT；（4）构型数据；（5）历史数据。离线数据建模则主要包括：（1）在设计阶段，基于测试性、可靠性和安全性分析，利用辅助工具完成模型的开发；（2）状态监测、故障诊断、测试与维护等相关模型的验证与集成；（3）在设计后期和维护使用阶段，通过对产品试验和历史数据的挖掘，不断熟化模型。

3机载维护系统的发展与挑战

今后的机载维护系统会朝着更加综合化、智能化、网络化的方向发展。更多传感器的布局和数据融合技术的应用带来系统综合能力的提高；人工智能算法的成熟和广泛应用带来故障诊断、预测、健康评估、维修方面智能化的提升；网络技术的应用则使得飞机、地面维护、机队、专业维修机构、航空公司、飞机制造商、航空管理部门形成一体化的整体。

机载维护系统技术需要在以下几个方面加大研究力度：（1）采用体系化的设计方法，统筹机载维护系统与成员系统的设计，将设计要求贯彻进全机各系统的设计开发中[10]；（2）强化BIT等基础数据生产者的设计，进一步提高数据源的监测精度，使用可靠的传感器设备[11]；（3）进一步提高预测系统的综合性能，多种故障预测算法相结合可以有效提高故障预测的可靠性，降低故障虚警率[12]；（4）加大机载维护系统仿真验证系统的研制，支撑故障预测算法的开发和验证[13-15]。

4结束语

本文在对民机机载维护系统发展阶段回顾和典型机载维护系统体系架构分析的基础上，就机载维护系统顶层设计所关心的体系结构问题给出了设计内容和方法，包括机载维护系统面向用户目标的功能设计、层次化OSA-CBM功能模型设计、基于机载信息系统处理平台的系统架构，以及对成员系统的需求。同时也指出了未来机载维护系统的发展趋势及需要加大研究力度的关键技术领域。这些对于今后开发民用飞机机载维护系统会有所裨益。

参考文献

[1]吕镇邦，崔广宇，王轶.民用客机健康管理系统[M].上海：上海交通大学出版社，2019. Lyu Zhenbang， Cui Guangyu， Wang Yi. Civil aircraft health managementsystem[M].Shanghai：ShanghaiJiaoTong University Press， 2019. （in Chinese）

[2]吕琛，马剑，王自力. PHM技术国内外发展情况综述[J].计算机测量与控制， 2016， 24（9）： 1-4. Lyu Chen， Ma Jian， Wang Zili. A state of the art review on phm technology[J]. Computer Measurement & Control， 2016， 24（9）： 1-4.（in Chinese）

[3]Aeronautical Radio，Inc. ARINC 624-1 Design guidance for onboard maintenance system[S]. Aeronautical Radio，Inc.，1993.

[4]MIMOSA. OSA-CBM 3.3.1Open system architecture for condition-based maintenance[S]. MIMOSA，2010.

[5]景博，焦曉璇，黄以锋.面向飞机PHM的大数据分析与人工智能应用[J].空军工程大学学报（自然科学版）， 2019， 20（1）： 46-54. Jing Bo， Jiao Xiaoxuan， Huang Yifeng. Massive data mining and artificial intelligence application for aircraft PHM[J]. Journal of Air Force Engineering University （Natural Science Edition）， 2019， 20（1）： 46-54.（in Chinese）

[6]付昕，王菲，熊毅.民用客机PHM地面支持系统体系结构研究[J].计算机测量与控制， 2018， 26（10）： 57-60. Fu Xin， Wang Fei， Xiong Yi. Study of the architecture of the civil aircraft prognostics and health management ground support system[J]. Computer Measurement & Control， 2018， 26（10）： 57-60.（in Chinese）

[7]吕镇邦，沈新刚，王娟.基于系统数据分析的机载诊断模型开发方法[J].电光与控制，2020，27（2）：103-106. Lyu Zhenbang， Shen Xingang， Wang Juan. Development of onboard diagnostic models based on system data analysis[J]. Electronics Optics & Control， 2020，27（2）：103-106. （in Chinese）

[8]张军才，茹伟，胡宇凡.机载信息系统演进路线分析[J].航空计算技术， 2019， 49（3）： 122-129. Zhang Juncai， Ru Wei， Hu Yufan. Analysis on roadmap of airborneinformationsystem[J].AeronauticalComputing Technique， 2019， 49（3）： 122-129.（in Chinese）

[9]崔明明，朱剑锋.机载软件在线维护系统研究与设计[J].航空电子技术， 2017， 48（4）： 27-31. Cui Mingming， Zhu Jianfeng. Research and design on a maintenance system of airborne equipment software[J]. Avionics Technology， 2017， 48（4）： 27-31.（in Chinese）

[10]牟明，牛文生.共性技術在民机机载系统研发中的应用模式研究[J].航空科学技术， 2019， 30（12）： 45-51. Mu Ming， Niu Wensheng. Research on the application mode of generictechnologyinairbornesystemdevelopment[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（12）： 45-51.（in Chinese）

[11]胡亮，张尧.基于PHM的机载模块BIT设计及故障诊断系统构建[J].光电技术应用， 2018， 33（2）： 73-78. Hu Liang， Zhang Yao. Airborne module BIT design and fault diagnosis system construction based on PHM[J]. Electro-optic TechnologyApplication， 2018， 33（2）： 73-78.（in Chinese）

[12]田存英，邱冬.基于范例推理的智能故障诊断在机载系统中的应用研究[J].航空科学技术， 2017， 28（12）： 68-72. Tian Cunying， Qiu Dong. The application research of intelligent fault diagnosis based on CBR in airborne system[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017， 28（12）： 68-72.（in Chinese）

[13]吕镇邦，孙倩，王娟，等. PHM模型的工程化验证方法研究[J].计算机测量与控制，2016，24（9）：281-283. Lyu Zhenbang， Sun Qian， Wang Juan， et al. Research on prognostic and health management （PHM） model verification engineering process[J]. Computer Measurement & Control， 2016，24（9）：281-283.（in Chinese）

[14]邹会荣，吕镇邦，沈新刚.机载维护仿真平台的设计与验证[J].计算机测量与控制， 2019， 27（7）： 214-222. Zou Huirong， Lyu Zhenbang， Shen Xingang. Design and verification for simulation platform of onboard maintenance[J]. Computer Measurement & Control， 2019， 27（7）： 214-222.（in Chinese）

[15]吕镇邦，程玉杰，张选刚，等.机载维护系统仿真激励环境的设计[J].测控技术，2019，38（12）：66-70.Lyu Zhenbang，Cheng Yujie，Zhang Xuangang，et al. Design of simulated excitation environment for onboard maintenance system[J]. Measurement & Control Technology， 2019，38（12）： 66-70. （in Chinese）（责任编辑陈东晓）

作者简介

沈新刚（1968-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：健康管理与软件工程。

Tel：029-88151307

E-mail：xgshen163@163.com

田林（1977-）男，硕士，工程师。主要研究方向：健康管理与软件工程。

Tel：029-88151309E-mail：tlin@avic.com

吕镇邦（1976-）男，博士，高级工程师。主要研究方向：健康管理与软件工程。

Tel：029-88151072

E-mail：lzbang@avic.com

Analysis of Framework for the Civil Aircraft Onboard Maintenance System

Shen Xingang*，Tian Lin，Lyu Zhenbang

AVIC Xian Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xian 710068，China

Abstract： Because the civil aircraft Onboard Maintenance System （OMS） can improve the aircraft safety， and reduce the operation and maintenance cost， the aviation sector increasingly attaches more importance to OMS technology development. But due to the late initiation of domestic commercial aircraft development， the top OMS architecture technology research is still in exploration. The typical structure and system functions of OMS are briefly introduced. Then the methods and designs for high level top architecture of OMS are provided， including system function design based two-level user objectives， the hierarchical OSA-CBM function model， the OMS architecture based on Airborne Information System（AIS） processing platform， and the interface requirement for OMS member systems. Finally， according to the characteristics of OMS， the application and development of future OMS technology are discussed. The research on OMS architecture will have important reference value for the development of OMS for new generation civil aircraft.

Key Words： onboard maintenance system； health management； fault diagnosis； fault prediction； architecture