(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?！禔RINC 604機內(nèi)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(nèi)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(jīng)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(chǎn)生發(fā)展至今大概經(jīng)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(wǎng)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(nèi)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(nèi)機載航空電子系統(tǒng)發(fā)展的限制，國內(nèi)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(nèi)機載維護系統(tǒng)的發(fā)展仍需經(jīng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(diào)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(diào)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(diào)、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(qū)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(nèi)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(qū)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(diào)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?qū)崟r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?qū)⒐收闲畔⑾聜鞯孛?，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(wǎng)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(zhì)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(zhuǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡(Common Data Network，CDN)由ARINC 664遠程網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(nèi)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(jīng)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(nèi)，相關信息單獨顯示。分立式機載維護設備具有一定的機內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(qū)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)絡交換機組合在一個機柜內(nèi)，將遠程數(shù)據(jù)集中器(RDC)和其余的ARINC 664網(wǎng)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(wǎng)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(zhuǎn)換，減少中央處理平臺對模擬量和離散量的需求，通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字式的端到端的系統(tǒng)，形成機載系統(tǒng)網(wǎng)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。現(xiàn)代飛機航電系統(tǒng)經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)化方向發(fā)展。