民用飞机机电综合管理系统分析

没得比

上海飞机设计研究院电气系统设计研究部 孙欢庆

　　随着人们对民用飞机的飞行品质、安全性、舒适性和经济性要求的不断提高，民用飞机制造商应用大量先进技术满足民用飞机发展的需求，其中综合航电系统占有重要地位和份额，而基于综合航电网络的机电综合管理系统成为新的研究热点。

　　民用飞机航空电子系统逐步呈现以下特点：采用综合模块化航空电子系统(IMA)的构型;先进的座舱显示控制技术;智能化的设计;基于性能导航;飞行健康管理系统;现代化的客舱管理系统;无纸化运行技术;语音识别技术等。由于机电系统的特殊性，与航电系统融合来优化整机的经济性和维修性等指标变得越来越重要。

　　一、国内外发展状况

　　当今先进民用飞机的机电综合管理系统都是基于航电系统平台，采用开放式结构、集成模块化航空电子设备和先进数据总线等最新技术，系统的集成度越来越高，功能也越来越强大。下文将分别对空客A380和波音787先进的综合航电系统进行介绍。

　　1、空客A380综合航电系统

　　空客A380飞机综合航电系统(图1)使用了IMA架构，采用了商用货价产品(CTOS)技术和Integrity-178B操作系统。

图1 ：A380飞机综合航电系统架构

　　A380共有30个外场可更换模块(LRM)，通过AFDX网络进行连接，实现4个功能区的控制：驾驶舱IMA综合了传统的航空电子系统等;客舱IMA综合了环控、客舱信息分发系统、盥洗室等;能源IMA综合了电源、液压、引气等;公共设备IMA综合了起落架、燃油、前轮控制等。由于飞行控制和发动机控制系统是A级系统对飞机安全性影响很大，目前未综合到IMA/AFDX系统架构中[2]。

　　2、波音787综合航电系统

　　波音787飞机也采用了开放式结构(图2)，它的综合航电系统主要由通用核心系统(CCS)组成，它包括2个通用计算设备(CCR)、10个通用数据网(CDN)和18个远程数据采集器(RDC)等。它除了传统意义的航电系统综合外，还综合有以下机电系统功能：环控系统空调、压调、冷却控制及指示、风挡加热;电源系统控制及指示、二次配电控制;燃油系统油量测量、指示及惰化系统;液压系统控制及指示;起落架收放、前轮转弯控制及指示和刹车部分功能;客舱系统的厨房、水废水、氧气系统等;发动机APU的防火探测和灭火控制及指示;发动机反推控制及指示。

图2：波音787飞机综合航电系统架构

　　3、大型客机的综合航电系统

　　目前国内在研的国产大飞机采用与波音787类似的航空电子架构，综合了传统航电系统的部分功能，而在机电系统综合方面，只进行了水废水系统功能的驻留。

　　二、研究进展

　　从两种先进的飞机综合航电系统介绍中可以看到，国外民用飞机的系统综合已经达到相当高的水平。对于未来的国产远程客机而言，应在系统综合的理念和方法上进行创新，并在部分关键技术上寻求突破，以达到目前先进民用飞机系统综合化水平。机电综合管理系统的概念正是基于此背景提出的，由于我国民用航电设备水平和集成能力的限制，学习竞争机型在航电平台进行大规模机电系统集成风险较大，可能导致非重要系统的开发和集成问题，导致整个航电核心平台的延迟，并且由于机电系统信号和控制的特殊性，航电系统的通用RDC在机电系统综合上无太大优势，基于IMA平台、专用/通用RDC和RPDU架构的机电综合管理系统理念，以牺牲较小的重量代价来获得系统集成较好的收益。

　　1、研究目标

　　远程宽体客机的机电综合管理系统是以IMA架构和分布式实时信号传输网络为基础，通过对系统和网络资源的共享、合理配置与管理，实现不同安全等级的机电子系统功能的综合以及信号的采集、集中传输和实时控制，从而提高机电系统的信息和设备的共享与管理;提高系统可靠性和飞机维修性，降低维护成本;减少系统LRU的数量;减少全机导线的数量，降低布线复杂度。

　　2、综合原则

　　对于需要有快速闭环处理的系统功能，原则上不综合，除非设备供应商提供快速闭环RDC;对于有大量输入输出信号的系统功能，原则上要求被综合;对于计算量大、占用较多处理器和内存资源的系统功能，需具体分析计算机的资源分配来确定是否应该被综合;对于B级和B级以下的系统功能原则上都要求被综合，除非某些功能具有比较特殊的信号类型。

　　3、综合功能

　　机电综合管理系统综合如下机械系统全部功能或部分功能：(1)空调系统;(2)电源系统(部分功能);(3)防火系统;(4)燃油惰化系统;(5)液压系统;(6)防冰系统;(7)起落架系统;(8)舱门系统;(9)水废水系统;(10)其他机械系统功能。

　　4、系统架构

　　机电综合管理系统以航电IMA和高速网络为平台，利用远程配电装置RPDU(包括固态功率控制器SSPC)和远程接口控制装置RDC为远端载体，实现对宽体客机大部分机电系统的综合信号处理、监控和控制。该架构提供大部分机电系统的功能集成：(1)系统控制软件的功能驻留;(2)通用传感器信号采集、处理;(3)特殊传感器信号采集、处理，如接近传感器、油量传感器等;(4)集成远程配电逻辑的信号采集装置;(5)集成控制逻辑的远程配电装置;(6)快速闭环处理器与RDC的交联，如刹车控制器和转弯控制器等。

　　5、驻留应用开发

　　驻留应用在开发过程中定义了接口和系统的约定，以使给定的驻留应用驻留在给定的平台上。主要完成的工作包括：确定和量化需要的IMA平台资源;将驻留系统的安全性要求映射到IMA平台的安全性评估和能力上;定义驻留应用的功能/接口需求;确定外部专用资源和设备鉴定等级;将应用综合到平台上，并进行软件/平台的综合测试。

　　传统意义上，驻留应用的开发应由系统供应商在平台供应商提供的平台上进行开发，系统供应商负责DO-297规定的Tasd2阶段工作，并对驻留应用的开发结果负责。但这种开发过程协调关系和数据交互会变得极其复杂，开发试验平台浪费较严重，现阶段逐步向系统供应商提供需求、平台供应商或第三方软件认证供应商进行开发的方式转变。

　　6、远程接口装置

　　远程接口单元主要实现传感器的信号采集、处理和输出，还要输出控制指令到作动器或者激励线圈。另外，远程接口单元还需要集成网络支持模块以实现与计算机处理平台和网络交换机的通信。

　　对机电综合管理系统而言，远程接口装置与传统的远程接口装置有所不同，需考虑机电系统的特殊性，定制和开发不同类型的接口控制装置，并考虑分布式IMA的设计理念，在远端进行简单控制逻辑的就近处理和控制输出，将逻辑结果传输到IMA中。

　　(1)种类1：远程数据接口提供通用的接口处理功能和离散驱动功能，可根据用户系统进行裁剪。另外，根据用户系统的需求，此类RDC具备远端进行较简单逻辑的实现功能，具体模块将根据用户系统需求进行配置。

　　(2)种类2：此类接口装置完成接近传感器的信号处理功能，使用该类型传感器的系统包括舱门、起落架舱门及轮载信号、飞控扰流板、发动机反推等，初步计划采用分布式RDC进行就近信号处理并传输到航电网络。

　　(3)种类3：此类接口装置就近完成信号的处理和小功率电源的配电控制功能(<1A)，此类装置采用开放式标准LRM架构，具备可扩展和可替换性。

　　(4)种类4：此类接口装置是燃油系统专用RDC，用以收集油箱内各传感器信号。

　　(5)种类5：此类接口装置是快速闭环RDC，如刹车控制器和前轮转弯控制器，此类设备由于传感器的处理和控制需要在极短时间内完成，其闭环控制功能在专用RDC中完成。

　　(6)其他：普通SSPC板卡通过RDC与网络进行交互，具备信号处理功能的RPDU直接与网络进行交互，另外RPDU需考虑特殊的需求，如接地故障要求。RPDU技术用以综合包括设备供电、供电逻辑和接地故障保护等。其他未综合系统(如飞控或动力等)如为A429设备，则通过RDC与机电综合管理系统网络进行交互;如为A664设备，则直接通过航电网关进行交互。

　　三、难点及关键技术

　　远程宽体客机采用上述技术体系后，基本能够达到现役波音787飞机和A380飞机的水平。目前国内集中式IMA硬件平台的水平已经极大提高，基本能够满足相关的硬件需求，但国内机电综合管理系统仍有部分关键技术需要突破。

　　1、开放式软件集成技术

　　系统结构的开放性必然会导致软件接口的开放性。由于采用模块化硬件平台，需根据电子技术的发展裁剪升级相应的硬件平台，因此软件的系统结构必须能够通过升级方式来支持未来的机电综合系统平台。为此，航空电子软件系统需要实现两个主要目标：一是搭建可重构的软件框架;二是建立可重用的应用程序组件。

　　目前，国内对于操作系统软件开发和驻留应用的大规模开发集成还存在一定的技术和经验差距。操作系统提供的基础能力包括应用程序接口、健康监控和故障管理等应特别予以关注。另外，驻留应用的开发应利用增量认可的方式来支持信任累积，并保证应用之间的健壮分区以避免程序之间的相互影响。

　　2、系统设计验证技术

　　目前，机电综合系统的开发需要遵循ARP4754A和DO-297的相关要求，系统设计验证过程需确保对IMA系统特定需求的实现得到满足，以确保在所有级别上的需求都正确、完整地得到实现来保证实现的措施是正确的，并且验证过程要保证在所有级别上的需求都是完整的、可追踪的、准确的、可验证的和无歧义的。IMA系统认证的另一个重要方面是通过获得对IMA平台、模块或驻留应用的增量认可与认证信任，累积达到IMA系统在飞机上的安装批准直到获得认证通过。

　　目前，国内对于机电综合系统的验证还未按ARP4754A走过完整的需求及验证流程，其中有很多技术难点和认证方法并未掌握，有待于进一步探索实施。

　　四、发展趋势

　　1、分布式IMA

　　根据RTCA  DO-297中所述，分布式综合模块化航空电子系统是一种充分利用确定性和高完整性通信功能的IMA架构。相比现有的IMA设计，分布式IMA架构能够更好地支持重新配置、预测性维护、增量升级和认证，使OEM厂商和系统集成商能够开发真正模块化、可扩展和优化的集成架构，同时降低系统复杂性和产品全生命周期成本。

　　分布式IMA将不同的IMA模板分布于飞机的各个区域、I/O接口和控制靠近作动器和传感器并且按集成区域划分，分布式IMA可以带来以下效益：(1)节省重量、体积、能耗和冷却气体需求;(2)减少备用板块数量;(3)更加灵活，可扩展性好，后续功能驻留更新更加方便，对平台影响小。

　　目前，国内分布式IMA技术尚不成熟，对于机电综合管理系统而言，分布式IMA的研究更具有重要意义，可以与TTE分布式实时网络结合形成新一代的DIMA系统。

　　2、TTE网络

　　TTE是在IEEE802.3以太网上实现的时间触发网络协议，在整个网络中建立一个全局统一的始终，各个终端之间的通信基于网络中全局时间来进行，有确定的通信延迟和时间偏移。TTE总线能够满足高等级的航空航天应用需求，可支持100Mbps和1000Mbps速率，可满足实时系统和非实时系统的需求[5]。

　　目前，TTTech公司已开发完成并提供相应的软硬件和附加网络服务。这种技术的问世使得整个网络系统可变成一台分布式容错硬实时计算机，能够处理不同临界状态的多个分布式功能。分布式应用程序可驻留在任何计算模块内，并可进行配置，以硬实时访问所有传感器和作动器。

　　机电系统的综合可以大大减少电子设备的重量和体积，能够显著提高飞机的可靠性、维修性和燃油经济性，并且显著提高机电系统的先进程度和可测试性。机电系统的综合已经成为民用航空电子的发展趋势，必将对未来民用飞机发展产生深远影响。