一种机载维护系统故障诊断仿真系统及故障诊断仿真方法与流程

本发明涉及民用航空，具体涉及新研民用大型客机机载维护系统设计中的关键技术研究与验证，尤其是涉及一种机载维护系统故障诊断仿真系统及故障诊断仿真方法。

背景技术：

1、根据arinc624标准的定义：机载维护系统（onboard maintenance system, oms）能实时对飞机各成员系统进行故障探测、故障处理、故障分析和故障整合。oms系统功能决定了其与全机几乎所有的系统均有交联，是新研大型民用飞机设计重难点之一。在智能维护与预测性维护的背景下，oms还是新研国产民机交付运营的重要支撑点，其客户化配置工具能充当空中运营维护与地面运营数据分析的媒介，故针对oms系统的关键技术研究对新研国产大飞机具有重要意义。

2、目前欧美国家对于oms的研究广泛而深入，以典型宽体客机a350与b787展开分析：空客飞机的oms系统包括中央维护系统、飞机状态监控系统、数据机载与配置系统以及飞机运营维护分析系统；波音飞机的oms系统包括中央维护计算功能、飞机状态监测功能、机载数据加载功能、机载储存管理功能以及飞机健康管理功能。由于国内民机研制起步较晚，c919和arj21飞机均选用国外供应商产品，故oms在国产飞机中对供应商依赖较强。

3、目前，国内机载维护系统研究在数字化、信息化及智能化水平还有待提高，主要存在以下问题：1）缺乏有效的故障预测方法。传统的故障诊断方式主要是采用机务故障诊断方式是定期故障诊断体制，这种方式虽然比较简单，但是却无法对飞机的健康状况进行预测分析；2）缺乏准确的故障状态识别方法。传统的故障诊断中采用硬件冗余设计，通过双余度技术可以检测到故障的产生，但难以准确判断具体的故障信息；3）缺乏故障原因综合分析方法。机载维护系统获得传感器信号，只能表征飞机目前或一个时期的状况，无法对故障原因、飞机使用寿命等做出综合性判断；4）缺乏有效的仿真系统进行关键技术研究与验证。现在的故障诊断源头是从数据集开始诊断，不能有效进行故障注入、故障数据更改以及故障动态复现；5）缺乏多种方式可选择的综合诊断系统。传统的故障诊断只针对数据集，并使用的是单一方法诊断。因此，针对现阶段机载维护系统国产化研究存在的问题，有必要开展民机机载维护系统故障诊断仿真系统研究。通过该民机机载维护系统故障诊断的仿真系统，实现对机载维护系统的关键技术研究与验证，进而提升我国机载维护系统的技术水平。

4、根据目前国内技术的现状，国产大飞机制造商提出了“总体可比、适度差异、亮点突出、优势明显”的指导原则，新研飞机的oms系统研发迫在眉睫。oms系统对于设计端而言，机载维护系统作为所有机载系统的上层系统，需要与飞机所有系统进行交联，同时还需要对各个系统之间的故障级联进行分析、判断，这使得机载维护系统设计变得异常复杂；oms系统对于运营端而言，机载维护系统在航司运营维护中处于核心地位，状态监控及故障诊断功能可以实现机载端绝大部分故障隔离。因此，开发出基于模型的机载维护系统故障诊断仿真系统及故障诊断仿真方法用于机载维护系统故障诊断方面的研究就显得尤为重要和迫在眉睫。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提供一种可实现机载维护系统成员系统仿真、可提供源源不断的故障数据来源、并能通过故障注入改变模型状态、更改产生的数据集及其故障状态的基于模型的机载维护系统故障诊断仿真系统。该故障诊断仿真系统可以模拟机载维护系统成员系统完全故障、甚至是离线的情况，可覆盖民机50种典型故障情况。该故障诊断仿真系统能够在线监控成员系统，能模拟真实飞机在线实时监控，使用地面配置工具确定配置参数，并将参数信息上传到机载维护系统，将监控到的参数信息进行数据可视化显示，并分别设置不同参数的阈值，当参数发生超限事件时，发出告警并提示可能的故障信息。该故障仿真系统还能提供基于故障树（fault tree analysis, fta）传播模型的级联故障消除功能，能够模拟消除飞行过程中产生的冗余关联故障，并按照故障严重等级进行排序显示，进而为机载维护系统的研发与验证提供关键技术支持。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机载维护系统故障诊断仿真系统，其包括仿真管理模块、成员系统仿真模块、中央维护计算机模块、状态监控模块、数据存储模块、故障显示模块；

3、所述仿真管理模块用于初始化机载维护系统故障诊断仿真系统，并发送综合控制指令到成员系统仿真模块，控制仿真开始、终止、单步长运行以及故障注入；所述成员系统仿真模块用于仿真机载维护系统中各成员系统功能和模拟故障诊断bit（内部测试，built-in test）自检；所述中央维护计算机模块用于接收成员系统仿真模块处理发送的数据，并分析出故障结果发送给数据存储模块进行存储；所述状态监控模块采用状态监控与告警算法读取成员系统仿真模块中各传感器数据，并进行数据提取、监控与告警，同时状态监控模块还将获得的数据发送给数据存储模块进行储存；所述数据存储模块用于存储中央维护计算机模块和状态监控模块发送来的数据；所述故障显示模块用于显示故障报告，该故障显示模块与所述数据存储模块相连。

4、优选的技术方案，所述故障显示模块可读取数据存储模块中的数据，并以图形化或者表格化形式显示故障报告；所述仿真管理模块包括仿真管理客户端和综合控制软件；所述仿真管理客户端用于客户端的仿真管理，所述综合控制软件用于对机载维护系统故障诊断仿真系统的集中式控制管理。

5、优选的技术方案，所述成员系统仿真模块包括机载系统仿真模块、仿真网络、算法选择模块、故障隔离模块；

6、所述机载系统仿真模块用于模拟机载维护系统中各成员系统状态、典型飞行场景、各种机载传感器、并作为故障数据激励源为机载维护系统故障诊断仿真系统注入故障数据；所述仿真网络用于作为数据软总线，负责连接各个模块之间传递数据；所述算法选择模块用于接受仿真网络传递过来的控制指令，根据使用场景选择故障隔离模块中合适的故障诊断算法进行故障诊断；所述故障隔离模块用于模拟bit自检，检查是否发生故障，并隔离机载维护系统中各成员系统的故障。

7、优选的技术方案，所述机载系统仿真模块包括故障注入模块、io接口仿真模块、航电仿真模块、非航电仿真模块、飞行仿真系统、飞行场景选择模块；所述io接口仿真模块负责机载系统仿真模块内部各模块之间的数据交互，并负责与仿真网络之间的数据交互；所述飞行场景选择模块用于控制飞行仿真系统中飞机的飞行阶段、飞行状态、以及改变飞机所处飞行场景。

8、优选的技术方案，所述故障注入模块可模拟典型民机的50种故障（液压泄露、gps信号丢失、作动器故障、传感器零飘等）；所述io接口仿真模块按照icd（接口控制文件，interface control document）文件进行仿真配置。

9、优选的技术方案，所述航电仿真模块包括飞控系统仿真模型、自动飞行系统仿真模型、通信系统仿真模型、导航系统仿真模型。

10、优选的技术方案，所述非航电仿真模块包括起落架系统仿真模型、电源系统仿真模型、防火系统仿真模型、动力系统仿真模型、apu（辅助动力系统，auxiliary power unit）系统仿真模型、燃油系统仿真模型、空调系统仿真模型、气源系统仿真模型、液压系统仿真模型、舱门系统仿真模型、防冰系统仿真模型、照明系统仿真模型。

11、优选的技术方案，所述故障隔离模块包括单特征诊断、多特征诊断和多维度特征诊断；

12、所述单特征诊断模块接收来自机载系统仿真模块的数据后，先对数据进行滤波、降噪处理，再对数据进行cnn(卷积神经网络，convolutional neural networks)处理，再对cnn处理后的数据进行采样后进行lstm网络梳理；在所述lstm(长短期记忆，long shortterm memory)网络梳理的过程中，采用粒子群算法或者遗传算法或者蚁群算法对lstm网络参数进行优化；经单特征诊断模块处理的数据发送给中央维护计算机模块进行故障趋势预测；

13、所述多特征诊断接收来自机载系统仿真模块的数据后，先将数据进行小波变换，再进行故障模式贴近度对比，然后基于lance距离对数据进行加权，再进行lstm网络梳理，再进行bp神经网络和证据理论的数据融合算法；经多特征诊断的数据发送给中央维护计算机模块进行故障状态诊断；

14、所述多维度特征诊断可接收来自机载系统仿真模块的数据，还可外接输入辅助文档信息；所述多维度特征诊断接收来自机载系统仿真模块的数据后，先将数据进行小波变换，再进行故障模式对比，然后基于lance距离对数据进行加权，再进行lstm网络梳理；所述多维度特征诊断将输入的辅助文档信息的非结构化数据变成结构化数据，并对比其冲突性、差异性及不确定性，再采用ahp层次分析法分析各指标的可信度；最后所述多维度特征诊断将lstm网络梳理后的数据与经ahp层次分析法处理后的数据采用bp神经网络和证据理论的数据融合算法，发送给中央维护计算机模块进行故障状态及原因分析。

15、优选的技术方案，所述中央维护计算机模块包括级联故障消除算法模块和驾驶舱效应关联模块；

16、所述级联故障消除算法模块，用于接收来自成员系统仿真模块处理过的数据，并使用级联故障消除算法，消除可能存在的级联故障，使得故障条目减少，并将分析结果发送给驾驶舱效应关联模块；

17、所述驾驶舱效应关联模块用于将经过级联故障消除算法模块处理后的数据与驾驶舱告警数据相关联结合，并将关联结合后的数据发送给数据储存模块。

18、本发明的再一目的是提供一种机载维护系统故障诊断仿真方法，其包括以下步骤：

19、仿真管理模块初始化机载维护系统故障诊断仿真系统，并发送综合控制指令到成员系统仿真模块，控制仿真开始、终止、单步长运行以及故障注入；

20、成员系统仿真模块仿真机载维护系统中各成员系统功能和模拟故障诊断bit自检；

21、中央维护计算机模块接收成员系统仿真模块处理发送的数据，并分析出故障结果发送给数据存储模块进行存储；

22、状态监控模块采用状态监控与告警算法读取成员系统仿真模块中各传感器数据，并进行数据提取、监控与告警，同时状态监控模块还将获得的数据发送给数据存储模块进行储存；

23、数据存储模块存储中央维护计算机模块和状态监控模块发送来的数据；

24、故障显示模块读取数据存储模块中的数据，并以图形化或者表格化形式显示故障报告。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、1、本发明的机载维护系统故障诊断仿真系统及其故障诊断仿真方法，能实现机载维护系统成员系统仿真，为机载维护系统中的故障诊断提供源源不断的数据来源，并能通过故障注入改变模型状态，更改产生的数据集及其故障状态，能真实实现对机载维护系统的仿真，为更好的研发机载维护系统的故障诊断提供研发基础和可行性判断。通过本发明的故障仿真系统及故障诊断仿真方法可实现对机载维护系统的关键技术研究与验证，进而提升机载维护系统的研发技术水平。

27、2、本发明的机载维护系统故障诊断系统中采用国际通用的数据软总线（datadistribution service, dds）作为仿真网络，其热插拔的特性可以使个成员系统仿真模型可配置与解耦合，可以模拟机载维护系统成员系统完全故障、甚至是离线的情况，可覆盖民机50种典型故障情况。

28、3、本发明能够在线监控成员系统，能模拟真实飞机在线实时监控，使用地面配置工具确定配置参数，并将参数信息上传到机载维护系统，将监控到的参数信息进行数据可视化显示，并分别设置不同参数的阈值，当参数发生超限事件时，发出告警并提示可能的故障信息。

29、4、本系统还能提供基于故障树（fault tree analysis, fta）传播模型的级联故障消除功能，能够模拟消除飞行过程中产生的冗余关联故障，并按照故障严重等级进行排序显示。

30、5、本发明还可进行驾驶效应关联，让故障信息关联驾驶舱提示声音、颜色及震动效果。

31、6、本发明还提供基于多信息融合的机载维护系统故障诊断模拟，并提供可选的单特征信息融合诊断模拟。

32、7、本发明的机载维护系统包括成员系统仿真模型构建。建立与机载维护系统交联的成员系统数字仿真模型，为机载维护系统故障诊断仿真验证提供数据支撑，包括：飞机本体仿真模型、自动飞行系统仿真模型、飞控系统仿真模型、起落架系统仿真模型、导航系统仿真模型、动力系统仿真模型等。

33、8、本发明的故障诊断仿真系统具有算法选择模块和故障隔离模块。可以针对机载维护系统数据仿真出来的结果，研究基于多信息融合的机载维护系统故障诊断技术。包括：基于单特征信息融合的故障诊断，实现故障的实时判断和单特征故障预测；基于多特征信息融合的故障诊断，实现故障多状态识别和多特征故障预测；基于多维度信息融合的故障诊断技术，实现故障原因综合分析。

34、9、本发明的故障诊断仿真系统具有机载维护系统状态监控功能。可仿真分析真实机载维护系统状态监控功能，确定机载维护系统状态监控的参数，将监控到的参数显示到监控屏幕上，并分别设置不同参数的阈值，当参数发生超限事件时，发出告警并提示可能的故障信息。

35、10、本发明的仿真系统，可以仿真机载维护系统的中央维护计算机模块，参照机载维护系统级联故障消除。仿真出基于故障树传播模型，开发机载维护系统级联故障消除功能，消除飞行过程中产生的冗余关联故障。