硕士论文-基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究

硕士论文基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究南京航空航天大学硕士学位论文基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究姓名卿立勇申请学位级别硕士专业交通信息工程及控制指导教师黄圣国20070101南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文对基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统进行了研究与开发通过飞行数据译码及飞行数据应用及时了解飞机运行状态获得故障信息以基于案例推理的故障诊断专家系统收集总结和推广飞机维修专家的宝贵经验提高故障诊断水平部分起到维修专家的作用本文的主要工作为1设计了飞行数据译码和飞行数据应用子系统提出的基于动态链表的译码算法可以高效地按照用户的需求对飞行参数译码设计了驾驶舱仪表显示再现飞行参数变化曲线图起飞降落三维仿真和超限报告等多种飞行数据应用方式支持飞机故障预测与故障诊断便于机务维修人员获取飞机故障信息2建立了基于案例推理的飞机故障诊断专家系统本文详细研究了面向对象的案例表示技术和分散组织的案例表示结构本系统改进了案例相似度算法采用分级检索与最近相邻算法相结合的检索策略并提出了基于案例相似度的案例学习方法本系统不仅满足对飞机故障预测与诊断的要求而且较好地模拟了专家的故障诊断能力在一定程度上克服了现有飞机故障故障诊断方法存在的问题3在ORACLE9I平台上用BORLANDCBUILDER60开发了基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统原型收集了航空公司的飞机故障案例以66个航班的飞行数据作为原始数据验证了原型的良好运行关键词飞行数据译码OPENGL三维仿真故障预测故障诊断案例推理I基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究ABSTRACTTHETHESISHASSTUDIEDANDDEVELOPEDTHEAIRPLANEFAULTPROGNOSISANDDIAGNOSISSYSTEMBASEDONFLIGHTDATATHEUSERSWILLGETACQUAINTEDWITHTHESTATUSOFAIRPLANESYSTEMINTIMEANDWELLINFORMEDBYTHEFAULTSIGNSAFTERDECODINGANDANALYSISOFFLIGHTDATAITPROVIDESACASEBASEDREASONINGEXPERTSYSTEMWITHTHEPURPOSEOFCOLLECTINGSUMMARIZINGANDPROPAGATINGEXPERTISEWHICHCONSEQUENTLYIMPROVESTHEQUALITYOFFAULTDIAGNOSISANDTAKESTHEPLACEOFMAINTENANCEEXPERTSINAMANNERTHEMAINACHIEVEMENTSINTHISTHESISARE1THEFLIGHTDATADECODINGANDAPPLICATIONSUBSYSTEMHASBEENDESIGNEDTHENEWDECODINGALGORITHMBASEDONDYNAMICLISTCANDECODEALLFLIGHTPARAMETERSACCORDINGTOTHEUSERSREQUIREMENTSTHEFLIGHTDATAAREUSEDINTHEWAYSOFPILOTSPANELSANDDISPLAYSIMULATINGPARAMETERCURVINGTAKEOFFANDLANDINGSIMULATINGANDPARANORMALREPORTINGINTHISWAYTHEGROUNDMAINTENANCECREWCOULDKNOWWELLABOUTTHEAIRPLANEFAULTS2ACASEBASEDREASONINGEXPERTSYSTEMFORAIRPLANEFAULTDIAGNOSISHASBEENCONSTRUCTEDTHETHESISAPPLIESTHEOBJECTORIENTEDTECHNOLOGYFORCASEREPRESENTATIONANDDISTRIBUTEDSTRUCTUREFORITINDETAILTHESYSTEMIMPROVESCASECOMPARABILITYALGORITHMANDUSESTHECASERETRIEVALTECHNIQUEWHICHMADEUPOFTHEREDUCINGINDIFFERENTLEVELSACCORDINGTOSOMETACTICANDTHENEARESTNEIGHBORMETHODTHECASELEARNINGMETHODBASEDONCASECOMPARABILITYISALSOINTRODUCEDTHISSYSTEMNOTONLYWELLMEETSTHEREQUIREMENTSFORFAULTPROGNOSISANDDIAGNOSISBUTALSOSIMULATESTHECAPACITIESOFEXPERTSFAULTDIAGNOSISTOAGREATEXTENTTHEDEFICIENCIESOFCURRENTAIRPLANEFAULTDIAGNOSISMETHODSHAVEBEENOVERCOMEINSOMEWAY3THESYSTEMPROTOTYPEHASBEENDEVELOPEDBYMEANSOFBORLANDCBUILDER60ANDORACLE9ISOMEAIRPLANEFAULTCASESAREADDEDINTOTHECASEDATABASETHEFUNCTIONOFTHESYSTEMPROTOTYPEHASBEENVALIDATEDBYTHEUSEOFTHEFLIGHTDATAFROM66SCHEDULEDFLIGHTSKEYWORDFLIGHTDATADECODINGOPENGL3DSIMULATIONFAULTPROGNOSISFAULTDIAGNOSISCBRII承诺书本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果尽我所知除文中已经注明引用的内容外本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体均已在文中以明确方式标明本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或其他复制手段保存论文保密的学位论文在解密后适用本承诺书作者签名日期南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论11飞机故障诊断的发展概况对民航业来讲航班安全正点是其追求的首要目标它不仅会影响到民航企业的形象及经济利益也是保障旅客与机组人员人身安全及公私财产不受损害的重要前提虽然影响航班安全正点的因素有很多诸如飞行员操作能力飞机系统故障维修质量机场设施空中交通管理天气油料旅客等等但是飞机系统故障和维修质量是其中最主要的影响因素现代大型客机作为一种复杂的机电设备由于人为失误材料缺陷制造误差及使用环境波动等因素的影响以及疲劳磨损和老化等效应的存在使得在飞机运行过程中不可避免地会发13生各种故障所谓飞机故障诊断就是鉴别飞机设备的技术状态是否正常确定故障性质故障部位及故障起因提出相应维修措施以排除飞机故障的过程4是保证航班安全正点的重要的措施目前飞机故障诊断方法可以大体分为两种1传统诊断方法该方法完全基于对故障信息和故障机理的数学处理包括信号处理和建模处5理两大内容信号处理的主要内容是统计分析相关性分析频谱分析小波分析及模态分析等其理论基础是数理统计与随机过程6建模处理的主要内容710是参数估计系统辨识和模式识别理论基础是系统论信息论和控制论2智能诊断方法111213智能诊断在传统诊断的基础上将人工智能的理论和方法应用于故障诊断利用计算机模拟人类专家进行故障诊断以知识处理为核心将知识处理信号处理与数学建模相融合智能诊断的优越性体现在它既保留了传统方法的优势又充分利用了专家的经验和思维模式在故障诊断中的重要作用已经成为飞机故障诊断的主要发展方向目前专家系统是智能诊断系统的主要应用形式之一专家系统是一种智能的计算机程序它能够运用知识进行推理解决只有专家才能解决的复杂问题也就是说专家系统是一种模拟专家决策能力的计算机系统14专家系统的工作过程是一个不断获取和应用知识的过程而知识应有适当的表示方便于在计算机中存储检索使用和修改所谓知识表示技术就是研究在计算机中如何用最合适的形式对系统中所需要的知识进行组织这与问题的性质和推理策略有着密切的关系专家系统区别于常规程序的一个重要标志是它能够运用知识进行推理能够从一种判断推断出另外一种判断不断向目标逼1基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究近目前专家系统的推理方法主要有两种基于规则的推理RULEBASEDREASONING简称RBR和基于案例的推理CASEDBASEDREASONING简称CBR基于案例的推理CBR是人工智能领域新兴的一种推理模式同其它人工智能技术一样CBR也是对人类思想的一种模仿日常生活中人们在处理问题的时候并不是从头开始对整个问题进行分析研究而是回忆以往的经验有无相似问题发生从中找到解决问题的方法CBR正是基于这种思想的推理方法它强调的是通过对过去类似情况的处理来引导解决新的问题过去的类似情况及其处理技术被称之案例CASE过去的案例还可以用来评价新的问题及新问题的求解方案并且对可能的错误进行预防CBR技术反映了人类认知科学研究的新成果强调了人类对过去经验和前人智慧的重视并依靠它们指导解决实际15工作中遇到的新问题专家系统应用于飞机故障诊断已经成为国内外研究的热点文献16利用面向对象的框架知识表示方法开发了针对RB211型发动机的滑油系统的故障诊断专家系统文献17开发了基于因果网络的航空电子设备故障诊断专家系统文献18开发了基于案例的BOEING737发动机故障诊断专家系统文献19和20开发了基于规则的故障诊断专家系统诊断对象分别为发动机运七飞机起落架等文献2122开发了基于模型的发动机故障诊断专家系统以上飞机故障诊断方法和已有的飞机故障诊断系统中有以下两个方面还需要认真研究1针对整个飞机系统的故障预测与故障诊断系统目前的大多数飞机故障诊断系统只是针对飞机的某个特定子系统的故障诊断232425如发动机起落架航空电子设备飞机电源等的故障诊断系统然而飞机系统的故障往往具有非常复杂的关联系统间或飞机部件间会有相互影响而且飞机的维修不单就针对某个系统而言需要对整个飞机系统的故障进行排除因此有必要建立针对整个飞机系统的故障预测与故障诊断系统2如何获取更加丰富的飞机故障征兆现有的飞机故障诊断几乎都专注于如何根据故障征兆排除故障而没有更多地去分析如何获取更多更加详实的故障征兆目前故障征兆多由机务维修人员现场观察机组报告或者通过某些特殊设备检测得到然而飞机的故障具有复杂性和隐蔽性单单靠这些形式往往不能发现许多故障因此如何丰富飞机系统的故障征兆来源对于飞机故障诊断来说意义重大2南京航空航天大学硕士学位论文12飞行数据译码及飞行数据应用概况现代大型飞机上都装载有飞行记录器和QARQUICKACCESSRECORDER系统26飞行记录器包括飞行数据记录器FDR和驾驶舱话音记录器人们称之为黑匣子QAR是飞机机载记录系统中的快速存储装置与FDR的作用相似但通常以数据磁盘作为数据存储介质实现了飞机飞行数据的便利存取弥补了飞行记录器不便于转录的缺点飞行数据飞行参数就是FDR或QAR记录的飞行通讯数据飞机姿态信息飞机各系统发动机的运行状态数据飞行数据是按照某些特定的格式以二进制数据记录于FDR或QAR中的飞行数据译码的任务2728就是将这些值还原为对应飞行参数的十进制值供航空公司各部门使用随着航空业的发展FDR或QAR记录参数的标准也在不断提高在1989年以前生产的飞机上安装的记录器多是记录模拟参数例如B737200300老飞机也仅记录五个参数直到1991年10月国际民航组织ICAO美国联邦航空局FAA等一些民航组织机构提高了记录参数标准强制性要求1991年以前生产的飞机上安装的记录器至少要记录11个类参数1991年以后生产的飞机记录器至少要记录28个类参数1997年再次修改了对飞行数据记录器的记录参数要求并称为97规则1997年颁布的美国联邦航空局FAA文件DEPARTMENTOFTRANSPORTATIONPARTIVL4CFRPARTSL21125129135部中对记录参数进行了如下说明2000年8月18日以后制造的飞机要记录57个类参数在2002年8月19日以后制造的飞机要记录88个类参数等随后一些飞机制造公司纷纷新增或改进记录器的字帧格式例如B737飞机新增73737374系列的标准记录器字帧格式将73712字帧格式改进为7375将737I字帧格式改进为7376以满足97规则29在不断提高飞行数据记录标准的同时如何利用这些丰富的飞行数据来为航空安全服务为提高航空公司效益服务也成为各国民航界争相研究的课题欧美发达国家在这场竞争中已经处于领先地位有TELEDYNECONTROLS公司的TDRSTELEDYNEDATAREPLAYSYSTEM或FLIDRASTELEDYNEFLIGHTDATAREPLAYANDANALYSISSYSTEM美国SIMANTHOR公司的FLIGHTVIZ飞行数据模拟再现软件澳大利亚航空安全局BASI研制的计算机图像系统加拿大航空安全局CASB的飞行数据地面处理站等多套飞行数据译码及应用系统投入使用创造30了良好的经济和社会效益国内民航界对于飞行数据译码及应用也非常重视民航总局在20世纪90年代就颁布了中国民用航空总局适航管理文件AR93001其中具体规定了各型飞机至少要记录的参数名称数量和精度2001年民航总局又参照97规则将该文件进行修订AR93001R2规定了没有达到参数要求的各型飞机必须在3基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究规定的时间内完成改装目前航空公司主要将飞行数据应用于飞行技术评估航安检查飞机发动机性能监控及维护等方面绝大部分飞行数据译码及应用系统都是从国外进口的例如许多公司选择GE提供的SAGE应用软件对发动机进行监控以及用FLIDRAS或TDRS进行飞行数据再现国内也有部分研究单位在进行飞行数据译码及应用研究文献31主要分析了飞行数据的译码原理及应用方式文献32主要实现了飞行数据网络共享文献33主要讨论了飞机状态监控系统ACMS的应用技术文献34主要研究运用飞行数据的飞机三维仿真文献35主要分析了QAR译码在飞机维修中能够发挥的作用还处于摸索阶段文献36主要介绍了如何可靠获取管理QAR数据现有的飞行数据译码及应用系统表现出以下的不足1购买的国外飞行数据译码及应用系统虽然应用非常广泛但是价格昂贵而且只能够监控部分参数比如发动机参数飞行数据表现形式不直观信息之间的关联性比较差2国内大部分译码系统都只能针对特定机型飞行数据译码对用户使用过程中可能提出新的译码需求支持不够通用性可扩展性不好3飞行数据还主要应用于发动机监控和飞行质量评估而在飞机故障诊断方面的应用相对较少没有实用的系统投入使用13本文主要研究工作伴随国内民航事业的迅速发展国内各大航空公司的机对规模迅速扩大飞机维修的任务也越来越重然而培养一个熟练的维修工程师需要七八年甚至更多的时间这样的速度明显不能满足国内航空公司机务维修快速增长的需求在当前国内航空公司缺乏大量熟练技术维修工程师的情况下如何提高整体的维修效率是需要认真考虑的问题通过上文对基于案例推理的专家系统的介绍不难发现基于案例推理是一个能够很好利用专家经验解决问题的方式将飞机维修专家经验以案例的形式存储于案例库中在进行故障预测与故障诊断时充分利用专家经验高效地提供能够适合或接近当前问题的飞机维修专家知识辅助机务维修人员进行飞机维修这样不仅可以集中优良的专家经验缓解维修专家不足的问题而且有利于专家经验的推广使年轻的工程师更加迅速地成长提高整体机务维修的效率和质量要保证飞机的正常运行可以通过对飞机各系统的运行状态进行监控及时了解飞机各系统的可靠度从而根据可靠度来高效地安排维修任务37对飞机系统进行监测飞行数据就是这一观测的对象因为飞行数据包括了飞行通讯数据飞机姿态信息飞机各系统发动机的运行状态数据所以合理应用飞行数据4南京航空航天大学硕士学位论文通过它们来了解系统状态在飞机部件出现故障之前通过监控其对应的飞行参数来判断该部件是否有故障或者故障趋势从而及时为维修提供准确丰富的故障信息便于快速排除故障基于以上分析结合对飞机故障诊断发展状况和飞行数据译码及飞行数据应用情况的分析本文对基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统进行研究与开发飞行数据译码提供详实可靠准确的飞行数据是整个系统正常运行的基础将飞行数据应用于驾驶舱仪表显示再现参数变化曲线起飞降落三维仿真飞行超限报告模块以便及时发现各种故障将故障征兆应用于案例推理子系统获得专家的维修经验如此整个系统就能够良好地运行从而为机务维修服务保证飞机安全正常运行本文的主要工作为1对飞行数据译码和飞行数据应用进行探讨与研究首先提出基于动态链表的译码算法解决了以往研究的译码系统通用性不好扩展性不好的问题改善了进口译码系统译码参数不完全的问题能够满足国内航空公司的大部分需求同时运用SQLLOADER技术实现译码后工程值高效导入ORACLE数据库服务器便于其他模块应用飞行数据设计飞行参数变化曲线驾驶舱仪表显示再现起飞降落三维仿真和飞行超限事件等多种飞行数据应用形式便于机务维修人员从中获取飞机的故障征兆信息从而为案例推理子系统提供详实的故障征兆信息缓解了现有故障诊断系统缺乏飞机系统故障征兆来源的问题2建立基于案例推理的飞机故障诊断专家系统在分析飞机故障特点的基础上灵活采用面向对象的案例表示技术分散组织的案例表示结构以便于飞机故障案例的维护与检索改进案例相似度算法运用分级检索与最近相邻算法相结合的检索策略提高案例检索效率提出基于案例相似度的案例学习策略进一步增强系统的适应能力系统不仅能够完成高效的案例推理而且提供良好的用户界面便于进行案例库的更新与维护此系统将飞行数据很好地应用于飞机的故障预测与故障诊断为飞机维修服务一定程度上弥补了现有飞机故障诊断系统在这方面的不足3开发系统软件利用以上研究成果本文以ORACLE9I作为后台数据库服务器使用BORLANDCBUILDER开发客户端软件最终完成整个系统的开发本系统现已添加了部分飞机故障案例并完成66个航班的飞行数据译码及应用5基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究14本文内容安排本文总共有六章具体安排如下第一章阐述本文的研究背景分析了飞机系统故障诊断的现状结合当前飞行数据译码及应用的状况以及存在的问题概述了本文的主要研究工作第二章介绍基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统的总体设计详细介绍了系统设计目标开发平台及开发工具系统总体结构及各组成部分的功能与特点第三章研究飞行数据译码及飞行数据对飞机故障预测与诊断支持子系统详细介绍了新型飞行数据译码技术基于动态链表的译码技术同时研究了飞行数据查询驾驶舱仪表显示再参数变化曲线图飞机起飞降落三维仿真和飞行超限事件报告五个模块的实现技术以及对飞机故障预测与诊断支持中的应用第四章介绍基于案例推理子系统的关键技术及实现首先对本系统的飞机故障案例表示以及案例检索的技术进行研究然后详细介绍了飞机故障案例推理模块以及案例维护模块的实现第五章介绍系统维护与应用实例首先介绍了本系统数据库的备份与恢复技术然后以一个实例介绍了系统的应用第六章总结全文展望今后的研究方向6南京航空航天大学硕士学位论文第二章基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统总体设计21系统的设计目标本文以飞行数据为基础以飞机故障预测与故障诊断为应用背景研究并开发了基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统通过飞行数据译码获得丰富的飞行数据运用飞行数据查询驾驶舱仪表显示再现飞行参数变化曲线图起飞降落动态仿真和超限报告等支持手段对飞机各系统及部件运行状态进行监控以便及时发现故障征兆信息然后根据获得的故障征兆运用基于案例推理的专家系统对飞机故障进行诊断本系统的目标是辅助机务维修工程师进行飞机系统故障预测与故障诊断缩短故障诊断的时间提高飞机维修的质量同时还便于将飞机维修专家经验的推广提高飞机维修工程师的整体业务水平根据飞行数据以及飞机故障特点设计如下的系统功能和性能目标1系统功能目标设计一个完善的后台数据库不仅要包括飞行数据飞机故障案例数据和用户管理数据而且需要保持数据间复杂的相互关系从而便于飞行数据的应用与飞机故障诊断的使用设计一个通用的扩展性强的飞行数据译码模块便于航空公司运用这样的一个软件实现对各种机型的飞行数据管理同时也满足航空公司对飞行数据译码的一些特殊需求提供飞行数据的多种应用形式以通过对飞行数据的分析获得飞机各系统工作状态从而为故障预测与故障诊断提供详实准确的故障征兆信息设计一个优秀的案例推理引擎使系统具有强大的案例检索匹配和学习能力保证飞机故障案例快速准确高效地查询提供方便的飞机故障案例的维护功能即具体的飞机故障案例的新增删除修正从而使系统的案例库保持在最佳状态2系统性能目标真实性真实性是对运算结果的基本要求预测故障的结果应该就是飞机系统的真实状况独立性由于各参数是独立的它们各自所依赖的数据都是时间的函数给出一个时间就可以得到一系列的数值它们之间互不影响这就为按需求任意选择仿真对象提供方便及时性要真正做到为故障预测与诊断所用就必须满足数据来源的及时7基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究可靠空中出现的故障落地后就能够再现它的过程就能为工程师们的故障诊断提供信息和决策依据如果数据滞后就不能在特定的时间内提供准确的故障诊断也不能及时发现潜在的故障以避免功能故障的发生起到故障预测的作用那么就失去了它的价值易用性具有良好的用户界面输入信息容易被理解提供方便的软件配置管理手段启发性总结飞机维修专家的知识和经验对飞机故障诊断的过程有一定的启发性扩展性系统便于扩展在实际应用中不断对飞机故障案例库进行动态扩充也可以在诊断过程中对案例库进行增加删除修改等工作使系统不断适应新的情况和问题22开发平台及开发工具系统开发选用的数据库平台为ORACLE9IFORWINDOWSNT2003ORACLE9I是市面上最流行的关系型数据库系统之一其结合了数据库服务器和应用服务器于一身提供一整套网络数据库应用解决方案ORACLE9I不仅将数据库和INTERNET彻底结合在一起而且还将关系型数据库和面向对象技术融为一体其突出优点如下38391支持大型数据库和多用户的高性能事务处理ORACLE能够支持最大为8TB的数据库支持大量用户同时在一个数据库中实现各种数据应用由于它具有高性能的系统维护能力可以每天24小时连续工作而且ORACLE还能够存放在多台计算机上的数据组合成一个逻辑数据库供全部网络用户使用使分布式系统像集中式数据库一样具备了用户透明性和数据一致性2具有可移植性可兼容性和可连接性由于ORACLE软件可以在许多不同的操作系统上运行所以ORACLE上开发的应用软件只需要少量修改甚至无需修改就可以移植到其他操作系统上使用ORACLE同工业标准相兼容它可以在很多工业标准的操作系统中运行可连接性是指ORACLE允许不同类型的计算机和操作系统通过网络共享信息3支持面向对象技术ORACLE9I在ORACLE8I的基础上进一步支持面向对象技术开发纵上所述选用ORACLE作为数据库开发平台可以满足现阶段飞行数据管理和案例库管理的各种需求而且能够保证系统将来网络升级所需性能的要求对于客户端软件开发方面本系统选用BORLANDCBUILDER作为开发工具8南京航空航天大学硕士学位论文BORLANDCBUILDER集成开发环境包含可视化窗体设计器对象观察器组件40面板工程管理器源代码编辑器调试程序以及安装工具等BORLANDCBUILDER可以用来设计任何类型的32位WINDOWS应用程序从一般的工具应用程序到复杂的数据存取程序或分布式应用程序BORLANDCBUILDER的数据库工具和数据感知组件便于快速开发出功能强大的桌面数据库和客户服务器应用程序同时使用数据感知组件能在设计应用程序的同时观察到当前的数据也能立即见到数据库查询操作和对应用程序界面的更改结果因此BORLANDCBUILDER完全符合本文系统的开发要求系统开发和运行的硬件和软件环境如下1后台服务器配置服务器DELLCOMPUTERCORPORATIONPOWEREDGE1800XEON300GHZ21GB146GB数据库ORACLE9IRELEASE2COM10FORWINDOWS操作系统MICROSOFTWINDOWSSERVER2003ENTERPRISEEDITION2前台开发平台配置开发平台DELLINCOPTIPLEXGX280PENTIUM4CPU280GHZ512MB80GB操作系统MICROSOFTWINDOWSSERVER2003ENTERPRISEEDITION开发工具BORLANDCBUILDERENTERPRISESUITEVERSION6023系统总体结构数据库飞行数据译码用户库飞行数据库飞行数据对故障飞机故障预测与故障诊断案例库支持子系统飞机故障案例基于案例推理飞机故障案例维护模块子系统推理模块图21基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统总体框图基于飞行数据的飞机故障预测与诊断系统总体框图如图21所示主要有三个部分即数据库飞行数据译码及飞行数据对故障预测与诊断支持子系统基于案例推理子系统此三部分紧密结合在一起实现基于飞行数据的飞机故障预测与诊断从而为飞机维修服务本节的三小节将介绍这三个部分的构成及作用9基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究COM系统数据库系统数据库主要存储系统管理飞行数据译码及其应用案例推理子系统需用的重要数据包括用户管理库飞行参数库飞机故障案例库三个主要部分具体的结构如图22所示数据库用户管理库飞行参数库飞机故障案例库飞飞飞参行飞案登行行数超行例故维故用陆机数参超限超基障修障户日型据数限事限本征步分表值表帧工标件事信兆骤级表格程准标件息表表表式值表准表表表表表图22系统数据库结构框图用户管理库中包括了用户表和登陆日志表本系统中的用户表里记录了用户的用户名密码管理权限部门职称等信息用户分为系统管理员飞机维修专家和维修工程师三种类型系统管理员主要负责进行用户管理数据库创建修改数据库备份与恢复等工作飞机维修专家拥有本系统中除了用户管理权限外其他所有信息的查询删除增加修改的权限维修工程师只具有飞行数据译码飞行数据应用系统和案例推理诊断的相关权限通过对用户的管理保护数据库的安全保证系统能够正确运行另外登陆日志里记录了用户登陆访问该系统的详细时间用户名访问地址等信息以便增强系统的管理能力飞行参数库集合了飞行数据译码和飞行数据应用的所有信息因为飞行数据译码程序需要针对不同机型不同帧格式来进行译码所以必须有相应的机型表和参数帧格式表来存放这些标准另外译码后的工程值存储于飞行参数工程值表里飞行数据应用程序一方面需要以工程值表里的飞行参数数据作为数据源另一方面也需要参数分析的标准而这些信息就由参数超限标准表飞行超限事件标准表提供飞行超限事件表主要用于记录分析出的飞行超限事件关于飞行参数库中各表的具体关系将在本文的32节详细描述飞机故障案例库主要存储在基于案例推理子系统中需要用到的案例信息主要由案例基本信息表故障征兆表维修步骤表和故障分级表四个表组成关于飞机故障案例库各表的具体组成与相互关系将在COM节详细介绍10南京航空航天大学硕士学位论文COM飞行数据译码及飞行数据对故障预测与故障诊断支持子系统飞行数据译码主要实现将各种格式的飞行数据译码后以一定的标准存入飞行参数库中飞行数据译码的重要性体现在为飞行数据的应用提供了完善详实准确的飞行数据本系统提出的基于动态链表译码技术可以译码国内任何航空公司任何机型的任何参数满足航空公司对飞行参数的需求而且可以改善目前进口译码软件不能根据航空公司需求动态改变译码参数标准的缺陷本文设计了多种飞行数据应用手段实现飞行数据对故障预测与故障诊断的支持这些手段包括飞行参数查询驾驶舱仪表显示再现飞行参数变化曲线飞机起飞降落三维仿真和超限报告这些支持手段的重要性体现在再现飞行数据通过对飞行数据的分析应用实现对飞机各系统及部件运行状态的监控从而便于机务维修人员根据监控结果及时判断出故障或潜在的故障为基于案例推理的故障诊断子系统提供详实的故障征兆信息关于飞行数据译码及飞行数据对故障预测与诊断的支持实现将在第三章详细分析COM基于案例推理子系统基于案例推理子系统主要由飞机故障案例推理模块和飞机故障案例维护模块组成基于案例推理CBR是人工智能技术新兴的一种重要的推理技术CBR基于人的认识过程即人类求解某一新问题时往往把以前使用过的与该问题类似的案例联系起来运用过去解决该案例的经验和方法来解决当前问题因此CBR是依赖过去的类似案例来寻求问题的结果并修改和评价存在的结论和解释不规则的情形CBR既是一个解决问题的方法也是一个人类学习和记忆方式的认识模型41案例推理的一般工作流程可以归纳为以下的几个步骤1案例表示CASEREPRESENTATION首先需要将新问题以一定的形式表示成新案例新案例必须提取出待求解问题的特征因素以类似于案例库中案例的形式描述2案例检索CASERETRIEVAL检索案例库计算案例库中与新问题的匹配度获得新问题的相似案例案例检索是CBR推理过程中的关键步骤根据案例的特点设计合适的检索策略从案例库中迅速准确地检索出一个或多个对解决待求解问题具有指导作用的案例3案例调整CASEADAPTATION将相似案例的解决方案重新用到新问题中去然后根据领域知识和目标约束条件对相似案例的解决方案进行修改使之11基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究适用于新问题作为新问题的建议输出4方案评估SOLUTIONEVALUATION对新问题的解进行校验或验证将验证后的解作为最终的解输出5案例学习CASELEARNING对于获得最终解的新问题根据其价值大小要么修改原有案例要么将这个新问题以新案例加入案例库中实现案例知识的学习飞机故障案例推理模块就是实现以上5个推理过程在其3个子模块中新故障描述子模块完成案例表示过程案例匹配子模块完成案例检索过程案例修正与学习子模块综合完成案例调整方案评估和案例学习3个过程通过三个子模块的相互配合并运用各种技术来改善性能从而获得良好的推理效果完成飞机故障预测与故障诊断为飞机维修服务飞机故障案例维护模块主要完成案例库中的案例的查询新增删除等操作案例库的维护分为3个子模块案例查询子模块案例新增子模块案例删除子模块在本系统中因为案例的表示采用分散组织的形式一个完整的案例由案例基本信息表故障征兆信息表和维修步骤表三表的相关记录联合构成所以对于案例的维护就涉及到对这三个表的相关操作案例维护的重要性体现在有效地对案例库管理使案例库的知识能够以最佳状态为案例推理服务实现高效的飞机故障预测与故障诊断从而提高飞机维修质量12南京航空航天大学硕士学位论文第三章飞行数据译码及飞行数据对故障预测与故障诊断的支持31飞行数据译码及飞行数据对故障预测与诊断支持的总体结构飞行数据译码及飞行数据应用在整个系统中扮演着非常重要的角色其构成如图31所示飞行数据译码实现将QARFDR记录的原始飞行数据译码成各飞行参数的工程值是实现对飞机各系统及部件进行监控的基础飞行数据对故障预测与故障诊断的支持手段包括飞行参数查询驾驶舱仪表显示再现飞行参数变化曲线图起飞降落三维仿真和超限报告这些手段以译码出的参数工程值为数据源实现对飞机系统及部件的监控和运行质量分析从而根据监控分析的结果及时发现潜在的故障或者已经发生的故障为基于案例推理子系统提供充实的故障征兆信息实现对故障预测与故障诊断的支持本章将详细研究飞行数据译码以及飞行数据对故障预测与故障诊断的支持手段QARFDRACARS译码报文处理飞行数据工程值参数参数飞驾驶飞行起标准超限行舱仪参数飞和事飞行参表显变化降件标超限数示再曲线落准事件查现图仿评估询真工程师分析评估飞机系统故障征兆图31飞行数据译码及应用框图32飞行参数库的设计飞行参数库主要是根据飞行数据译码及飞行数据应用的需要而建立的各种数据表1译码相关表机型表AIRCRAFT飞行数据帧格式表FLIGHT_DATA_FRAME和飞行参数工程值表FLIGHT_DATA三个表主要为飞行数据译码服务三个表互相关联实现13基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究对各种机型各种飞行数据帧格式信息以及相应的译码后的飞行数据工程值的存储图32示例了三个表的结构与相互关系FIGHT_DATAFLIGHT_DATA_FRAMEPKIDPKIDFK1AIRCRAFT_IDFK1AIRCRAFT_IDAIRCRAFTFLIGHT_NUMBERPARAMETER_ASSIGNMENTSYNCHRO_WORDPKAIRCRAFT_IDPARAMETER_TYPEFLIGHT_DATESINGALTYPEGMTAIRCRAFT_TYPEFMTFRAME_COUNTERSYNCRONIZATION_WORD_TYPESIGNALT_POS_LTSUB_FRAME_SIZEA_C_TYPEALT_POS_RTAIRCRAFT_DATA_FRAMEEXCEPTIVE_MANAGINGCONTROL_COLUMN_POS_CAPTQAR_TABLE_NAMEWORDCONTROL_COLUMN_POS_F_OSUBFCONTROL_WHEEL_POS_CAPTSUPFCONTROL_WHEEL_POS_F_OOMSBELEV_POS_LTOLSB图32飞行数据译码相关表的结构与关系图机型表AIRCRAFT存储飞机号飞机类型同步器型号副帧大小飞行数据帧格式等相关信息飞行数据帧格式表FLIGHT_DATA_FRAME存储飞行数据帧格式类型以及与飞行数据译码相关的飞行参数的参数名称位置信息单位信息分辨率信号类型数据类型计算公式系数等内容飞行数据译码程序能够根据这些信息建立相应的动态链表飞行参数工程值表FLIGHT_DATA是以相应飞行数据帧格式的参数名为字段建立的表所有译码后的参数的工程值按照相应参数名存储于该表中便于飞行数据应用软件使用2飞行数据应用相关表参数超限标准表PARAMETER_STANDARD飞行超限事件标准表EVENT_STANDARD和飞行超限事件表EVENT_TABLE主要用于对飞行参数的监控图33示例了此三表的结构与相互关系PARAMETER_STANDARDEVENT_STANDARDEVENT_TABLEPKPARAMETER_STANDARD_IDPKEVENT_STANDARD_IDPKEVENT_TABLE_IDAIRCRAFT_IDAIRCRAFT_IDPARAMETER_ASSIGNMENTFK1PARAMETER_STANDARD_IDEVENT_NAME_VALUEFK2EVENT_STANDARD_IDPARAMETER_ASSIGNMENTMIN_VALUEEVENT_TIMEEVENT_CONDITIONALERT_PARAMETER_ASSIGNMENTPARAMETER_VALUEALERT_MINPARAMETER_VALUEEVENT_RELATION图33飞行参数应用相关表的结构与关系图14南京航空航天大学硕士学位论文参数超限标准表PARAMETER_ASSIGNMENT主要存储各机型的某些参数的参数标准包括参数的最大标准值最小标准值偏差告警值大偏差告警值小等信息这些信息完全由航空公司根据飞机厂商提供的标准数据和航空公司自己的经验来定义参数的具体标准飞行超限事件标准表EVENT_STANDARD同样记录了航空公司对于超限飞行事件的定义标准包括超限事件的事件名事件的监控参数名监控条件等信息超限事件表EVENT_TABLE主要将监控的超限结果存储下来便于对飞机系统的故障进行预测与诊断包括参数号事件号时间监控参数及参数值等信息33飞行数据译码软件的设计与实现飞行数据译码软件是整套系统非常重要的一部分为34介绍的各种基于飞的飞机故障预测与故障诊断支持软件提供了详实准确的数据源译码的效率和准确性对整个系统的效率和有效性起着至关重要的作用国内航空公司使用的译码软件大多是从国外购买的不仅价格昂贵而且系统更新换代麻烦另外这些软件是针对全世界民航业开发的软件有时候却不能满足航空公司对飞行数据译码的一些特殊要求比如可能因为特殊要求而需要提高译码参数的数量和频率等本系统提供的译码软件完全能够解决这些问题并且具有良好的扩展性译码需用的飞行数据帧格式类型参数个数参数标准都可以由航空公司自行修改译码软件自动根据更新后的标准完成译码译码软件解决的主要问题有1准确地将二进制编码的参数数据还原为各参数的十进制工程值2归类各参数的译码方法实现成百上千的参数分类译码3统一译码方法实现对各种飞行参数帧格式的译码4提高译码的执行效率高效地译码出参数值并存入数据库COM改进的飞行数据译码思想目前飞行数据记录格式主要有ARINC542ARINC573ARINC717三种标准而国内主要采用ARINC717然而不同的飞机其对记录参数的类别个数频率或精度都要求不一样因此在遵循ARINC717的标准之外又出现了不同的数据帧结构比如BOEING737系列飞机就有73717372737I73737373A7373B7373C等各种数据帧结构一个良好的译码系统不仅需要能够适应各种帧格式的飞行数据译码而且也要一定程度能够支持标准的变更在分析了大量数据帧结构后发现无论是哪种机型的数据帧结构其记录的所有参数可以归类为三种参数类型模拟量参数数字量参数离散混合量参数15基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究三种类型参数的译码方法区别较大但是同类型的参数译码方法却有较大的相似之处本文充分利用此规律提出基于动态链表的飞行数据译码方法可以很好地适应各种机型的飞行数据译码而且具有良好的可扩展性基于动态链表的飞行数据译码方法思想是1将每种数据帧格式的标准和参数译码要求由用户通过系统用户界面手动输入然后存入飞行参数帧格式表当译码要求需要更改时只需要通过用户界面更改参数信息更新飞行参数帧格式表的内容系统会自动按照新的要求进行飞行数据的译码2译码前分别为模拟量参数数字量参数离散混合量参数类型的参数建立一个动态链表如图34所示动态链表的每个节点为一个结构体变量该结构体变量封装了译码该参数需要的所有信息而这些信息是通过查询飞行参数帧格式表获得的3译码各航班的飞行数据时遍历动态链表根据动态链表中的信息进行相应的译码HEADPARAMETER1PARAMETER2PARAMETERN图34译码动态链表结构图这个方法可以将译码标准和译码过程合理分离当译码需求更改时只需将数据库中的参数标准修改无需对译码方法修改就可以满足新的译码需求每个节点为一个结构体变量下面以模拟量结构体举例说明STRUCTDATAACHARPARAMETER30参数名称UNSIGNEDSHORTDWORD参数记录所在字号UNSIGNEDSHORTSUBF副帧号UNSIGNEDSHORTSUPF超级帧号UNSIGNEDSHORTOMSB数据所占高位UNSIGNEDSHORTOLSB数据所占低位FLOATCHANGSHUXIANG计算公式中的常数项FLOATYICIXIANG一次项系数FLOATERCIXIANG二次项系数FLOATSANCIXIANG三次项系数CHARSIGNALTYPE30信号类型16南京航空航天大学硕士学位论文COM基于动态链表的飞行数据译码方法实现1参数分类译码上文COM提到了本系统译码采用的是链表的数据结构链表的节点是某类型参数的一个结构体结构体变量中记录了译码某个参数所需要的所有信息下文将详细介绍三种类型的参数的译码技术1模拟量译码飞行参数中模拟量参数数量比较少一般有20个左右但是这些参数是反映飞机飞行状态最重要的参数这些参数的信号类型主要有以下几种SYNCHRO同步角LLDC直流低电压HLDC直流高电压VLLDC直流甚低电压POT电位计ACVR交流电压比RESISTANCE电阻等虽然模拟量的参数个数不多但是其译码算法却相对比较复杂其中LLDCHLDCVLLDC信号的输入输出符合一次线性关系而其他的参数工程值与信号值之间为非线性关系通过总结各种机型飞行数据帧格式中模拟量转换特点发现可以将模拟量参数的非线性输入输出关系用三次非线性方程近似表示因此可以统一将所有模拟量信号的参数工程值用三次非线性方程来计算对于符合线性规律的参数将其计算公式中的二次项三次项系数则设置为0即可下面以B7373帧格式模拟量参数为例说明对模拟量译码的计算公式LLDC信号参数VERTICALACCELERATION垂直加速度数据存放于每个副帧的第2字的1位到12位之间对应十进制值为D其工程值R与D之间的关系为R3375000228938D0DD0DDD31SYNCHRO信号参数PITCHTRIMPOSITION俯仰角数据存放于每个副帧的第136字的1位到12位其工程值R与同步角大小S的关系为R4003448S00006SS0000006SSS32然而同步角S与该参数在副帧中的数据之间还有特定的转换关系TELEDYNE的转换方法为首先把12位的二进制数每三位转换为一位八进制数共转变为4位的八进制数然后用下列公式计算同步器角度S4位八进制数的最高位转换公式0同步角SARCTAND512L同步角SARCTAN512512D2同步角S180ARCTAN512D3同步角S180ARCTAND5124同步角S180ARCTAND5125同步角S180ARCTAN512512D17基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究6同步角S360ARCTAN512D7同步角S360ARCTAN1D512其中D表示4位八进制数的低3位所表示的十进制数2数字量译码数字量参数通常有BCDBNR两种数据格式采用BCD编码格式的数字量参数只有若干个绝大多数采用BNR格式BCD编码方式是指由1至4位的二进制数代表一个十进制数一般4位一组例如十进制数51若以BCD方式编码为01010001有时为了限制所代表的十进制数的取值范围也采用少于4位的分组构形如用2位一组的二进制数0且3来代表日期中天数的十位数因此建立BCD编码参数的关键是确定分组构形即确定每组二进制数的位数一个12位的二进制数以BCD3333方式和以BCD444方式编码结果完全不同例如7373型中以BCD444方式编码的数字量参数DESTINATIONETAMINUTES记录在16超级帧第1副帧的192字第12位至第1位如果其原是参数的记录值为01XXXXXXXXXX将其转换成十进制数为527再乘以其分辨率01得到这个参数的准确值527BNR格式就是把数据直接以二进制形式存放参数分为有符号型和无符号型对于无符号型参数只需要将其按照一般的二进制值转换成十进制原码值再乘以其分辨率即可对于有符号型参数的二进制数据的最高位是其符号位最高位为0代表该值为正最高位为1代表该值为负如同计算机中的有符号数字的表示一样例如对于十二位有符号BNR二进制数据01XXXXXXXXXX代表最大值而1XXXXXXXXXX0代表最小值译码算法也只需要按照这个规律转换成十进制原码值然后再乘以其分辨率即可得到参数的工程值所以总的也可以归结为如下的公式计算数据量参数的值工程值原码值比例系数333离散混合量译码方法离散量通常由字槽中的一位来表示对离散量参数译码最为