CN111056024B - 一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置 - Google Patents

一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置，包括机载系统和地面系统，机载系统由运行状态机定义模块、事件模块、时序模块和参数采集模块组成，地面系统由场景矩阵模块和数据库处理模块组成，事件模块包括多个触发器，人为操控使APU运行状态事件被触发进而触发与之对应的触发器，该触发器指令参数采集模块采集机身运行参数和APU运行参数并累积，再被传送至非易失内存中保存；数据库处理模块根据场景矩阵模块的APU运行场景对采集数据进行分析形成计算结果并储存。计算结果可根据不同统计需求调出使用，从中可发现对于APU的人为不良操作习惯，合理化使用APU，延长使用寿命，降低维修与备件成本，减少燃油成本，节能减排。

Description

一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置
技术领域
本发明属于航空交通运输业与节能环保技术，尤其涉及一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置。
背景技术
飞机辅助动力单元(Auxiliary Power Units，简称APU)，又称辅助动力单元、辅助动力组件或辅助动力装置。
如图1所示，辅助动力单元1是一个专门设计的小型燃气涡轮发动机，它为飞机提供独立的电力和引气(高温高压空气)，用于飞机在地面启动主发动机，在地面或在飞行中为飞机的空调系统提供引气及向用电设备提供电力供应。APU大多安装在机身最后段的尾锥2之内，在机身上方垂尾附近开有进气口，排气直接由尾锥后端的排气口排出(一般不产生飞行推力)。
APU有自己单独启动的电动机，由单独的电池供电，有独立的附加齿轮箱、润滑系统、冷却系统和防火装置。APU所用燃油来自飞机上总的燃油系统，即APU与主发动机共用同一燃油系统。
在多数情况下，APU是飞机在地面上时使用，而起飞以后APU通常不工作，但在某些特殊/应急情况下，比如飞机在飞行过程中，主发动机发生故障，此时需重新启动APU向飞机提供气源或电源，为主发动机重启提供动力。此外，在某些型号的飞机上，为了改善主发动机的起飞/爬升性能，在起飞过程中，APU也处于工作状态，为飞机提供辅助的气源与电源。所以，APU既是保证主发动机空中停机后再启动的主要装备，影响着飞行安全，又是飞机在地面时确保客舱舒适的必要保障(当机场后期条件不具备而不能提供地面电源车时)。
除了上述特殊/应急情况下APU必须处于工作状态之外，在APU实际使用过程中还存在着较多的不合理使用现象：如机务/勤务等地面人员航后检查工作时不合理使用APU(使用空调取暖/制冷须启动APU获取气源与电源)；又如飞机着陆后启动APU的时间不恰当(如过早启动APU)；再如飞机过站地面电源不足以至于必须启动APU，等等。APU的不合理化使用不仅会缩短APU的使用寿命，提高维修与备件成本，而且增加了额外的燃油成本与排放。尤其对于大型机队而言，这些成本往往是十分惊人的。
APU的使用具有一定的不确定性，目前，“机务/勤务”等地面工作人员一般使用人工填写APU使用表单的管理措施，记录每次APU的使用情况，APU使用表单定期回收，定期统计，但因为存在人为因素，出现大量错报、漏报现象；而对于飞行人员使用APU的监控，往往无计可施。也出现过尝试使用QAR(快速存储记录器)数据中有关APU的机械特征数据来分析APU的使用情况，但是由于QAR数据仅在主发动机启动后才生效，而APU的大量使用是发生在主发动机不启动的情况下，因此这种方法并不可行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置，可对飞机辅助动力单元的运行操作控制及其燃油消耗进行准确监控，以便合理化使用APU，从而达到延长APU使用寿命、减少油耗、减少排放的目的。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：它包括在飞机通电周期中处于工作状态的机载系统和地面系统，所述机载系统设置在机载嵌入式可编程模块中，所述机载系统主要由运行状态机定义模块、事件模块、时序模块和参数采集模块组成，所述运行状态机定义模块用于定义APU运行状态机并将其分解成各种基态，APU运行状态机在所述时序模块提供的时序上维持，各种基态设定不同的APU运行状态事件，所述事件模块包括多个分别与各APU运行状态事件相对应的触发器，人为操控使某一基态的APU运行状态事件被触发进而触发与该APU运行状态事件相对应的触发器，该触发器指令所述参数采集模块从飞机数据系统中采集机身运行参数和APU运行参数，并对APU运行参数进行累积，累积后的APU运行参数被传送至机载嵌入式可编程模块的非易失内存中保存；所述地面系统主要由场景矩阵模块和数据库处理模块组成，累积后的APU运行参数和机身运行参数作为采集数据由所述数据库处理模块接收和储存，所述数据库处理模块再根据所述场景矩阵模块提供的APU运行场景对采集数据进行分析计算形成计算结果并储存，以备根据不同统计需求将计算结果调出使用。
本发明的机载系统设置在机载嵌入式可编程模块(ACMS)中，通过采集飞机通电周期中的APU运行参数(每次APU启停过程中的关键运行参数，如燃油流量、计时(秒)数等)，并对APU运行参数进行累积后保存在ACMS的非易失内存(VCM)中，避免了航后APU启动后飞机快速断电所导致的累积参数丢失情况，同时克服了现有采用QAR设备因仅记录主发动机运行期间有效参数而无法对APU的使用实施准确监控的缺点。而且，本发明的计算结果可根据不同统计需求调出使用，即可调出不同APU运行场景下的APU运行参数，从中可以发现对于APU的人为不良操作习惯，从而对APU的使用进行精细化管理，进而合理化使用APU，延长APU的使用寿命，降低维修与备件成本，减少燃油成本，节能减排，实现成本的大幅度减少。
本发明所述事件模块还包括参数快照子模块，所述参数快照子模块根据参数采集模块中相关参数定义在相应的APU运行状态事件被触发时将所述采集数据生成参数快照。
本发明所述事件模块还包括上次事件标量赋值子模块和重置循环累积变量子模块，所述上次事件标量赋值子模块用于完成对上一次APU运行状态事件标量赋值的操作，上一次APU运行状态事件标量被各触发器共享调用；所述重置循环累积变量子模块用于完成重置循环累积变量的操作，重置的循环累积变量被各触发器共享调用。
本发明所述参数快照包括机身运行参数、APU标识参数、单次事件参数、监控时间窗的参数汇总和监控周期内的累积参数，其中，所述单次事件参数、监控时间窗的参数汇总和监控周期内的累积参数属于APU运行参数。
作为本发明的一种实施方式，所述参数快照通过ACARS形成报文实时传送至地面系统，并由所述数据库处理模块进行处理。但此方式在机队规模较大时(如机队数量超过100架)可能增加明显的数据传送资费成本，故非优选。
作为本发明的一种优选实施方式，所述机载系统还包括快照数据存储模块，所述地面系统还包括快照数据提取模块和数据格式转换模块，所述参数快照存储在所述快照数据存储模块中，在飞机航后(在飞机着陆与主发动机关车之后)，所述参数快照通过蜂窝移动网络(3G/4G/5G移动网络)发送至地面系统，所述快照数据提取模块提取参数快照，再由所述数据格式转换模块将参数快照转换为报文并传送至所述数据库处理模块进行处理。本方式是将机身运行参数和非易失内存中的累加后的APU运行参数先储存在快照数据存储模块中，待飞机航后，再使用快照数据提取模块将传送来的参数快照进行提取，并由数据格式转换模块将参数快照转换为报文后送至数据库处理模块进行处理，与使用ACARS实时传送采集数据的方法相比，节约了大量的数据传送资费，大幅度降低了成本。
本发明根据飞行模式、APU启停状态、主发动机启停状态、空地状态、航班信息初始化(航班号与毛重)状态导出的15种基态，第一种基态：飞机在地面，主发动机处于关闭状态，机组完成航班初始化后启动APU期间；第二种基态：飞机在地面，启动APU之后，启动主发动机期间；第三种基态：飞机在空中，启动APU之后，在空中启动主发动机期间；第四种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机进入Idle(慢车)状态期间；第五种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机进入滑行状态期间；第六种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机又进入关车状态(即地面主发动机启动失败，且APU处于运转状态)期间；第七种基态：飞机在地面启动主发动机之后，飞机在空中关闭APU(飞机未着陆)；第八种基态：飞机在地面，APU关车后，进入起飞状态期间；第九种基态：飞机起飞之后，在飞行过程中关闭APU期间；第十种基态：飞机在空中关闭APU，然后飞机着陆期间；第十一种基态：飞机着陆过程中(主发动机未关车)启动APU；第十二种基态：飞机着陆后启动APU，至主发动机关车期间；第十三种基态：飞机着陆后启动APU，至滑靠廊桥之前(主发动机未关车)更改航班计划期间；第十四种基态：飞机着陆后，在滑行过程中(主发动机未关车)更改航班计划；第十五种基态：主发动机关车后(已靠廊桥)，至机组更改航班计划期间。
本发明所述快照数据提取模块包括用户测试子模块、动态库子模块与系统服务子模块，所述动态库子模块是以.Net组件封装形式运行的动态库文件；所述系统服务子模块提供自动运行的系统服务支持；所述用户测试子模块主要由测试操作子模块、数据清理测试子模块和数据块结构定义子模块组成，所述数据清理测试子模块剔除AIDS/AOSM数据块中的乱码；所述数据块结构定义子模块被封装在系统动态链接库文件中，完成AOSM数据块转录规则的定义；所述测试操作子模块调用QMTrans.dll内置的用户UI，完成QARMessage文件的转录规则定义，写入其本地配置数据库中，并调用动态库子模块内的doQMTrans主接口完成转录测试，调用动态库子模块内的TruncateMessyCode接口完成噪声/乱码数据清理测试。
本发明所述数据库处理模块包括数据库存储子模块、统计聚合数据库处理子模块和报文内容显示子模块，所述报文以结构化数据形式保存在数据库存储子模块中；所述统计聚合数据库处理子模块包括统计结果存储子模块与统计聚合过程子模块，所述统计聚合过程子模块遍历所述场景矩阵模块的场景矩阵，对数据库存储子模块中的结构化数据进行分析计算，将计算结果保存在统计结果存储子模块中；所述报文内容显示子模块对于以结构化数据形式保存在数据库存储子模块中的报文提供打印格式内容显示和原始格式内容显示。
本发明所述时序模块定义如下三种时序：全航段时序、航后地面时序和航前地面时序；所述全航段时序是指在航前APU启动到航后APU关车整个航段期间；所述航后地面时序是指在飞机着陆后到航后APU关车期间；所述航前地面时序是指在航前地面APU启动到APU关车期间。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明的机载系统设置在机载嵌入式可编程模块(ACMS)中，通过采集飞机通电周期中的APU运行参数(每次APU启停过程中的关键运行参数，如燃油流量、计时(秒)数等)，并对APU运行参数进行累积后保存在ACMS的非易失内存(VCM)中，可避免航后APU启动后飞机快速断电所导致的累积参数丢失情况，同时克服了现有采用QAR设备因仅记录主主发动机运行期间有效参数而无法对APU的使用实施准确监控的缺点。
⑵本发明的计算结果可根据不同统计需求调出使用，即可调出不同APU运行场景下的APU运行参数，从中可以发现对于APU的人为不良操作习惯，从而对APU的使用进行精细化管理，进而合理化使用APU，延长APU的使用寿命，降低维修与备件成本，减少燃油成本，节能减排，实现成本的大幅度减少。
⑶本发明在飞机通电周期中，具体可以监控不同场景下的APU运行时间及其油耗累积、每次APU启停期间的运行时间及其油耗、精确到秒级颗粒度的APU运行时间及其油耗精度、累积主主发动机的运行时间与油耗等，可为APU合理化使用、提高使用寿命、减少排放等提供精细化管理的大数据支撑手段。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是APU及其安装在飞机上的结构示意图；
图2是本发明飞机辅助动力单元运行状态监控装置的组成结构示意图；
图3是本发明APU运行状态机的示意图；
图4是本发明第一种基态的示意图；
图5是本发明第二种基态的示意图；
图6是本发明第三种基态的示意图；
图7是本发明第四种基态的示意图；
图8是本发明第五种基态的示意图；
图9是本发明全航段时序的示意图；
图10是本发明航后地面时序的示意图；
图11是本发明航前地面时序的示意图；
图12是本发明生成参数快照的示意图；
图13是本发明的参数快照预留设置界面；
图14是本发明的路由设置界面；
图15是本发明的事件触发子模块主时序示意图；
图16是本发明的上次事件标量赋值子模块的算法示意图；
图17是本发明的重置循环累积变量子模块的算法示意图；
图18是本发明的QARMessage文件样本截图；
图19是本发明的快照数据提取模块的架构示意图；
图20是本发明的测试操作子模块人机界面；
图21是本发明的数据清理测试子模块人机界面；
图22是本发明的AIDS数据块转录的开始标识定义人机界面；
图23是本发明的AIDS数据块转录的结束标识定义人机界面；
图24是本发明的数据格式转换模块架构示意图；
图25是本发明的报文打印格式内容显示样图；
图26是本发明的原始格式内容显示样图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置，它包括在飞机通电周期中处于工作状态的机载系统和地面系统，机载系统设置在机载嵌入式可编程模块(ACMS)中。机载系统主要由运行状态机定义模块、事件模块、时序模块、参数采集模块和快照数据存储模块组成。
运行状态机定义模块用于定义APU运行状态机并将其分解成各种基态，APU运行状态机在时序模块提供的时序(分为全航段时序、航后地面时序和航前地面时序)上维持，各种基态设定不同的APU运行状态事件(AOSM事件)。
事件模块包括参数快照子模块和事件触发子模块。人为操控使某一基态的APU运行状态事件被触发进而触发与该APU运行状态事件相对应的触发器，该触发器指令参数采集模块从飞机数据系统中采集机身运行参数和APU运行参数，同时参数快照子模块根据参数采集模块中相关参数定义将机身运行参数和APU运行参数生成参数快照，并对APU运行参数进行累积，累积后的APU运行参数被传送至机载嵌入式可编程模块的非易失内存中保存。机身运行参数和累积后的APU运行参数以参数快照形式存储在快照数据存储模块中。
事件触发子模块包括上次事件标量赋值子模块、重置循环累积变量子模块、多个分别与各APU运行状态事件相对应的触发器，上次事件标量赋值子模块用于完成对上一次APU运行状态事件标量赋值的操作，上一次APU运行状态事件标量被赋值后由各触发器共享调用；重置循环累积变量子模块用于完成重置循环累积变量的操作，重置后的循环累积变量由各触发器共享调用。循环累积变量用于计算两次AOSM事件之间的APU/发动机运行参数的数学特征值--如平均燃油流量，累积燃油耗量、持续时间等。因此，为了保证这一次AOSM事件的特征值不会被传递到下一次，所以，需要在系统进入每个AOSM事件的开始，将循环累积变量初始化，即重置。
地面系统主要由和数据格式转换模块、快照数据提取模块、场景矩阵模块和数据库处理模块组成，在飞机航后，参数快照通过蜂窝移动网络(3G/4G/5G)发送至地面系统，快照数据提取模块提取参数快照，再由数据格式转换模块将参数快照转换为报文并传送至数据库处理模块，数据库处理模块储存该报文并根据场景矩阵模块提供的APU运行场景对报文进行分析计算形成计算结果后储存，以备根据不同统计需求将计算结果调出使用。
具体来说，APU运行状态机定义模块(以下称作AOSM状态机)，AOSM为APU操作状态监控的英文缩写，根据飞行模式(FlightMode)变更逻辑导出APU运行状态机，设定APU运行状态事件(AOSM事件)触发逻辑。
典型的飞行模式变更逻辑定义如下表：
Figure BDA0002287419230000071
Figure BDA0002287419230000081
Figure BDA0002287419230000091
(表1)
如图3所示的是由典型的飞行模式变更逻辑推导出典型的APU运行状态机(该图及以下图中，大发均为主发动机)。
其中：1、SQAT表示飞机的空地状态；SQAT＝AIR表示飞机在空中；SQAT＝GND表示飞机在地面。
2、AOSMn(n＝0,1,2,3,4,5,6)表示不同事件发生时的AOSM事件编号。
Figure BDA0002287419230000101
(表2)
如图4所示，第一种基态：飞机在地面，主发动机处于关闭状态，机组完成航班初始化后启动APU期间。基态条件：
(1)当前AOSM事件编号AOSM3--基本触发条件：APU启动；
(2)当前AOSM事件FM＝'OFF'--Engine OFF State(主发动机处于关闭状态)；
(3)当前AOSM事件时飞机在地面(SQAT＝'GND')；
(4)上次AOSM事件编号'AOSM1'--基本触发条件：航班号/GW变更；
即：当前AOSM事件为"APU启动"，且飞行阶段为(OFF)Engine Off State(主发动机处于关闭状态)，且上一个AOSM事件为“航班号/GW变更”，也就是说：机组“航班号/GW”初始化后，在地面启动APU，且启动成功。
如图5所示，第二种基态：飞机在地面，启动APU之后，启动主发动机期间。基态条件：
(1)当前AOSM事件编号AOSM4--基本触发条件：主发动机启动；
(2)当前AOSM事件FM＝'ENGS'–FlightMode Changed from"OFF"(Engine Off)to"ENGS"(Engine Start)，即从主发动机关闭到主发动机启动状态。
(3)当前AOSM事件时飞机在地面(SQAT＝'GND')；
(4)上次AOSM事件编号AOSM3--基本触发条件：APU启动；
即：当前AOSM事件为主发动机启动触发，且飞行阶段为Engine Start(主发动机启动)，且上一个AOSM事件为APU启动；
即启动APU之后，在地面启动主发动机，且启动成功。
如图6所示，第三种基态：飞机在空中，启动APU之后，在空中启动主发动机期间。基态条件：
(1)当前AOSM事件编号AOSM4，基本触发条件：主发动机启动；
(2)当前AOSM事件FM＝'ENGS'--FlightMode Changed from"OFF"(Engine Off)to"ENGS"(Engine Start)，即从主发动机关闭到主发动机启动状态；
(3)当前AOSM事件时飞机在空中(SQAT＝'AIR')；
(4)上次AOSM事件编号AOSM3，基本触发条件：APU启动；
即：当前AOSM事件为主发动机启动触发，且飞行阶段为Engine Start(主发动机启动)，且上一个AOSM事件为APU启动。
也就是说：启动APU之后，在空中启动主发动机，且启动成功。
如图7所示，第四种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机进入慢车状态期间。基态条件：
(1)当前AOSM事件编号AOSM5--基本触发条件：APU关车；
(2)当前AOSM事件FM＝'IDLE'--主发动机处于慢车位，可认为此时飞机尚未自主滑动或(刚刚进入自主滑动状态)；
(3)当前AOSM事件时飞机在地面SQAT＝'GND'；
(4)上次AOSM事件编号AOSM4--基本触发条件：主发动机启动。
即：当前AOSM事件为"APU关车"，且飞行阶段为主发动机处于慢车位，且上一个AOSM事件为“主发动机启动”。
也就是说：主发动机启动后到APU关车之间，在地面主发动机进入慢车状态。
如图8所示，第五种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机进入滑行状态期间；基态条件：
(1)当前AOSM事件编号AOSM5--基本触发条件：APU关车；
(2)当前AOSM事件FM＝'TAXI'--飞机已经开始自主滑行；
(3)当前AOSM事件时飞机在地面(SQAT＝'GND')；
(4)上次AOSM事件编号AOSM4--基本触发条件：主发动机启动。
即：当前AOSM事件为"APU关车"，且飞行阶段为主发动机进入TAXI状态，且上一个AOSM事件为主发动机启动。
也就是说：主发动机启动后，到APU关车之间，在地面主发动机进入TAXI状态。
另外，第六种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机又进入关车状态期间(主发动机启动后到APU关车期间，在地面主发动机又进入关闭状态(即主发动机启动失败)；第七种基态：飞机在地面启动主发动机之后，飞机在空中关闭APU(主发动机启动后飞机在空中关闭了APU)；第八种基态：飞机在地面，APU关车后，进入起飞状态期间(APU关车后，在地面主发动机进入'TOFF'，即飞机处于起飞状态)；第九种基态：飞机起飞之后，在飞行过程中关闭APU期间(飞机起飞之后在飞行过程中关闭APU)；第十种基态：飞机在空中关闭APU，然后飞机着陆期间(飞机在空中关闭APU之后着陆)；第十一种基态：飞机着陆过程中启动APU(飞机着陆后启动APU,此时主发动机未关车(未靠廊桥)，启动过程中的APU油耗)；第十二种基态：飞机着陆后启动APU，至主发动机关车期间(飞机着陆后启动APU,滑行靠廊桥期间APU的油耗)；第十三种基态：飞机着陆后启动APU，至滑靠廊桥之前更改航班计划期间(飞机着陆后启动APU，且滑靠廊桥之前(主发动机未关车)更改航班计划期间的APU油耗)；第十四种基态：飞机着陆后，在滑行过程中更改航班计划(飞机着陆后滑行过程中(主发动机关车前)更改航班计划期间的APU油耗)；第十五种基态：主发动机关车后，至机组更改航班计划期间(主发动机关车后(已靠廊桥)后更改航班计划期间的APU油耗)。
本文对第六种至第十五种基态仅做了以上简单的说明，具体说明框架类似于第一种至第五种基态，以此类推，在此不赘述。
关于场景矩阵模块：
根据APU运行状态机的十五种基态与典型APU操作场景，定义如下APU运行场景(以下称作AOSM场景)：
AOSM场景字段定义如下表：
Figure BDA0002287419230000121
Figure BDA0002287419230000131
(表3)
关于AOSM场景矩阵定义，由业务部门跟进具体业务情况完成其详细内容定义。AOSM场景矩阵由各种基态导出，包含98种场景状态，其提供AOSM事件触发的业务逻辑基准，也是聚类统计分析的依据。场景矩阵可以根据航空公司操作运行细则深度客户化进行灵活配置。
某些AOSM场景矩阵定义如下表：
Figure BDA0002287419230000132
(表4)
表头中：TRANS ID-场景序号；TRANS CODE-场景编号；SQAT-空地状态；PreviousAOSMID-前一AOSM事件ID；Current AOSMID-当前AOSM事件ID；Common Case-是否为常见场景；Scene Start-场景开始状态；Scene End-场景结束状态；Crew Used-是否机组在使用；Service Used-勤务在使用？；Crew in Cockpit-机组是否在驾驶舱；Crews vs Services-机组与勤务在用的比例；Remark-备注。
对AOSM场景矩阵定义的说明：
(1)AOSM场景矩阵是理论上所有可能的APU用例的启停条件的穷举，总计98种(表4列举了5种)。
(2)两个AOSM场景之间没有任何导致飞机状态发身边变化的其它事件发生。
(3)表4中，AOSM场景矩阵中“场景序号”～“场景结束状态”为“APU用例的启停条件”而非用户自定义内容，“是否为常见场景”与“是否机组在使用”～“备注”为用户自定义内容。
(4)AOSM场景矩阵嵌入到地面系统中，由业务部门根据具体业务情况完成其详细内容定义，如用户根据行业操作习惯标定其“是否机组在使用？”或“勤务在使用？”或“机组是否在驾驶舱？”以及“机组与勤务在用的比例”。
(5)地面系统根据场景矩阵的内容，完成AOSM事件参数的聚合输出。
表4中编号4的AOSM场景矩阵的场景描述：飞机在地面通电后直到机组执行航班初始化输入飞机毛重(GW)的过程，此过程APU并没有启动，其APU油耗/时间是上次航后APU启动到整机断电时的残留参数(保存在非易失内存中)。
表4中编号5的AOSM场景矩阵的场景描述：飞机在空中，系统重新加电后直到飞机着陆的过程，此过程多为飞机在定检/排故过程中被故意顶起。
关于时序模块：
根据APU启停状态、主发动机启停状态、空地状态、航班信息状态以及飞机的维护状态，可分为如下三种时序：
全航段时序：全航段时序发生在航前APU启动到航后APU关车整个航段期间，涵盖地面航前状态，空中飞行状态与地面航后状态。
如图9所示，图中：T0＝APU启动到主发动机启动的持续时间；T1＝主发动机启动到APU关车的持续时间；T2＝APU启动到APU关车之间的持续时间；T3＝APU启动到主发动机关车之间的持续时间；T4＝主发动机关车到APU关车之间的持续时间；SQAT＝Ground飞机在地面；SQAT＝Air飞机在空中；AOS＝OP航班运行状态；AOS＝MT勤务状态。
航后地面时序：航后地面序发生在飞机着陆后到航后APU关车期间。期间航班号无变化，主发动机启停状态无变化。
如图10所示，图中：T5＝APU启动到主发动机启动的持续时间；SQAT＝Ground飞机在地面；SQAT＝Air飞机在空中；AOS＝MT勤务状态；
航前地面时序：航前地面时序发生在航前地面APU启动到APU关车期间。期间，主发动机启停状态可能发生变化，但航班信息无变化。
如图11所示，图中：T0＝APU启动到主发动机启动的持续时间；T1＝主发动机启动大APU关车的持续时间；T2＝APU启动到APU关车之间的持续时间；T3＝APU启动到主发动机关车之间的持续时间；T4＝主发动机关车到APU关车之间的持续时间；SQAT＝Ground飞机在地面；AOS＝MT勤务状态。
关于参数采集模块：
为了监控与记录APU所有“启停”事件，参数采集模块必须采集机身运行参数和APU运行参数。机身运行参数包括飞机号、航班号、航班号变更时间、空地状态和空地状态变更时间。APU运行参数包括APU序号、APU累积运行小时数(精确到分或小数点后2位)、APU本循环运行小时数(精确到分或小数点后2位)、APU累积运行循环数、APU监控事件时间–T0～T5的开始时间(参见图9～11)、APU监控事件持续时间–T0～T5(参见图9～11)、APU监控事件期间平均燃油流量、APU监控件期间燃油总消耗量、APU启动日期/时间(日时分)和APU关车日期/时间(日时分)。根据需要，参数采集模块还可以采集主发动机运行参数，包括主发动机启动日期/时间(日时分)和主发动机关车日期/时间(日时分)。
下表为参数采集模块中部分参数定义清单：
Figure BDA0002287419230000151
Figure BDA0002287419230000161
(表5)
表头中文含义：SEQ-编号；MNEMONIC-名称；PARAMETER DESCRIPTION-参数描述；FORMAT-参数格式；is Acquired Param-是否为ARINC429总线采集参数；is ComputedParam-是否为系统内部计算参数；Acquired Algorithm-参数采集算法；NOTES-备注信息。
关于事件模块：
事件模块包括参数快照子模块和事件触发子模块，事件触发子模块包括上次事件标量赋值子模块、重置循环累积变量子模块、多个分别与各APU运行状态事件相对应的触发器各触发器。人为操控使某一基态的APU运行状态事件被触发进而触发与该APU运行状态事件相对应的触发器，该触发器指令参数采集模块从飞机数据系统(机身系统总线、APU总线和主发动机总线)中采集机身运行参数和APU运行参数。
㈠参数快照子模块
如图12所示，参数快照子模块根据参数采集模块中相关参数定义将机身运行参数和APU运行参数生成参数快照。具体的，参数快照1在APU启动时触发；参数快照2在航班号变更或GW初始化时触发；参数快照3在飞机空地状态变更时触发；参数快照4在大发启动时时触发；参数快照5在大发关车时触发；参数快照6在APU关车时触发。参数快照中各参数从APU总线、主发动机/EEC总线和ARINC/机身系统总线获取。
如图13所示，是参数快照预留设置界面。预留设置涉及到快照在机载ACMS系统中的内存分配以及最大缓存的数量。快照在ACMS内存中生成，如果启用ACARS自动下行传输，则参数快照将被立即发送；如果启用ISD备份存储，则参数快照将在飞机主发动机关车后从内存中一次性写入ISD设备(如PCMCIA)。若“预留”设置不当，则可能导致快照丢失，如飞机进行试飞时，可能多个连续起落触发大量快照生成，但主发动机并不关车，因此大量快照需要缓存在内存中。
其中：最大副本数(Max Copies Total)＝200，即缓存总是超过200个时，之前缓存的快照将丢失；最大副本每航班(Max Copies per Flight)＝20，即每个航班缓存的总是超过20个时，之前缓存的快照将丢失；航段数(Number of Flight Legs)＝10，即缓存的总航段数为10；保留最新的快照(Keep Last)＝Yes，即总是保持最新的快照被缓存，丢失的总是最老的快照。
如图14所示是路由(Routing)设置界面。路由设置决定快照生成时自动向外设输出的行为，此项设置选项较多，本实施例仅给出相关的设置：ACARS、Recorder与Printer选项。
⑴ACARS选项：
Automatic＝No快照生成时不会自动通过ACARS发送，此多是基于ACARS传送资费的考虑；若Automatic＝Yes，则快照生成时将自动通告ACARS发送，将造成一定的资费开销。
Manual＝Yes在驾驶舱MCDU/ACMS页面上允许向ACARS执行人工发送操作。
Formatted＝Yes向ACARS发送的快照内容为预定义的格式化报文。
⑵Recorder选项：
Automatic＝Yes快照生成时会自动保存在ACMS ISD设备中。
Manual＝Yes在驾驶舱MCDU/ACMS页面上允许向ISD执行人工存储。
Formatted＝Yes向ISD存储的快照内容为预定义的格式化报文。
⑶Printer选项：
Automatic＝No快照生成时会向机载打印机自动输出；否则，若Automatic＝Yes，快照生成时会向机载打印机自动输出。
Manual＝Yes驶舱MCDU/ACMS页面上允许将缓存中的快照向机载打印机执行人工输出操作。
Formatted＝Yes向机载打印机输出的快照内容为预定义的格式化报文。
参数快照包括机身运行参数、APU标识参数、单次事件参数、监控时间窗的参数汇总和监控周期内的累积参数，其中，单次事件参数、监控时间窗的参数汇总和监控周期内的累积参数属于APU运行参数。
根据工程上一般用途的需求，提供三种格式的参数快照：打印格式快照，用于机载打印机硬拷贝输出。ACARS格式快照，为打印格式快照的“紧凑”格式，其通过ACARS空地数据链传送到地面系统,由“参数解码模块”自动解析并完成存储。ISD格式快照编码格式，与ACARS格式快照完全相同，其自动保存在机载ACMS系统的ISD设备中，为ACARS格式快照备份载体。当ACARS系统故障(或基于ACARS传送资费成本的考虑)，无法实现ACARS格式快照自动下传时，可从ISD中获得同样的快照内容。
AOSM的多种快照格式为航空公司提供不同的业务需求选择，其中打印格式可在驾驶舱打印机上输出，提供直接的友好的参数阅读体验；ACARS格式与ISD格式提供紧凑格式的数据传送与存储方式，节省数据传送与存储开支。
㈡事件触发子模块
当AOSM事件(见表2)按照全航段时序(见图9)发生时，称为AOSM事件被触发，其触发编号为CSNAOSM1～6，如图15所示。其触发逻辑如下：
(1)CSNAOSM1：机组在工作-航班号或GW初始化时触发。
(2)CSNAOSM2：空地状态变化-两秒钟之内空地信号不相同,即空地信号改变。
(3)CSNAOSM3：APU启动-APU启动开关在ON位+两秒钟之内转速增加超过2％。
(4)CSNAOSM4：大发启动-两秒钟之内任何一台主发动机燃油流量增加超过最低燃油流量监控值(300lb/h)。
(5)CSNAOSM5：APU关车-两秒钟之内转速减小过2％。
(6)CSNAOSM6：大发关车–飞机在地面，且两秒钟之内任何一台主发动机燃油流量减小过最低燃油流量监控值(300lb/h)。
SQAT＝GND飞机在地面；SQAT＝AIR飞机在空中；AOS＝OP航班运行状态；
AOS＝MT勤务状态。
考虑到传感信号偶发性故障造成的不稳定数据采集，单次DFDAU PowerOn/Off周期之内总AOSM报文不超过99个。DFDAU为ACMS软件系统的机载宿主计算机。
⒈上次事件标量赋值子模块
如图16所示，该子模块完成对上次AOSM事件标量赋值(下称AOSM-P-Value)的操作，被触发器CSNAOSM1～6共享调用。AOSM-P-Value的操作变量包括：AOSMNOP：上次AOSM快照的编号，其由输入的“AOSM-P-Value指示器”的数值确定；上次AOSM快照时的日期与时间变量；上次AOSM快照时的APU燃油流量；上次AOSM快照时1/2号主发动机的燃油流量。
⒉重置循环累积变量子模块
如图17所示，该子模块完成对重置AOSM循环累积变量(下称Reset-AOSM-Cyc-Value)的操作，被触发器CSNAOSM1～6共享调用。
Reset-AOSM-Cyc-Value的操作变量包括：两次AOSM事件之间APU的平均燃油流量；两次AOSM事件之间APU的累积燃油耗量；两次AOSM事件的持续时间(秒)；两次AOSM事件之间1号主发动机的持续运转时间(秒)；两次AOSM事件之间2号主发动机的持续运转时间(秒)；两次AOSM事件之间1号主发动机的平均燃油流量；两次AOSM事件之间2号主发动机的平均燃油流量；两次AOSM事件之间1号主发动机的累积燃油耗量；两次AOSM事件之间2号主发动机的累积燃油耗量。
⒊触发器
其中，六个触发器分别与各APU运行状态事件相对应。第一个触发器，本触发器在飞机航班号发生变化或GW(毛重–机组人工输入)初始化时触发生成AOSM报文。第二个触发器，本触发器在飞机空地状态发生变化时触发生成AOSM报文。第三个触发器，本触发器在APU启动时触发。第四个触发器，本触发器在主发动机启动时触发。第五个触发器，本触发器在APU关车时触发。第六个触发器，本触发器在主发动机关车时触发。
还有触发器PAOSM，触发器PAOSM是一个系统后台进程，该触发器作为系统后台进程，在全部飞行模式状态下自动激活。启动条件：每秒钟自动触发。触发器PAOSM收集并计算APU燃料/时间数据，这些数据根据AOSMNO指示器“AOSMNOP 1～6”，以及1/2号主发动机全程运转周期内的燃油和时间数据；其中，计算参数列表包括：两个相邻AOSM事件之间的参数计算(循环累计参数)、所有AOSM事件的参数累积计算，直到ACMS模块重新初始化、单独计算每类AOSM事件的参数(AOSM事件号相同的为同类AOSM)和非易失(NVM)型AOSM变量计算。
关于快照数据存储模块
若启用路由设置中Recorder选项的Automatic＝Yes选项(参见图14)，则AOSM ISD格式快照将会被保存在ISD设备中，以ASCII编格式的文件形式存在，事后人工获取；若飞机安装WQAR或同等设备，这些文件会在飞机着陆与主发动机关车之后通过3G/4G/5G移动网络自动传送到航空公司地面系统中，下称这些文件为QARMessage文件，其文件内容称为AIDS数据。
AOSM快照数据的存储，以嵌入的方式保存在QARMessage文件的AIDS数据中，如图18所示是QARMessage文件样本。
AIDS数据块中，除了包含AOSM快照数据之外，OEM预先植入的AIDS数据同时存在其中，并可能混杂各种“噪声数据”(如图18所示)。其中AIDS数据的总体存储容量与机载ACMS软件对IDS预分配的空间有关，可通过机载ACMS配置工具软件进行设定。
关于快照数据提取模块
如图19所示，该模块由一套独立运行的计算机私服软件(QMTrans–下称QM)组成，其架构如下：由用户测试子模块、动态库子模块与系统服务子模块组成；动态库子模块是以.Net组件封装形式运行的动态库文件；系统服务子模块提供自动运行的系统服务支持。
用户测试子模块主要由测试操作子模块、数据清理测试子模块和数据块结构定义子模块组成。参见图20，测试操作子模块，该子模块调用QMTrans.dll内置的用户UI，完成QARMessage文件的转录规则定义，写入其本地配置数据库中。通过调用动态库模块内的doQMTrans主接口方法完成转录测试；通过调用动态库模块内的TruncateMessyCode接口方法完成噪声/乱码(非可视键盘字符)数据清理测试。
参见图21，数据清理测试子模块剔除AIDS/AOSM数据块中的乱码(非可视键盘字符)，转录输出的AIDS/AOSM数据块内部可能含有乱码内容，此工具选项提供对其乱码内容剔除的测试。该功能有效避免机载设备采集飞行数据时，由于设备工况或环境原因引入的干扰对数据质量的影响。
数据块结构定义子模块被封装在一个系统动态链接库文件中，完成AOSM数据块转录规则的定义。如图22所示，其中：QMTrans Start Identification(下称QMTransStartIdent)，决定一个AIDS数据块转录的开始标识；如图23所示，QMTrans EndIdentification(下称QMTransEndIdent)，决定一个AIDS数据块转录的结束标识。一个QMTransStartIdent可对应多个QMTransEndIdent。
系统服务子模块以系统服务的形式驻留系统内存，通过读取“本地配置文件”中的QARMessage文件的监听目录指向参数，访问QARMessage文件的监听目录，将其作为实参传入QMTrans.dll的doQMTrans主接口方法,以多线程模式启动QARMessage文件的转录任务，在输出转录输出独立的AIDS/AOSM数据块的同时，也输出完整的监听日志记录。
如图24所示的是数据格式转换模块架构示意图，数据格式转换模块将QARMessageFile中的AOSM数据块转换为符合ARINC620标准的ACARS报文格式。由于QARMessageFile中的AIDS数据块不可能含有ARINC620标准的ACARS报头信息，这些报头信息在本模块中被“模拟生成”后合并AOSM数据块，符合ARINC620标准定义，本发明中称之为“VCARS”(Virtual ACARS–虚拟ACARS)格式，以示与真实ACARS的区别。
AOSM的VCARS格式，与航空公司已有的ACARS报文解码器兼容，因此不需另外搭建发针对AOSM数据格式的数据解码体系，只需要将本模块嵌入其已有系统中即可。即：若航空公司启用ACARS选项，可将AOSM ACARS格式快照直接输入到其ACARS报文解码器中；若航空公司启用本发明中的Recorder选项，只需要将本模块嵌入其已有系统中即可。
参见图24，数据格式转换模块将AOSM快照数据转换为ARINC620标准的ACARS报文格式，提供与航空公司现有ACARS报文解码系统的兼容接口，降低航空公司地面系统搭建的成本。数据格式转换模块按照如下过程处理，输出AOSM VCARS报文：ACARS报文解码器进程向主调公用接口函数“doAOSMVCARSConvertor”输入以下参数：虚拟ACARS队列节点地址、虚拟DSP地址、虚拟DSP三字代码、虚拟地面站三字代码和航空公司二字代码(用于生成AOSMVCARS报文ARINC620标准报头)；主调接口函数“doAOSMVCARSConvertor”完成AOSM数据块基本属性解析，并析出如下参数：飞机号、航班号和时间戳(必须经过容错/标准化处理后用于生成AOSM VCARS报文ARINC620标准报头)；将以上参数与AOSM数据输入到“ACARS(VCARS)格式报文输出”子模块，合成的ARINC620-ACARS报头后与AOSM数据块叠加，生成AOSM VCARS格式报文。
关于数据库处理模块
数据库处理模块包括数据库存储子模块、统计聚合数据库处理子模块和报文内容显示子模块，报文以结构化数据形式保存在数据库存储子模块中。数据库存储子模块的数据库字段映射表部分如下：
Figure BDA0002287419230000221
(表6)
统计聚合数据库处理子模块提供根据不同场景状态检索APU使用时间与燃油消耗情况的数据挖掘功能。统计聚合数据库处理子模块由两个子模块组成：统计结果存储子模块与统计聚合过程子模块。其中，统计聚合过程子模块遍历AOSM场景矩阵，对数据库存储子模块中的结构化数据进行统计分析计算，将其计算结果保存在统计结果库表中，以备根据不同统计需求随时调出。
以下的统计结果库表保存统计聚合过程的计算结果，其数据结构如下：
Figure BDA0002287419230000222
Figure BDA0002287419230000231
(表7)
根据不同的业务需求，通过对统计结果库表的检索，可得到聚合统计输出。
报文内容显示子模块对于以结构化数据形式保存在数据库存储子模块中的报文提供打印格式内容显示和原始格式内容显示。该功能免去航空公司对大量AOSM快照文件归档的存储成本，以及规避海量非结构化数据检索的困难。
如图25所示，通过f_get_AOSMPRTF_DFD_B737NG(RAW_ID)命令，指定RAW_ID，可调用B737NG机型AOSM报文打印格式快照。
参见图14，若启用ACARS选项，将其结构化数据存储在数据库中，其原始格式为ACARS报文的原始格式；若启用Recorder选项，通过VCARS格式转换之后将其结构化数据存储在数据库中，其原始格式为VCARS报文的原始格式。如图26所示，通过get_acarsraw_full(RAW_ID)命令，指定RAW_ID，可显示其原始格式。

Claims (10)

1.一种飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：它包括在飞机通电周期中处于工作状态的机载系统和地面系统，所述机载系统设置在机载嵌入式可编程模块中，所述机载系统主要由运行状态机定义模块、事件模块、时序模块和参数采集模块组成，所述运行状态机定义模块用于定义APU运行状态机并将其分解成各种基态，APU运行状态机在所述时序模块提供的时序上维持，各种基态设定不同的APU运行状态事件，所述事件模块包括多个分别与各APU运行状态事件相对应的触发器，人为操控使某一基态的APU运行状态事件被触发进而触发与该APU运行状态事件相对应的触发器，该触发器指令所述参数采集模块从飞机数据系统中采集机身运行参数和APU运行参数，并对APU运行参数进行累积，累积后的APU运行参数被传送至机载嵌入式可编程模块的非易失内存中保存；所述地面系统主要由场景矩阵模块和数据库处理模块组成，累积后的APU运行参数和机身运行参数作为采集数据由所述数据库处理模块接收和储存，所述数据库处理模块再根据所述场景矩阵模块提供的APU运行场景对所述采集数据进行分析计算形成计算结果后储存，以备根据不同统计需求将计算结果调出使用。
2.根据权利要求1所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述事件模块还包括参数快照子模块，所述参数快照子模块根据参数采集模块中相关参数定义在相应的APU运行状态事件被触发时将所述采集数据生成参数快照。
3.根据权利要求2所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述参数快照包括机身运行参数、APU标识参数、单次事件参数、监控时间窗的参数汇总和监控周期内的累积参数，其中，所述单次事件参数、监控时间窗的参数汇总和监控周期内的累积参数属于所述APU运行参数。
4.根据权利要求3所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述事件模块还包括上次事件标量赋值子模块和重置循环累积变量子模块，所述上次事件标量赋值子模块用于完成对上一次APU运行状态事件标量赋值的操作，并被各触发器共享调用；所述重置循环累积变量子模块用于完成重置循环累积变量的操作，并被各触发器共享调用。
5.根据权利要求4所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述参数快照通过ACARS形成报文实时传送至地面系统，并由所述数据库处理模块进行处理。
6.根据权利要求4所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述机载系统还包括快照数据存储模块，所述地面系统还包括快照数据提取模块和数据格式转换模块，所述参数快照存储在所述快照数据存储模块中，在飞机航后，所述参数快照通过蜂窝移动网络发送至地面系统，所述快照数据提取模块提取参数快照，再由所述数据格式转换模块将参数快照转换为报文并传送至所述数据库处理模块进行处理。
7.根据权利要求6所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述快照数据提取模块包括用户测试子模块、动态库子模块与系统服务子模块，所述动态库子模块是以.Net组件封装形式运行的动态库文件；所述系统服务子模块提供自动运行的系统服务支持；所述用户测试子模块主要由测试操作子模块、数据清理测试子模块和数据块结构定义子模块组成，所述数据清理测试子模块剔除AIDS/AOSM数据块中的乱码；所述数据块结构定义子模块被封装在系统动态链接库文件中，完成AOSM数据块转录规则的定义；所述测试操作子模块调用QMTrans.dll内置的用户UI，完成QARMessage文件的转录规则定义，写入其本地配置数据库中，并调用动态库子模块内的doQMTrans主接口完成转录测试，调用动态库子模块内的TruncateMessyCode接口完成噪声/乱码数据清理测试。
8.根据权利要求5～7任一项所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述数据库处理模块包括数据库存储子模块、统计聚合数据库处理子模块和报文内容显示子模块，所述报文以结构化数据形式保存在数据库存储子模块中；所述统计聚合数据库处理子模块包括统计结果存储子模块与统计聚合过程子模块，所述统计聚合过程子模块遍历所述场景矩阵模块的场景矩阵，对数据库存储子模块中的结构化数据进行分析计算，将计算结果保存在统计结果存储子模块中；所述报文内容显示子模块对于以结构化数据形式保存在数据库存储子模块中的报文提供打印格式内容显示和原始格式内容显示。
9.根据权利要求8所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述基态为15种，第一种基态：飞机在地面，主发动机处于关闭状态，机组完成航班初始化后启动APU期间；第二种基态：飞机在地面，启动APU之后，启动主发动机期间；第三种基态：飞机在空中，启动APU之后，在空中启动主发动机期间；第四种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机进入慢车状态期间；第五种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机进入滑行状态期间；第六种基态：飞机在地面，主发动机启动后到APU关车之间，主发动机又进入关车状态期间；第七种基态：飞机在地面启动主发动机之后，飞机在空中关闭APU；第八种基态：飞机在地面，APU关车后，进入起飞状态期间；第九种基态：飞机起飞之后，在飞行过程中关闭APU期间；第十种基态：飞机在空中关闭APU，然后飞机着陆期间；第十一种基态：飞机着陆过程中启动APU；第十二种基态：飞机着陆后启动APU，至主发动机关车期间；第十三种基态：飞机着陆后启动APU，至滑靠廊桥之前更改航班计划期间；第十四种基态：飞机着陆后，在滑行过程中更改航班计划；第十五种基态：主发动机关车后，至机组更改航班计划期间。
10.根据权利要求9所述的飞机辅助动力单元运行状态监控装置，其特征在于：所述时序模块定义三种时序，分别是全航段时序、航后地面时序和航前地面时序；所述全航段时序是指在航前APU启动到航后APU关车整个航段期间；所述航后地面时序是指在飞机着陆后到航后APU关车期间；所述航前地面时序是指在航前地面APU启动到APU关车期间。
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