CN113825038B - 一种飞机发动机高级振动监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机发动机高级振动监测装置，其被配置为执行如下流程：通过ACMS实时监控发动机振动超限事件，在事件发生时，自动采集相关参数信息并通过下行ACARS报文及时向地面系统反馈，从而使地面端能及时获知发动机振动超限事件的发生并及时准确地获取对监控与分析发动机振动情况有用的相关数据。

Description

一种飞机发动机高级振动监测装置

技术领域

本发明涉及航空交通运输业，特别涉及大型商业运输飞机发动机振动监控方面，具体涉及一种用于实时监控与分析发动机振动情况的装置。

背景技术

大型商业运输飞机发动机振动现象

现代民航客机大部分采用涡轮风扇发动机作为其主要动力与供电来源。该类型发动机具有起飞推力大、排气速度低和噪音小等特点，其结构一般由进气道、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、喷管、风扇和外涵道组成。经过燃烧室的气体形成高密度和高压的气流，随后推动涡轮机旋转。旋转的涡轮通过转子输出扭力从而带动更多的涡轮和风扇旋转，获取更多的气体产生推力。

在商业运行过程中，由于设计缺陷、外来物撞击或维护缺失等原因，高速旋转的发动机部件可能会偏离设计的平衡状态，从而导致发动机发生振动现象。例如PW1100型发动机的低压涡轮3级叶片在初始设计时采用轻质的钛铝合金材料制作，重量轻但强度较差，导致发动机在运行过程中容易出现叶片断裂，目前世界范围内已经发生多起该原因导致的发动机突发高振动事件。对于商业运行飞机，出现此类高振动事件将极大概率地导致飞行员在空中关闭受影响的发动机并进行备降操作，对民航运行安全产生了极大的威胁。

现有发动机振动监测手段及其缺点

由于发动机高振动现象极大地影响了民航运输的安全性，各运营人都建立了相应的故障报告与监控机制，力图在最短的时间内发现问题并采取措施。当高振动情况发生时，飞机的电子中央监控系统(ECAM/EICAS)将会产生高振动警告并提醒飞行员。通常情况下，飞行员会立即根据飞行手册进行故障核实，并采取相应的措施，而通过卫星电话或者航空电报告知地面工程师则可能发生在事件数分钟之后。这种事件汇报方式存在延迟较大、信息传递少和传递错误等弊端。

事件发生后，地面发动机工程师只能依靠卫星电话中极少量的语音信息对故障原因进行分析，并依靠这些不完整甚至不准确的信息预先准备排故措施。而依赖QAR(快速存取记录器)数据分析的手段必须要等到航班落地后数十分钟才能实现。

此外，未触发ECAM/EICAS(或同类机组警告显示组件)警告的振动事件可能会疏于监控，瞬时振动并未触发飞行员操作和报告机制的振动事件只会通过航后飞行记录本的形式传递信息，这些由于信息传递不即时，以及信息颗粒度不够的情况，极大地阻碍了发动机的预防性维修工作，甚至为更严重故障埋下隐患。

发明内容

本发明的发明目的是，提供一种用于使非机组成员也能实时监控与分析飞机发动机振动情况的装置。

本发明的发明目的通过如下技术方案实现：一种飞机发动机高级振动监测装置，其被配置为执行如下流程：通过ACMS(飞机状态监控系统)实时监控发动机振动超限事件，在事件发生时，自动采集相关参数信息并通过下行ACARS报文及时向地面系统反馈，从而使地面端能及时获知发动机振动超限事件的发生并及时准确地获取对监控与分析发动机振动情况有用的相关数据。

所述装置具体包括如下嵌入在ACMS中的程序模块：

ACMS发动机振动参数采集模块，用于实时采集发动机的振动值；

ACMS振动监控逻辑模块，用于对所述振动值进行过滤和监控，并依据监控逻辑触发ACARS振动警告报文的数据采集和发送；

ACMS振动警告报文数据采集模块，用于在接收到所述ACMS振动监控逻辑模块发出的报文数据采集指令后，按照预设的规则进行数据采集；

ACMS振动警告报文传输模块，用于在收到所述ACMS振动监控逻辑模块发出的报文发送指令后，将所述ACMS振动警告报文数据采集模块采集的数据以设定格式编排到报文中并通过ACARS链路传输至地面系统。

所述ACMS振动监控逻辑模块，包括若干振动监控子模块，每个所述振动监控子模块对每台发动机进行独立监控和指令触发。

一般飞机配置两台以上的发动机，所以这里的若干指两个以上。各振动监控子模块对各发动机进行独立监控，在监控到相应发动机发生振动超限事件后，该振动监控子模块发送针对于该发动机的数据采集指令和数据发送指令，各振动监控子模块之间彼此互不干扰。

所述振动监控子模块包括：

发动机振动超限捕获模块，在程序处于搜索状态时，对所述振动值进行监控，判断其是否超过相应的阈值，并在监控到所述振动值超过阈值后，驱动程序由搜索状态进入捕获状态；

捕获振动超限处理模块，在程序进入捕获状态后，记录振动事件开始时间，将振动事件报文序号置为1，分配振动事件超限代码，然后发出报文数据采集指令，并启动报文时间计数器；

在所述报文时间计数器计时达到设定时长T1时，发出报文发送指令，重启所述报文时间计数器，并判断当前振动值是否持续超限：

若是，振动事件报文序号+1，然后再次发出报文数据采集指令；

若否，驱动程序返回搜索状态对所述振动值继续监控；

所述T1值根据单个报文的容量限制设置。

所述ACMS振动警告报文数据采集模块具体在收到所述数据采集指令后，分别进行瞬时采集和时间窗采集；

瞬时采集用于采集用来说明发动机振动超限事件总体情况特征的数据，其中包括由所述ACMS振动监控逻辑模块记录的所述振动事件开始时间，振动事件报文序号，振动事件超限代码等；

时间窗采集用于采集描述在设定时长T2内发动机振动事件发展过程的数据，T1＝T2。

本装置对任意振动事件持续监控，对连续振动事件，通过ACMS振动监控逻辑模块与ACMS振动警告报文数据采集模块以及ACMS振动警告报文传输模块的配合，将一个连续的振动超限事件依据ACARS报文容量限制进行分段，记录下整个超限事件发展过程的同时，既避免了ACARS报文容量的限制，也满足了振动数据即时下传的要求。

所述发动机振动超限捕获模块监控的发动机振动值包括风扇振动值和核心机振动值，并优先监控核心机振动值，只有在核心机振动值未超限后才对风扇振动值进行判定。

所述发动机振动超限捕获模块监控的风扇振动值和核心机振动值的阈值取值范围为1.0CU≤阈值≤5.0CU。ECAM警告只监控振动值大于5CU时的情况，本发明中建议阈值在1.0～5.0CU范围内取值，在某些情况下，1.0CU≤振动值≤5.0CU的振动事件，也值得引起工程师的警惕，可以作为预防性维修的数据来源。

所述发动机振动超限捕获模块通过如下方式监控所述振动值是否超限，其包括：

输入模块，用于一被监控参数振动值的持续获取；

信号效验模块，通过调用ACMS的信号校验语句对输入模块输入的被监控参数振动值进行校验；

延迟模块，用于获取输入模块当前输入的被监控参数振动值的历史数据；

阈值比较模块，完成输入模块输入的被监控参数的当前振动值以及延迟模块输入的当前被监控参数的历史振动值与其阈值之间的比较；

逻辑与门，对信号效验模块和阈值比较模块的输出进行与运算；

超限判定结果输出模块，用于根据所述逻辑与门的运算结果，判断被监控参数振动值是否超限，只有在采集的数据有效并且所有数据都大于相应的阈值时，才输出“超限”。

在振动值超限判断上，本发明结合了数据校验和多时间点采样比较的方法，在保证采集数据有效的前提下，使用历史数据与当前数据一起进行比较判断可大大降低错误警报的发生。

所述历史数据选择T3秒前到当前时间之间的采样数据，2≤T3≤5。历史数据不宜采集过多，否则会降低警告的灵敏性。

所述ACMS振动警告报文数据采集模块在收到所述报文数据采集指令后，采集的时间窗设置如下：从接收到所述报文数据采集指令前持续到其后合计时长为T2，提前时间大于T3秒，一般大于1或2秒较为推荐。

由于振动超限判定时历史数据的参与，判定振动超限事件发生存在一定的滞后，将数据采集时间窗起点设置在振动事件真实发生时间点以前，以便收到报文的工程师可以观察事件从未超限到超限状态的演变。

所述时间窗采集方式采集的参数包括：

N1A1P；N2A1P；FFP1；FFRP1；VB1P1；VB2P1；OITP1；OIPP1；OIQP1；EGT1P；FFAN1P；FVN11P；FVN21P；N1COM1P；RFAN1P；RVN11P；RVN21P；ODP1P；UTCSS。

所述瞬时采集方式采集的参数包括：

FLTNUM；TATP；ALTP；CASP；MNP；GWP；CGP；CPU2VER；ENGTYPE；ENGVERP；ACID1REP；ACID2REP；ACID3REP；ACID4REP；ACID5REP；ACID6REP；FROM1；FROM2；FROM3；FROM4；TO1；TO2；TO3；TO4；QSW42161；DATEYY；DATEMM；DATEDD；UTCHH；UTCMM；UTCSS；PHNUMPRT；PFLP；PFRP；ADW1B111；QSW30181；QSW31181；ICESW272；ICESW282；BMCW4152；BMCW4172；BMCW5151；BMCW5172；0VERHW；RPTCNT47；RPTCD947；CZMDV1T1；CZMDV2T1；CZMDUTC1；CZMDSRC1；ESNL1；ESNL2；ESNL3；ESNL4；ESNL5；ESNL6；EHRS1P1；ECYC1P1；BAFP1；HPCTC1P；LPCTC1P；NF1P；PB1P；SVAP1；TLA1P；VSVA1P；ODM5F1；ODM6F1；ODM7F1；B251P。

本发明装置还包括MCDU振动参数调节显示程序模块，该模块集成于MCDU之中，其通过开发振动监控相关页面并关联阈值参数实现，其用于获取各所述振动监控子模块当前的振动阈值并显示在MCDU显示屏上，这些阈值具有不同的参数名，并通过MCDU振动监控相关页面调节各阈值参数，实现对不同飞机不同发动机的风扇和转子分别设置监控阈值的能力，满足飞机设备个体差异导致监控细则变化的工程实际需求。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)本发明能实时捕获飞机发动机振动超限事件，并及时发送发动机振动警告信息至地面系统

目前飞机的发动机振动警告信息只能通过ECAM/EICAS机载系统实时提醒飞行员，或者通过航后故障报文和QAR数据在航班结束后告知地面维修人员。本发明装置通过机载软件监控、ACARS报文发送与地面系统解析，提供了一种实时监控发动机振动情况，并即时发送警告信息至地面系统的方法，使地面工程师可以即时掌握发动机振动超限状况，解决现有技术中信息传递不及时和传递信息不完整甚至不准确等问题；

2)记录振动超限事件的发展过程

本发明通过定时触发数据采集、发送指令和瞬时以及时间窗数据采集方式的配合，将一个持续较长时间的振动事件依据ACARS报文容量限制进行分段，记录整个振动超限事件发展过程的同时，既避免了ACARS报文容量的限制，也满足了振动数据即时下传的要求；本发明还通过时间窗采集时间的设置，使工程师可以观察到事件从未超限到超限状态的演变过程；

3)本发明在振动值超限判断上，结合了数据校验和多时间点采样比较的方法，在保证采集数据有效的前提下，使用历史数据与当前数据一起进行比较判断，可大大降低错误警报的发生；

4)本发明记录的发动机振动相关参数不仅准确而且全面，有利于地面工程师提前分析发动机故障原因和安排维修工作；

5)在机载端实现针对单台发动机的振动警告阈值的航线配置能力

本发明通过MCDU振动阈值设置的方法，实现针对每架飞机每台发动机的振动警告报文触发阈值的差异化设置，达到使发动机振动监控方案更灵活便捷的目的。

说明书附图

图1为本实施例总体思路的示意图；

图2发VB1数据采集界面1；

图3发VB1数据采集界面2；

图4发VB1数据采集界面3；

图5发VB2数据采集界面1；

图6发VB2数据采集界面2；

图7发VB2数据采集界面3；

图8监控逻辑总体架构图；

图9振动监控子模块状态机；

图10发动机振动超限捕获模块；

图11捕获振动超限处理机制；

图12振动监控程序模块植入ACMS触发器中；

图13瞬时采集数据结构示意图；

图14瞬时采集数据在ACMS上的设置1；

图15瞬时采集数据在ACMS上的设置2；

图16时间窗采集模式说明；

图17时间窗采集数据在ACMS上的设置1；

图18时间窗采集数据在ACMS上的设置2；

图19报文ACARS格式总览；

图20报文ACARS格式结构；

图21报文ACARS格式在ACMS上的设置1；

图22报文ACARS格式在ACMS上的设置2；

图23报文打印格式总览；

图24报文打印格式在ACMS上的设置1；

图25报文打印格式在ACMS上的设置2；

图26路由功能在ACMS上的设置；

图27报文下传路径在ACMS上的设置；

图28报文传输数量在ACMS上的设置；

图29 MCDU报文编辑界面；

图30 MCDU报文参数编辑界面；

图31 MCDU振动报文参数调节界面；

图32机载MCDU振动警告报文触发阈值设定界面；

图33 B-8368默认振动报文警告阈值；

图34 B-8368振动报文警告阈值修订值；

图35振动报文订阅界面-报文种类；

图36振动报文订阅界面-飞机号选择；

图37振动报文订阅界面-订阅规则设置；

图38振动报文订阅界面-订阅核对；

图39振动报文订阅界面-邮件接收人设置；

图40实时警告邮件预警案例；

图41警告邮件内容；

图42 FIADA振动报文查询界面；

图43 FIADA振动报文打印格式展示界面；

图44 FIADA振动报文时间窗数据查询；

图45 FIADA振动报文时间窗数据曲线与数理统计。

具体实施方式

本实施例的总体思路如图1所示，背景技术里我们介绍到，当高振动情况发生时，飞机的电子中央监控系统(ECAM/EICAS)会自动产生高振动警告并提醒飞行员，但航行阶段，通知地面工程师，只能依靠机组人员通过卫星电话或者航空电报进行转告，这种方式，不仅存在较大延迟，而且，传递信息质量不高。本实施例拟通过在机载ACMS系统中增设监控飞机发动机振动情况的自主监控逻辑，在高振动情况发生致使所述监控逻辑被触发时，机载ACMS系统自动收集相关参数信息，并通过下行ACARS报文到地面系统的方式及时提醒地面工程师，以实现机载与地面端实时监控与分析发动机振动情况。

下面将以空客A32X Neo PW发动机系列飞机为范例，详细讲述上述方案的具体实现方式。

一种飞机发动机高级振动监测装置，在飞机通电阶段，其通过以下模块实现飞机发动机振动情况检测、监控与相关功能的设置：

1、ACMS发动机振动参数采集模块

本模块作为本实施例装置的发动机振动数据输入接口模块，通过ARINC 429总线实时采集发动机电子控制器(EEC)的风扇和转子的振动值，以上振动值与飞行员收到的飞机电子中央监控系统(ECAM/EICAS)的振动警告数据来源一致。该振动值将作为输出数据传入下文中的ACMS振动监控逻辑模块。

1.1、发动机振动参数介绍

以PW1100G-JM型发动机为例，PW1100G-JM型发动机的振动情况主要通过分析低压转子和高压转子的振动来推断。由于低压转子作用于低压压气机和低压涡轮，高压转子作用于高压压气机和高压涡轮，飞机中央监控系统通过获取风扇振动值(VB1)和核心机振动值(VB2)来判断两个转轴的振动情况。

这两个振动值的主要特征如表1所示。

表1振动值的主要特征

任意一个发动机的振动值超过5CU都是很严重的事件，需要即时监控。振动值大于5CU 3次导致的停场检修将对运营单位造成巨大的营收损失和检测修理费用。此外，振动值介于1CU到5CU之间的振动事件，在某些情况下也值得引起工程师的警惕，可以作为预防性维修的数据来源。所以，建议将发动机振动超限判定阈值设置在1CU与5CU之间，可根据发动机具体情况进行调节为佳。

由于每一台发动机都存在以上2个参数，每一架飞机共有4个振动参数需要监控，通过在振动参数标识符后标注“1”和“2”来区别不同的发动机。例如VB11表示1发的风扇振动值，VB12表示2发的风扇振动值，VB21表示1发的核心机振动值，VB22表示2发的核心机振动值。

1.2、扇振动值(VB1)采集

本模块使用机载嵌入式可编程系统ACMS实现数据的采集，通过设置数据采集规范达到准确采集风扇振动值的目的，以满足监控逻辑需要的频率、精度和数据格式等要求。

通过分析监控逻辑需求，VB1参数至少需满足以下参数特性采集标准，如表2所示。

表2 VB1参数特性采集标准

数据采集类型	采集精度	采集频率	缓存时间	采集源
					DITS	至少0.1CU	至少1Hz	至少20秒	EIU1

针对ARINC 429总线数据传输，需按照以下标准进行采集，如表3所示。

表3 VB1参数特性采集标准

根据以上采集要求，在ACMS软件中实现该参数采集的设置，此处以1号发动机为例，具体如图2、3、4所示。

1.3、核心机振动值(VB2)采集

与VB1的采集思路相同，VB2参数至少需满足以下参数特性采集标准，如表4所示。

表4 VB2采集标准

数据采集类型	采集精度	采集频率	缓存时间	采集源
					DITS	至少0.1CU	至少1Hz	至少20秒	EIU2

针对ARINC 429总线数据传输，需按照以下标准进行采集，如表5所示。

表5 VB2参数特性采集标准

根据以上采集要求，在ACMS软件中实现该参数采集的设置，此处以1号发动机为例，具体如图5、6、7所示。

2、ACMS振动监控程序模块

本模块通过接收ACMS发动机振动参数采集模块输出的发动机振动值，并对其进行过滤和监控，依据特定逻辑触发ACARS(飞机通信寻址和报告系统)警告报文。该模块对任意振动事件持续监控，并将一个连续的振动超限事件依据ACARS容量限制进行分段，以记录整个超限事件的发展过程。

2.1、总体结构介绍

本模块作为本实施例装置的核心模块，串联了上下游各功能模块，负责振动超限事件的总体监控，下行警告报文的数据采集和转发的触发，以及反馈人机交互界面所需数据。

本模块针对2台发动机进行独立监控，分别由1/2发振动监控子模块独立执行，互不干扰，满足双发同时发生高振动情况的监控工程需求。每一台发动机的振动监控逻辑相同，区别仅仅为输入的实时采集参数，可以看作为同一类方法的两个独立的实例。

本模块从ACMS发动机振动参数采集模块获取实时振动数据，将分别传送至2个独立子模块。每个子模块的阈值显示和调节均可独立通过MCDU振动参数调节显示程序模块完成，各自触发的激活报文命令也可独立传送到下游的ACMS振动警告报文数据采集模块。本模块的监控逻辑总体架构如图8所示。

此外，本模块的运行覆盖整个飞机通电阶段，这样不仅可以监控飞行中的振动事件，也可以针对地面试车或滑行中发生的有关振动问题获取即时的信息。

下文将以1号发动机为例，通过介绍1发振动监控子模块来说明振动监控逻辑的运行。

2.2、振动监控子模块

每一台发动机的振动监控程序都可以通过3个状态机来描述，即搜索状态、捕获VB2振动超限状态和捕获VB1振动超限状态，通过参数CZMADPR1来表示(此处以1发为例，2发为CZMADPR2)，分别对应0、1和2三个值，具体参见图9。其中，后2个状态又统称为捕获状态，可以用相同逻辑机制表述。如果程序未进入任意捕获状态，子模块将按照图9的顺序每秒执行一遍。

在飞机从断电转为通电的初始化过程结束后，监控程序自动进入搜索状态对采集的振动值进行监控。由于核心机的振动(VB2)相对于风扇的振动(VB1)更为重要，程序将优先监控VB2的振动情况，只有在VB2振动未超限后才对VB1的振动情况进行判定。

无论是对VB2还是VB1，振动的判定过程都由发动机振动超限捕获模块来实现。如果监控的振动值达不到程序预设的阈值或者由人工通过MCDU输入的阈值，监控程序将持续处在搜索状态。

一旦程序进入到某个振动值的捕获状态(此时，CZMADPR1为1或2)，程序将对该振动值持续监控，并发送相应的警告报文，直到对应的振动值满足低于阈值才退出到搜索状态，或者等待飞机断电。

2.2.1、发动机振动超限捕获模块

超限捕获模块对VB1和VB2进行的超限判定结合了数据校验和多时间点采样比较的方法，在保证采集数据有效的前提下，使用历史数据进行比较判断可大大降低错误警报的发生。同时，历史数据不宜采集过多，否则会降低警告的灵敏性。此模块的结构如图10所示。

超限捕获模块主要分为6个部分，即输入、信号校验、延迟、阈值比较、逻辑与门和输出。

振动监控子模块从ACMS发动机振动参数采集模块获取的实时振动参数VB1或VB2将作为输入量进入超限捕获模块。进程每次只能判断一个输入量，但是进程可以在振动监控子模块的一个处理周期(1秒)内多次调用，例如振动监控子模块调用本进程对VB2进行判定后结果未超限，可继续调用本进程对VB1进行判定。

模块的输出为超限判定结果，为离散量“0”或者“1”，表示“未超限”或者“超限”。该结果将按照图9描述影响振动监控子模块的状态。

进程通过调用ACMS的信号校验语句对振动值进行校验，校验结果为离散量并输入至逻辑与门，校验失败意味着整个进程的输出将为“0”，即未超限。

同时，输入量将经过延迟器处理，参与未来的超限判定。通过这种方式程序每次运行时都可以同时判定多个时间采样点的数据(当前时间前2秒、前1秒与当前数据)。

当前振动数据与经过延迟的数据将分别与振动阈值参数作比较，其离散量结果也将输入至逻辑与门，只有当所有数据都大于相应的振动阈值才有可能产生“超限”结果输出。振动阈值参数CZMDV2T1表示振动值VB11(1发的VB1)的阈值，CZMDV1T1表示VB21(1发的VB2)的阈值。如图10所示，这些阈值都可以通过MCDU振动参数调节显示模块进行显示和设置。

逻辑与门部分确保数据通过校验，且当前数据与历史数据均满足触发超限的条件。

2.2.2、捕获振动超限处理模块

在振动监控子模块通过超限捕获模块发现某一振动值超限后，程序即进入相应振动值的捕获状态，其逻辑可通过图11来描述。由于ACARS报文大小的限制，一份报文的容量有很大的概率无法完成对振动事件的描述。本实施例装置根据报文容量设置一份报文描述20秒的振动过程，所以捕获振动超限处理模块的处理机制为20秒一个周期。下文将按照时间演变顺序，将该处理机制分为“首次进入捕获状态”、“时间计数状态”和“报文连续触发判断状态”3个部分进行描述。

A)首次进入捕获状态

当程序从搜索状态转入捕获状态时，即为本轮振动事件首次进入捕获状态，该振动事件的各种信息将被初始化并记录下来，并触发计时器启动。以下是各参数的说明：

“振动事件开始时间“参数记录了振动发生时刻的时间，由于一个振动超限事件可能由多份ACARS报文连续地进行描述，该参数可以帮助报文确定其表述的振动过程属于哪个振动事件。

“振动事件报文序号”参数表述了该报文属于此振动事件中按照时间顺序排列的第几份报文。

“振动事件超限代码”参数表述了该事件是哪台发动机的哪个振动值产生的，具体关系见表6。

表6振动事件超限触发代码

振动事件超限代码	描述
		3021	1发VB2超限
3011	1发VB1超限
		3022	2发VB2超限
3012	2发VB1超限

“报文时间计数器”参数用来计数触发报文发送所需的时间。第一次进入捕获状态后，程序会从0开启计时器计数，每秒计数1次。

程序向ACMS振动警告报文数据采集模块发送指令，开启当前序号为1号的振动报文的数据采集。

至此，首次进入捕获状态的过程结束，时间计数器加1，程序到下一秒再执行。

B)时间计数器状态

当计数器启动后，在0至20秒内，程序只检测计数器是否达到20，不会执行其他操作。

C)报文连续触发判断状态

当时间计数器达到20后，会被重置，同时向ACMS振动警告报文传输程序模块发送指令，触发其发送此20秒内形成的报文数据。至此本段报文的有关指令已全部完成。

此后，程序继续判断此前触发警告的振动值是否继续超限。

如果继续超限，程序将触发新的数据采集指令到ACMS振动警告报文数据采集模块，开启下一个20秒的数据采集，同时，“振动事件报文序号”参数将被递增，以标记下一份报文在此振动事件系列报文中的序列位置。程序继续进入时间计数器状态。

如果振动值不再超限，程序将退出捕获状态，回到搜索状态，已监控下一个振动事件。

2.3、模块的实现方式

ACMS振动监控程序模块通过植入ACMS的触发器“Trigger CSNMADV”实现。该触发器在通电状态下的所有运行阶段自动执行，执行频率为1Hz。

植入振动监控程序模块后的ACMS触发器片段示例如图12所示。

3、ACMS振动警告报文数据采集模块

本模块在接收到ACMS振动监控逻辑模块发出的报文数据收集指令后，按照预设的规则进行数据采集。数据采集工作针对两台发动机报文可分别独立进行，互不干扰，以下以1发的运行过程作为示例进行说明。

根据采集的方式，数据分为瞬时采集和时间窗采集2种方式。本模块通过这两种数据采集方式的配合，在容量限制的情况下，最大化的传递了对故障分析有用的数据。通过这2种方式采集的数据在采集完毕时都传送至下游的ACMS振动警告报文传输模块。

3.1、瞬时采集

此类数据在接收到数据采集指令的瞬间获取，是用来说明振动超限事件总体情况特征的数据，主要分为3部分，“航班信息”、“振动事件信息”和“飞行状态概览”。图13以报文打印格式为例展示了瞬时采集的数据。

A)航班信息

包括飞机号、飞行日期、当前飞行时刻(UTC)、起降机场和航班号。

B)振动事件信息

包括监控软件版本、振动事件发生飞行阶段、振动报文总编号(所有振动报文的累计数量，累积到999重新置零)、振动事件超限代码、VB1振动阈值、VB2振动阈值、振动事件开始时间和振动事件报文序号。

C)飞行状态概览

包括总温、高度、空速、马赫数、毛重和发动机循环数等24个状态参数，反应了接收数据采集指令时刻的飞行与发动机的总体瞬时状态。

以上数据的具体参数名、格式和描述参见表7。

表7瞬时采集数据清单

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以上参数通过添加至ACMS报文数据采集功能建立瞬时采集组来实现。该参数采集组的属性设置为“Request Time”，即瞬时采集。在ACMS上的设置，具体如图14、15所示。

3.2、时间窗采集

另一类数据是用于描述振动事件发展过程的数据，每一份报文采集20秒的连续时间窗数据，采集频率为1Hz，范围从接收到数据采集指令的前3秒持续到后16秒，如图16所示。

采用这样的时间点排布方式是因为，任意振动事件的触发都需要连续3秒的振动值达到阈值。所以在触发采集数据指令的时候，已经滞后振动事件真实发生时间点2秒。而采集指令触发前3秒的时间点正是振动值即将超限的临界点。通过这种方式，收到报文的工程师可以观察事件从未超限到超限状态的演变。

每秒钟采集的数据内容相同，主要是发动机的振动相关参数，如振动值、低压转速、高压转速等，具体数据见表8。当20秒数据采集完成后，本模块会自动将数据传送到ACMS振动警告报文传输模块，以供报文发送使用。如果ACMS振动监控程序模块判定振动事件继续发生，那么本模块会收到新的数据采集指令，重复之前的数据采集工作。

表8连续时间窗采集数据清单

以上参数通过添加至ACMS报文数据采集模块，从而建立时间窗采集组来实现。该参数采集组的属性设置为“Time Series”，即时间窗采集，从报文激活(接收到数据采集指令时刻)的前3秒开始持续20秒结束，每1秒采集一次。时间窗采集数据在ACMS上的设置具体如图17、18所示。

4、ACMS振动警告报文传输模块

通过ACMS振动警告报文数据采集模块采集的数据将以ACARS格式编排到报文中进行传输，地面通过相同的规则便可对报文进行解码，将报文数据结构化后存储于数据库。同时，数据也可以通过打印格式发送至打印机供飞行员或者地面工程师阅读。此外，关于警告报文的缓存与路由转发机制都由本模块完成设定。

4.1、ACARS报文格式

报文由66行字符组成，每行的前两个字符是行号，用于快速定位具有特定意义的数据。每行的最多可以承载40个字符，数据之间使用逗号进行分割。其样式如图19所示。

该报文格式的结构主要由3大部分组成，参见图20。

第一部分通过CC和CD行描述了基本信息，例如航班信息、软件版本信息、事件触发代码、振动警告阈值和事件序号，属于瞬时采集数据。

第二部分通过CE行到EA行，描述了飞机总体状态信息，例如总温、高度、空速和马赫数等参数，也属于瞬时采集数据。

第三部分通过FA到YC行，描述了振动事件的发展过程。该部分共60行，每3行为1组，共计20组，分别对应报文激活前3秒到激活后16秒的状态。每组记录参数由A/B/C三行组成，组与组之间具有相同的结构。

此格式通过ACMS报文格式设置功能实现，新建硬拷贝(Hardcopy)“CSN ENGINEMECH ADV1 ACARS”，编辑上述格式，如图21、22所示。

4.2、打印报文格式

报文的打印格式结构与ACARS总体结构类似，只是在每行数据直接增加了参数含义的注释，例如图23所示，在CC行的“AAAAAA”格式数据的上方存在着“A/C ID”字样的注释，表明该数据是飞机的注册号。

此格式通过ACMS报文格式设置功能实现，新建硬拷贝(Hardcopy)“CSN ENGINEMECHANICAL ADVISORY REPORT”，编辑上述格式，如图24、25所示。

4.3、数据传输路由子模块

该子模块定义了报文传输的路径、方式和数量。

A)路由设置

该子模块通过设置不同的路由方式显示不同目的的传输。图26展现了该子模块在ACMS报文路由功能(Routing)中的实现。

路由设置总共有6大类别(Loader、ACARS、Printer、Ethernet、Recorder和Integrated Disk)，3种方式(Automatic、Manual和Formatted)。

Loader为手持式数据装载机，通过此设置，报文在产生后可以直接传送至装载机。ACARS为报文空地传输方式。Printer表示打印机，报文产生后可以通过此设置直接进行打印。Ethernet为网络连接方式。Recorder表示OQAR，报文可以备份于QAR文件介质中，可以通过无线QAR下传地面服务器。Integrated Disk对应PCMCIA(个人电脑内存卡)，该卡安装于飞机的DMU设备中。

Automatic方式为振动事件触发后立即发送报文，但由于振动事件需要采集时间窗数据，不能立即发送报文。Manual为手动发送报文方式，必需在接收到特定的指令后才会产生报文发送行为。在本实施例装置中由ACMS振动监控程序模块来控制。Formatted方式表示带格式传送数据，例如图19和图23中描述的格式，如果采用非Formatted格式传输，则所有数据将被无间隔的串联在一起。

本子模块根据实际的应用需求，采用Loader、ACARS和Printer的Manual和Formatted方式。

B)ACARS下传路径设置

如图27所示，通过ACMS报文下传功能(Downlinks)，地址(Addresses)栏可以添加额外固定的发报地址，如果此处为空白，则默认选择ATSU设置的发报地址。

该子模块的使用者可通过分析数据供应商资费方案，按照自身的需求定义报文的ACARS发送路径(Destination)，可选择VHF单一路径、卫星单一路径或者VHF优先卫星补漏的方式。同时可以设置删除换行以节省传输流量。

C)传输数量

此外，该子模块还可设定此报文在机载设备中的最大存储数量(由于ACARS网络的延迟和堵塞，有时报文不能立刻发送出去)，以及每个航段的最大发送数量，这样可以在某些特定的情境下减少报文流量费用开支，或防止报文风暴的发生。

图28展示了通过ACMS报文保留功能(Retention)实现该子模块。“Max CopiesTotal”表示该报文最多保留50份。“Max Copies per Flight”表示该报文每个航段最多保留50份，下一个航段会清理多余50份的记录。“Number of Flight Legs”表示数据最多存储于飞机上50个航段。“Keep Last”表示如果出现超容量限制的报文，删除发生时间较早的，保留较晚的。

5、MCDU振动参数调节显示模块

通过该模块，航线人员或者发动机工程师可以对某架飞机的某台发动机调节警告报文触发的阈值，实现因需的单独控制。该模块集成于机载多功能控制显示组件(MCDU)之中，通过开发相应的页面并关联阈值参数可实现上述功能。

在报文编辑界面的右侧空白处添加振动报阈值参数调节界面的入口，并通过设置一个行选件关联到相应页面，如图29所示。

然后在报文参数编辑界面创建振动监控报文的入口，如图30所示。

振动报文参数调节界面共可以设置4个阈值参数，具体参见图31，其参数的解释参见表9。这些参数将直接作用于上文中的超限捕获进程中的比较过程。

表9振动报阈值参数描述

这些参数通过MCDU上的数字键盘输入后，可实时显示在屏幕上，界面STATUS中的数值是以1Hz的频率实时刷新的结果显示，调节完成后相关人员可立即确认设置是否成功。

以上阈值参数采用非易失性存储，除非重装软件否则将会一直有效。重装软件后会重置为默认值。

单机差异化监控

通过本发明装置的MCDU振动参数调节显示模块，每架飞机的每台发动机具备实现差异化监控的功能。例如广州工程师对B-8368的振动警告阈值进行设置。通过前面MCDU振动数据显示模块中描述的路径，工程师进入到阈值设置界面，如图32所示，图33为该界面的通过驾驶舱打印机打印的单据扫描件。通过在键盘上输入“2.9”，并选择相应的振动阈值行选键，可以将2台发动机的4个振动阈值更改为“2.9”，图34为更改后，驾驶舱打印机打印的单据扫描件，证明更改已经生效。

6、地面系统

警告报文经过ACARS链路传送至航空公司的地面网关后，通过飞机远程诊断系统的报文处理与消息订阅系统对报文进行解码处理，并与工程师预设的订阅条件进行对比，匹配成功的订阅将会呈现到桌面实时终端(RTT)或以订阅邮件的形式发送至工作者电子邮箱。同时，各类维护人员可以通过飞机远程诊断系统查询终端(FIADA)查询所有振动警告的历史报文，以及报文内容中涉及的各类振动相关参数的数理统计特征和变化曲线。具体介绍如下：

6.1、地面订阅振动警告报文

航空公司通过RTT(地面IT集成系统)可以实现该报文的实时订阅。其方式如下所示：

A)在订阅报文种类中选择ACMS-REP947或者REP948，如图35所示。

B)选择需要监控的飞机注册号，如图36所示。

C)利用“ACMS振动警告报文数据采集模块”采集的数据字段编写地面警告通知的触发逻辑。例如下面的设置为航班始发或到达机场为沈阳桃仙机场，且VB1超限初始状态大于等于3.0CU或VB2超限初始状态大于等于3.0CU，如图37所示。

D)振动事件订阅核实与警告地址设置。通过该界面可以核实订阅的优先级别和订阅状态是否激活。选中该订阅后，通过设置“Setting RSS Acceptors”完成警告邮件接收地址的设置。如图38、39所示。

6.2、实时振动警告接收与振动报文数据查看

A)实时警告邮件提醒

地面系统成功订阅后，一旦机载设备监控到振动事件的发生，工程师的订阅邮箱就会收到实时警告邮件，报文打印格式以附件形式存在邮件中，其中振动关键参数VB1/VB2和N1/N2变化过程将直接呈现在邮件正文之中。

图40展示了2019年10月25日B-8545在CZ6403航班上发生的多个发动机振动超限事件。通过实时振动警告邮件，该航班共发生5起振动事件，表明发动机振动值出现反复超限后振动值回落的现象。在这5起超限事件中，最短的一起只有1份报文，即振动超限时间小于20秒，最长的一起振动事件多达8份连续的报文，振动超限持续160秒。如果飞机没有安装本发明软件装置，地面系统不会实时收到发动机振动警告报文，也就不能有相应的实时警告如此方便的通知到工程师，只能等待飞行员的卫星电话通知，或者通过航后故障报文打印和QAR数据译码得知振动事件的发生。

其中任意一份预警邮件都包含一份该报文打印格式的附件，方便订阅者直观地阅读所有参数的发展变化，参见图41。此外，邮件还包括订阅的关键信息(如订阅名称、飞机号、航班号和订阅概要)方便订阅者会议订阅内容。同时，该警告消息中的底层数据信息也可以为开发者排故进行指引和帮助。

每一份预警邮件还会根据订阅者的订阅条件，自动将订阅的发动机振动关键参数的变化趋势以数列的形式直接呈现在邮件正文之中，同时给出其数理统计。

在邮件的最后部分，订阅者可以查看并核实自己设立的预警逻辑规则。

B)FIADA(地面IT集成系统)振动报文数据查看

在FIADA按照飞机号、航班号、振动事件触发代码和报文发送时间等进行查询。查询结果可以按照各种类型的字段进行排序。同时，工程师可以查看报文ACARS格式(点击RawDetail)和打印格式(点击Print Format)，并在必要时对其内容进行打印。FIADA振动报文查询界面如图42所示。

例如，图42的第二行记录展示了2019年8月28日B-8670发生了2发振动超限事件。图43展示了其报文打印格式内容。

点击EVENT LINE中的A/B/C数据可以查看振动相关参数，如图44所示。

点击任意参数可查看该参数的变化趋势和数理统计特征。例如查看VB2的变化轨迹，可点击VB2P1(ACMS振动警告报文数据采集模块中VB2值对应的参数名)，如图45所示。通过该曲线可以很直观的了解VB2振动值在超限几秒内即开始缓慢恢复。这些连续的数据即来自时间窗数据采集机制。这些参数集组成的实时连续数据，即相当于QAR中振动有关的数据片段，但在振动发生时就已经传送至地面系统，无需等到航后对QAR数据译码。

Claims (9)

1.一种飞机发动机振动监测装置，其特征在于，其被配置为执行如下流程：通过ACMS实时监控发动机振动超限事件，在事件发生时，自动采集相关参数信息并通过下行ACARS报文及时向地面系统反馈；

所述装置包括如下嵌入在ACMS中的程序模块：

ACMS发动机振动参数采集模块，用于实时采集发动机的振动值；

ACMS振动监控逻辑模块，用于对所述振动值进行过滤和监控，并依据监控逻辑触发ACARS振动警告报文的数据采集和发送；

所述ACMS振动监控逻辑模块，包括若干振动监控子模块，每个所述振动监控子模块对每台发动机进行独立监控和指令触发；

所述振动监控子模块包括：

发动机振动超限捕获模块，在程序处于搜索状态时，对所述振动值进行监控，判断其是否超过相应的阈值，并在监控到所述振动值超过阈值后，驱动程序由搜索状态进入捕获状态；

捕获振动超限处理模块，在程序进入捕获状态后，记录振动事件开始时间，将振动事件报文序号置为1，分配振动事件超限代码，然后发出报文数据采集指令，并启动报文时间计数器；

在所述报文时间计数器计时达到设定时长T1时，发出报文发送指令，重启所述报文时间计数器，并判断当前振动值是否持续超限：

若是，振动事件报文序号+1，然后再次发出报文数据采集指令；

若否，驱动程序返回搜索状态对所述振动值继续监控；

所述T1值根据单个报文的容量限制设置；

ACMS振动警告报文数据采集模块，用于在接收到所述ACMS振动监控逻辑模块发出的报文数据采集指令后，按照预设的规则进行数据采集；具体如下：

所述ACMS振动警告报文数据采集模块在收到所述数据采集指令后，分别进行瞬时采集和时间窗采集；

瞬时采集用于采集用来说明发动机振动超限事件总体情况特征的数据，其中包括由所述ACMS振动监控逻辑模块记录的所述振动事件开始时间，振动事件报文序号，振动事件超限代码；

时间窗采集用于采集描述在设定时长T2内发动机振动事件发展过程的数据，T1＝T2；

ACMS振动警告报文传输模块，用于在收到所述ACMS振动监控逻辑模块发出的报文发送指令后，将所述ACMS振动警告报文数据采集模块采集的数据以设定格式编排到报文中并通过ACARS链路传输至地面系统。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发动机振动超限捕获模块监控的发动机振动值包括风扇振动值和核心机振动值，并优先监控核心机振动值，只有在核心机振动值未超限后才对风扇振动值进行判定。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述发动机振动超限捕获模块监控的风扇振动值和核心机振动值的阈值取值范围为1.0CU≤阈值≤5.0CU。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发动机振动超限捕获模块包括：

输入模块，用于一被监控参数振动值的持续获取；

信号校验模块，通过调用ACMS的信号校验语句对输入模块输入的被监控参数振动值进行校验；

延迟模块，用于获取输入模块当前输入的被监控参数振动值的历史数据；

阈值比较模块，完成输入模块输入的被监控参数的当前振动值以及延迟模块输入的当前被监控参数的历史振动值与其阈值之间的比较；

逻辑与门，对信号校验模块和阈值比较模块的输出进行与运算；

超限判定结果输出模块，用于根据所述逻辑与门的运算结果，判断被监控参数振动值是否超限,只有在采集的数据有效并且所有数据都大于相应的阈值时，才输出“超限”。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述历史数据选择T3秒前到当前时间之间的采样数据，2≤T3≤5。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述ACMS振动警告报文数据采集模块在收到所述报文数据采集指令后，时间窗设置如下：从接收到所述报文数据采集指令前持续到其后合计时长为T2，提前时间大于T3秒，具体大于T3秒1到2秒。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，时间窗采集方式采集的参数包括：

N1A1P；N2A1P；FFP1；FFRP1；VB1P1；VB2P1；OITP1；OIPP1；OIQP1；EGT1P；FFAN1P；FVN11P；FVN21P；N1COM1P；RFAN1P；RVN11P；RVN21P；ODP1P；UTCSS。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，瞬时采集方式采集的参数包括：FLTNUM；TATP；ALTP；CASP；MNP；GWP；CGP；CPU2VER；ENGTYPE；ENGVERP；ACID1REP；ACID2REP；ACID3REP；ACID4REP；ACID5REP；ACID6REP；FROM1；FROM2；FROM3；FROM4；TO1；TO2；TO3；TO4；QSW42161；DATEYY；DATEMM；DATEDD；UTCHH；UTCMM；UTCSS；PHNUMPRT；PFLP；PFRP；ADW1B111；QSW30181；QSW31181；ICESW272；ICESW282；BMCW4152；BMCW4172；BMCW5151；BMCW5172；0VERHW；RPTCNT47；RPTCD947；CZMDV1T1；CZMDV2T1；CZMDUTC1；CZMDSRC1；ESNL1；ESNL2；ESNL3；ESNL4；ESNL5；ESNL6；EHRS1P1；ECYC1P1；BAFP1；HPCTC1P；LPCTC1P；NF1P；PB1P；SVAP1；TLA1P；VSVA1P；ODM5F1；ODM6F1；ODM7F1；B251P。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括MCDU振动参数调节显示程序模块，该模块集成于MCDU之中，其通过开发振动监控相关页面并关联阈值参数实现，其用于获取各所述振动监控子模块当前的振动阈值并显示在MCDU显示屏上，这些阈值具有不同的参数名，并通过MCDU振动监控相关页面调节各阈值参数。

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