CN115379487B - 一种机电健康管理系统机地网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空机电领域，具体而言，涉及一种机电健康管理系统机地网络架构。机电健康管理系统机地网络架包括：机内网络架构和地面网络架构；机内网络架构包括：集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备、无线中继节点、子系统控制器、机电综合计算机和机载天线发射单元；地面网络架构包括：地面基站、AR网关、维护数据服务器、专网5GC、地面维护终端；集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备、子系统控制器和机电综合计算机的健康管理数据均能够通过机载天线发射单元传输至地面基站。解决了机地数据传输过程繁琐、耗时长问题。

Description

一种机电健康管理系统机地网络架构

技术领域

本发明涉及航空机电领域，具体而言，涉及一种机电健康管理系统机地网络架构及其通讯方法。

背景技术

目前空地数据链无法将飞机的全部实时数据和历史数据进行传输，现场维修人员需要在飞机降落后借助便携式辅助设备从飞机上下载数据，但目前飞机上具有上万个传感器，飞机降落后借助便携式辅助设备进行传输至少为几十GB的相关数据，数据量过大，维修人员还需要将数据传输至地面保障中心，这一过程繁琐且耗时；同时，系统只允许一个用户在一台计算机上单账户登陆，用户在等待下载期间无法利用多个存储设备同时下载数据，整个过程平均耗时几个小时，加上后续的维修工作，难以保障飞机在一天内完成两个架次的飞行；在飞机的维修人员进行维修活动时，必须试图同时将多个便携式维修辅助设备与一架飞机连接，以便找到一台能与飞机成功连接的，并且便携式维修辅助设备可能存在断开连接，也妨碍了高效率维修，整个机外机电维护场景下，采用线缆传输或插拔传输飞机机电的维护数据到地面维护中心存在过程繁琐、数据分享不便、耗时较长等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的不足，为解决机地数据传输过程繁琐、耗时长的问题，本发明提供了一种机电健康管理系统机地网络架构及其通讯方法。

第一方面，本发明提供了一种机电健康管理系统机地网络架构，包括：所述航空机电健康管理系统机地网络架包括：机内网络架构和地面网络架构；所述机内网络架构包括：集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备、无线中继节点、子系统控制器、机电综合计算机和机载天线发射单元；所述地面网络架构包括：地面基站、AR网关、维护数据服务器、专网5GC、地面维护终端；所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备、子系统控制器和机电综合计算机的健康管理数据均能够通过所述机载天线发射单元传输至所述地面基站。

在一些实施例中，所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备将健康管理数据传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站；或者所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站；或者所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机电综合计算机，经过所述机电综合计算机处理分析后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站。

在一些实施例中，所述地面基站将所述健康管理数据通过有线传输至所述AR网关组成的网关网络，所述网关网络再将所述健康管理数据传输至所述数据维护服务器，所述数据维护服务器通过所述专网5GC和所述AR网关将所述健康管理数据按需传递至所述地面维护终端。

在一些实施例中，所述地面基站外采用环形组网，所述地面基站内采用RRU备份，每个站址设置2个RRU，用于自行恢复业务。

在一些实施例中，所述数据维护服务器设置2台以上，所述数据维护服务器均同时运行相同的应用。

在一些实施例中，所述地面网络架构设置2个以上相同带宽、相同频率的同频组网。

在一些实施例中，所述地面维护终端包括：主处理模块、无线接入模块、内置电池组、人机交互接口、对外接口和机箱，所述主处理模块为工控级电脑主板，所述主处理模块提供USB、串口、音频、显示I/O接口，所述无线接入模块将所述主处理模块给出的数据转换为无线信号，所述人机交互接口包括：触摸显示屏、功能按键；所述对外接口包括： RS422串口、千兆网络接口和USB接口。

第二方面，本发明还提供了一种如第一方面机电健康管理系统机地网络架构的通讯方法，包括以下步骤：

S1，传感器从所述机电设备采集数据信息并通过有线传输至所述数据采集处理模块；

S2，所述数据采集处理模块对所述数据信息进行处理得到健康管理数据；

S3, 当地面维修人员需要分析机电设备的部件故障时，所述机电设备通过所述无线通讯模块将健康管理数据传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站，并进行S5，否则进行S4；

S4，当地面维修人员需要定位机电子系统的故障时，所述机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站，并进行S6，否则进行S5；

S5，当地面维修人员需要结合飞行工况分析机电系统的故障时，所述机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机电综合计算机，经过所述机电综合计算机处理分析后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站；

S6，所述地面基站通过光纤将健康管理数据传输至所述维护数据服务器，所述地面维护终端通过所述健康管理数据进行分析，制定维护计划。

本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种机电健康管理系统机地网络架构，可以摆脱线缆的束缚，传输速率快、传输带宽大、安装周期短、维护方便、扩容能力强、组网灵活、可扩展性好、即插即用；通过本发明机地网络架构，集成无线功能的地面维护终端通过无线通信网络快速下载机电产品运行数据和状态数据，结合地面维护软件实现机电产品的快速故障诊断与定位，在集成无线功能的地面维护终端等设备在机地场景下，可以实现机场多型多架次飞机机电系统维修保障信息获取、传递和维修保障决策等一体的保障系统，支撑实现预测性保障。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1示出了本发明一种机电健康管理系统机地网络架构示意图；

图2示出了本发明一种地面维护终端结构示意图；

图3示出了本发明一种机电健康管理系统机地网络架构通讯方法流程图。

具体实施方式

现在将参照若干示例性实施例来论述本公开的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本公开的内容，而不是暗示对本公开的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。

飞机地面数据传输的问题主要体现在：1.过程繁琐，目前互联飞机传感器多达24000余个，如果需要将其全部数据实时传输至地面，需要飞机降落后借助PMA便携式辅助设备进行传输至少为30 GB左右的相关数据，数据量过大，并且在维修人员对飞机进行设备接入、待数据存储完毕后还需要将数据传输至地面保障中心，这一过程繁琐且耗时；2.数据下载时间长，现阶段只能使用将便携式存储设备从飞机上取出带到地面站下载，且系统只允许一个用户在一台计算机上单账户登陆，用户在等待下载期间无法利用多个存储设备同时下载数据，整个过程平均耗时82.5分钟，加上后续的维修工作，难以保障飞机在一天内完成两个架次的飞行。而且鉴定期间的飞机维修数据下载量很少，如果飞机安装了更多任务系统、机电系统等相关传感器之后，数据下载量将大幅增加，这一过程持续时间将显著延长；3.测试困难，飞机的维修人员要开展大部分维修活动，必须将便携式维修辅助笔记本电脑与飞机进行物理连接。维修人员借助PMA能够从飞机上获得状态和技术状态信息，同时控制飞机功能，开展其他维修，诸如打开起落架，以便在液压系统功能进行测试。维修人员通过 PMA 访问异常故障辨识系统，维修人员如何对识别的故障进行修理。最后，再利用PMA记录其工作情况。然而，在许多情况下，维修人员必须试图同时将多个PMA与一架飞机连接，以便找到一台能与飞机成功连接的 PMA。这些连接被称作维修人员与飞机接口MVI会议，并且这些PMA在一次MVI会议期间可能存在断开连接，也妨碍了高效率维修。

综上分析，现有机外机电维护场景存在以下问题，采用线缆传输或插拔传输飞机机电的维护数据到地面维护中心存在过程繁琐、数据的分享方便、耗时较长等问题。而采用空地链传输，主要基于数字通信子链路，然而以液压泵为例，其维护数据大小为5GB左右，目前的空地数据链的传输速率仅能达到115200 bps左右，且传输受到地形、高度等环境因素影响，无法在飞机降落的短时间内将完整的数据传输至地面，需要配合地面保障人员将剩余数据通过便携式辅助设备传输至地面维护系统。基于空地数据链通信的机载维护传输存在传输速率低，传输带宽小，传输流程复杂等问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种机电健康管理系统机地网络架构，如图1所示，航空机电健康管理系统机地网络架包括：机内网络架构和地面网络架构；机内网络架构包括：集成有数据采集处理模块和无线通讯模块2的机电设备1、无线中继节点5、子系统控制器3、机电综合计算机4和机载天线发射单元6；地面网络架构包括：地面基站7、AR网关8、维护数据服务器9、专网5GC10、地面维护终端11；集成有数据采集处理模块和无线通讯模块2的机电设备1、子系统控制器3和机电综合计算机4的健康管理数据均能够通过机载天线发射单元6传输至地面基站7，其中实线箭头表示有线连接传输，虚线箭头表示无线传输。

在本实施例中，机载无线发射单元用于提供连接至无线网络的接入，同时也考虑多业务在无线侧汇聚后的干扰；地面基站7用于接收发无线信号，对数据进行传输；维护数据服务器9用于为无线侧提供了维护数据存储和分析的功能，降低传输时延，提高带宽和实时性；AR网关8用于提供业务侧流量的汇聚。

在一些实施例中，集成有数据采集处理模块和无线通讯模块2的机电设备1将健康管理数据传输至机载天线发射单元6，机载天线发射单元6再将健康管理数据发送至地面基站7；或者集成有数据采集处理模块和无线通讯模块2的机电设备1将健康管理数据传输至子系统控制器3，经过子系统控制器3分析处理后再传输至机载天线发射单元6，机载天线发射单元6再将健康管理数据发送至地面基站7；或者集成有数据采集处理模块和无线通讯模块2的机电设备1将健康管理数据传输至子系统控制器3，经过子系统控制器3分析处理后再传输至机电综合计算机4，经过机电综合计算机4处理分析后再传输至机载天线发射单元6，机载天线发射单元6再将健康管理数据发送至地面基站7。

在本实施例中，采用本发明机电健康管理系统机地网络架构后，在飞行高度小于3000m时，可以实时通过无线网络进行维护数据传输，可以设置多座基站对多架飞机同时进行数据传输通讯，本实施例场景中，共有2架飞机，3座基站，其中第一飞机根据飞行位置可以与3座基站中的一个进行通信，其中存在两个业务：传感器采集液压设备端数据，从液压设备端发送维护数据至地面维护数据服务器9；传感器采集环控设备数据后，上传至子系统控制器3，子系统控制器3分析整合数据后，通过无线网络发送至维护受数据至地面维护服务器；第二飞机（机内网络结构未示出）根据飞行位置可以与3座基站中的一个基站进行通信，其中存在一个业务：传感器采集燃油设备数据后，上传至子系统控制器3，子系统控制器3分析整合数据后上传至机电综合计算机4，数据从机电综合计算机4端通过无线网络发送维护数据至地面维护服务器，三个基站采用同一频段，并设置了不同的PCI标识无线侧小区，PCI标识用于区分不同小区的无线信号以保证在相关小区覆盖范围内没有相同的物理小区标识，其中，第一飞机接入3.5G小区，表示为PCI643，第二飞机接入3.5G小区，表示为PCI642，在机外维护网络的物理层设备保障人员可以在业务终端查看通过网络传输至维护服务器的维护数据，在专网5GC10与地面维护终端11之间设置两个AR网关8也扩大了接收范围。

在一些实施例中，地面基站7将健康管理数据通过有线传输至AR网关8组成的网关网络，网关网络再将健康管理数据传输至数据维护服务器，数据维护服务器通过专网5GC10和AR网关8将健康管理数据按需传递至地面维护终端11，该网关网络可以保证其中某个AR网关8发生故障时正常工作，防止单点故障对机地传输的影响。

在一些实施例中，地面基站7外采用环形组网，地面基站7内采用RRU备份，每个站址设置2个RRU，用于自行恢复业务。

在一些实施例中，数据维护服务器设置2台以上，数据维护服务器均同时运行相同的应用。

在一些实施例中，地面网络架构设置2个以上相同带宽、相同频率的同频组网。

在本实施例中，机外维护传输网络架构设计从三个层面考虑了冗余机制：a、网络级层面：设置2个相同带宽同频率的同频组网，分A、B网，正常情况下，A网承载业务，B网作为备份，故障情况下，B网基站接管业务；b、核心网层面：设置双机双工模式，即2台服务器均为活动，同时运行相同的应用，保证整体的性能，可为负载均衡和互为备份，业务网元采用负荷分担的方式与互备网元交互，其中一台故障，另外一台可以完全接管其业务，网元故障时，对业务是有损的。c、地面基站7层面：地面基站7外采用环型组网，为达到保护光纤链路目标，应使用环型组网，任何一处光纤链路中断或者故障不影响业务；地面基站7内采用RRU备份，每个站址放置2个RRU，RRU之间互为主备关系，备份方式可以为热备或者温备，一旦发生故障，不需要用户干预，可自行恢复业务。

在一些实施例中，无线传输可以采用5G传输，根据5G网络部署，一个基站的覆盖半径为5-6 km，站间距按照7.5-10 km设置。在飞行高度为100~1 000 m时，上行速率大于20Mb/s 的覆盖率满足95%。当飞行高度在3 000 m时，上行速率大于6 Mb/s的覆盖率超过93%，通过该无线网络布局，当飞机距地面一定高度时即可进行机电系统的健康数据传输，并且该数据传输速率高，提高了维修效率，节省了人力物力。

在一些实施例中，地面维护终端11包括：主处理模块901、无线接入模块902、内置电池组903、人机交互接口904、对外接口905和机箱，主处理模块901为工控级电脑主板，主处理模块901提供USB、串口、音频、显示I/O接口，无线接入模块902将主处理模块901给出的数据转换为无线信号，人机交互接口904包括：触摸显示屏、功能按键；对外接口905包括：RS422串口、千兆网络接口和USB接口，地面维护终端可基于机地网络架构与飞机进行无线数据传输，提前对飞机机电系统的数据进行全面综合分析，有助于飞机地面维护的高效性。

如图2所示，在本实施例中，地面维护终端11用于基于维护数据对机电设备进行故障诊断。可以包括；主处理模块901、无线接入模块902、内置电池组903、人机交互接口904、对外接口905以及机箱（图中未示出），可以配有交流适配器906作为终端的充电附件；主处理模块901为工控级电脑主板，可以适应宽温环境，主处理模块901可提供USB、串口、音频、显示等I/O接口，主处理模块901功能接口尽可能通过硬连接或扁平线缆与其他模块相连接，简化机箱内部走线，无线接入模块902负责将主处理模块901给出的数据转换为无线信号，与专用无线通信环境设备之间进行数据交互。地面维护终端提供了丰富的人机交互接口904，包括触摸显示屏、功能按键等；终端同时还对外预留有1路RS422串口、1路千兆网络和2路USB接口等对外接口905，能够通过有线的方式与其他设备进行互联互通。

基于同一公开构思，本发明还公开了一种前述机电健康管理系统机地网络架构的通讯方法，如图3所示，包括以下步骤：S1，传感器从机电设备采集数据信息并通过有线传输至数据采集处理模块；S2，数据采集处理模块对数据信息进行处理得到健康管理数据；S3,当地面维修人员需要分析机电设备的部件故障时，机电设备通过无线通讯模块将健康管理数据传输至机载天线发射单元，机载天线发射单元再将健康管理数据发送至地面基站，并进行S6，否则进行S4；S4，当地面维修人员需要定位机电子系统的故障时，机电设备将健康管理数据传输至子系统控制器，经过子系统控制器分析处理后再传输至机载天线发射单元，机载天线发射单元再将健康管理数据发送至地面基站，并进行S6，否则进行S5；S5，当地面维修人员需要结合飞行工况分析机电系统的故障时，机电设备将健康管理数据传输至子系统控制器，经过子系统控制器分析处理后再传输至机电综合计算机，经过机电综合计算机处理分析后再传输至机载天线发射单元，机载天线发射单元再将健康管理数据发送至地面基站；S6，地面基站通过光纤将健康管理数据传输至维护数据服务器，地面维护终端通过健康管理数据进行分析，制定维护计划。通过以上网络架构和通讯方法可以便于地面维护人员基于不同需要进行针对性的状态监测和故障诊断，基于机电设备集成有数据采集处理模块和无线通讯模块，机电设备可以将采集的传感器数据通过无线方式直接发送至地面，同时基于整个机内网络架构，地面维护人员也可以通过无线方式获取这个机电系统的健康管理数据。

可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

进一步可以理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

进一步可以理解的是，除非有特殊说明，“连接”包括两者之间不存在其他构件的直接连接，也包括两者之间存在其他元件的间接连接。

进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种机电健康管理系统机地网络架构，其特征在于，航空机电健康管理系统机地网络架包括：机内网络架构和地面网络架构；所述机内网络架构包括：集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备、无线中继节点、子系统控制器、机电综合计算机和机载天线发射单元；所述地面网络架构包括：地面基站、AR网关、维护数据服务器、专网5GC、地面维护终端；所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备、子系统控制器和机电综合计算机的健康管理数据均能够通过所述机载天线发射单元传输至所述地面基站；所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备将健康管理数据传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站；或者所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站；或者所述集成有数据采集处理模块和无线通讯模块的机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机电综合计算机，经过所述机电综合计算机处理分析后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站；所述地面基站将所述健康管理数据通过有线传输至所述AR网关组成的网关网络，所述网关网络再将所述健康管理数据传输至数据维护服务器，所述数据维护服务器通过所述专网5GC和所述AR网关将所述健康管理数据按需传递至所述地面维护终端。

2.根据权利要求1所述的一种机电健康管理系统机地网络架构，其特征在于，所述地面基站外采用环形组网，所述地面基站内采用RRU备份，每个站址设置2个RRU，用于自行恢复业务。

3.根据权利要求1所述的一种机电健康管理系统机地网络架构，其特征在于，所述数据维护服务器设置2台以上，所述数据维护服务器均同时运行相同的应用。

4.根据权利要求1所述的一种机电健康管理系统机地网络架构，其特征在于，所述地面网络架构设置2个以上相同带宽、相同频率的同频组网。

5.根据权利要求1所述的一种机电健康管理系统机地网络架构，其特征在于，所述地面维护终端包括：主处理模块、无线接入模块、内置电池组、人机交互接口、对外接口和机箱，所述主处理模块为工控级电脑主板，所述主处理模块提供USB、串口、音频、显示I/O接口，所述无线接入模块将所述主处理模块给出的数据转换为无线信号，所述人机交互接口包括：触摸显示屏、功能按键；所述对外接口包括： RS422串口、千兆网络接口和USB接口。

6.一种如权利要求1~5任一项机电健康管理系统机地网络架构的通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，传感器从所述机电设备采集数据信息并通过有线传输至所述数据采集处理模块；

S2，所述数据采集处理模块对所述数据信息进行处理得到健康管理数据；

S3, 当地面维修人员需要分析机电设备的部件故障时，所述机电设备通过所述无线通讯模块将健康管理数据传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站，并进行S6，否则进行S4；

S4，当地面维修人员需要定位机电子系统的故障时，所述机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站，并进行S6，否则进行S5；

S5，当地面维修人员需要结合飞行工况分析机电系统的故障时，所述机电设备将健康管理数据传输至所述子系统控制器，经过所述子系统控制器分析处理后再传输至所述机电综合计算机，经过所述机电综合计算机处理分析后再传输至所述机载天线发射单元，所述机载天线发射单元再将健康管理数据发送至所述地面基站；

S6，所述地面基站通过光纤将健康管理数据传输至所述维护数据服务器，所述地面维护终端通过所述健康管理数据进行分析，制定维护计划。

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