Referaty

System Monitorowania Stanu Samolotu
Aircraft Condiontion Monitoring System ACMS

mgr inż. Ryszard Witkowski, mgr inż. Piotr Lipiec 

Polskie Linie Lotnicze LOT S.A.
00-906 Warszawa, ul. 17-go stycznia 39

Streszczenie

Nowoczesne samoloty wyposażone są w środki umożliwiające przeprowadzenie wielorakich analiz i monitoringu własnych systemów. Rozwiązania te integrują niemal całą awionikę wraz z innymi podzespołami statku powietrznego w celu zarówno sterowania nimi jak i określania ich stanu. Obecne systemy ACMS mają duże możliwości testowania, diagnozowania, a także pomocy w rozwiązywaniu napotkanych problemów. Podstawową korzyścią ze stosowania tych systemów jest obniżanie kosztów eksploatacji w wyniku zmniejszenia ilości koniecznych prac obsługowych, a także - co było początkowym zamysłem twórców tych rozwiązań - podniesienie bezpieczeństwa lotniczego przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości usterek czy nieoptymalnych stanów eksploatacyjnych. Niniejszy artykuł omawia powyższe zagadnienia w oparciu o jedno z najnowocześniejszych rozwiązań w tej dziedzinie, zastosowane na samolocie Embraer ERJ-170.


1. Co to jest ACMS?

ACMS to skrót od Aircraft Condition Monitoring System. Jest to rozwiązanie, które umożliwia analizę wielu systemów samolotu na podstawie dostępnych parametrów oraz raportów możliwych do uzyskania w samolocie zarówno podczas lotu jak i postoju, a także w naziemnych stacjach obsługowych GSE (Ground Support Equippment). Ogólną zasadę działania systemu ACMS i współdziałania z nim innych systemów awioniki i łączności ilustruje poniższy rysunek: 

 
Ogólny schemat systemu ACMS

Jak widać z rysunku komunikacja pomiędzy samolotem a stacją naziemną może przebiegać dwutorowo. Jednym sposobem jest przekazywanie informacji za pomocą różnego rodzaju nośników, drugim zaś komunikacja radiowa. W pierwszym przypadku mamy do czynienia zarówno z odbiorem jak i dostarczaniem informacji, gdyż tym sposobem można ładować na samolot oprogramowanie, według którego możliwa jest modyfikacja założeń zgodnie z potrzebami różnych użytkowników. Najczęściej następuje to poprzez różnego rodzaju urządzenia typu Data Loader, którymi mogą być napędy dyskietek, magnetooptyczne, CD lub czytniki rozmaitych kart pamięci. Zwykle to samo urządzenie służy do odbioru informacji po locie w postaci zbioru zarejestrowanych parametrów bądź wygenerowanych na ich podstawie raportów eksploatacyjnych. Coraz popularniejszym rozwiązaniem jest automatyczny zrzut powyższych danych po zatrzymaniu samolotu w porcie np. za pomocą bezprzewodowych urządzeń zamocowanych w rękawach lub przez port LAN znajdujący się w łatwo dostępnym miejscu na burcie samolotu. Informacje z samolotu są potem analizowane przez stację naziemną i wykorzystywane w dalszych aplikacjach np. monitorujących stan silników i osiągów. Alternatywnym sposobem przekazywania na ziemię informacji jest droga radiowa, choć jak dotychczas zdecydowanie więcej informacji przekazuje się w ten sposób na linii samolot-ziemia niż odwrotnie. Jest to związane z tym, że w trakcie operowania samolotu nie jest dozwolona ingerencja w jego struktury. Istnieją oczywiście przykłady przekazywania informacji na samolot drogą radiową, ale nie dotyczą one ACMS-a, a np. wysyłania wielu danych pomocniczych jak plan lotu lub komunikaty pogodowe, ruchowe itp.

2. EMBRAER 170 - Integracja awioniki

 
Zintegrowany kokpit Embraera 170

Najnowszym typem samolotu eksploatowanego w PLL LOT SA jest brazylijski EMBRAER ERJ-170. Jest to samolot dwusilnikowy średniego zasięgu, przystosowany do przewozu 72 pasażerów i wyposażony w nowoczesną awionikę, której integrację wykonała firma Honeywell. Samolot ten posiada kilka systemów, spełniających ważne funkcje w operowaniu i diagnostyce statku powietrznego. 

2.1 Elementy kokpitu

Kokpit samolotu został wyposażony w Electronic Display System EDS, który służy do wyświetlania podstawowych informacji o parametrach lotu, nawigacji, parametrach silnikowych i danych obrazujących aktualny stan samolotu. Status i usterki poszczególnych systemów samolotu zostają zobrazowane w postaci komunikatów na monitorze Engine Instrument and Crew Alerting System (EICAS). 

 
Wielofunkcyjne przykłady wykorzystania monitorów

Na głównym panelu kokpitu umieszczonych jest 5 monitorów, z których 2 stanowią PFD (Primery Flight Display), następne 2 to MFD (Multifunction Displays) oraz wspomniany EICAS. Ustawienia poszczególnych ekranów mogą być w pewnym zakresie konfigurowalne np. zamiana funkcji, obracanie obrazu, itp. Poruszanie się pomiędzy ekranami ułatwia urządzenie Cursor Control Device oraz panel informujący o aktualnych ustawieniach poszczególnych monitorów. CCD to forma joysticka wraz z przyciskami ułatwiającymi poruszanie się zarówno po ekranach jak i pomiędzy nimi.

2.2 Central Maintenance System

Jest to system służący do zbierania i przetwarzania informacji o stanie poszczególnych systemów samolotu i jego usterkach. Zawiera również bazę danych eksploatacyjnych m.in. wskazówki dotyczące wykonania różnych prac obsługowych, check-listy ułatwiające diagnostykę itp. Głównym elementem tego systemu jest Central Maintenance Computer CMC. Komunikaty o zaistniałych podczas lotu usterkach wygenerowane przez CMC mogą być przesłane na ziemię drogą radiową jeszcze podczas lotu bezpośrednio po ich wystąpieniu, o ile operator ma możliwości wykorzystywania systemu ACARS. To rozwiązanie ułatwia i przyspiesza usuwanie usterki, gdyż po lądowaniu można od razu przystąpić do przywrócenia samolotowi sprawności technicznej. W przypadku braku ACARSA informacje CMC są analizowane przez liniową obsługę techniczną po lądowaniu, a ewentualne usterki usuwane. CMC jest używany również przez mechaników obsługi naziemnej do bieżących zadań obsługowych, gdyż są w nim zgromadzone programy obsługowe poszczególnych systemów samolotu np. DAILY Check, Preflight Check itp. Dostęp do systemu CMC może być wykonany przez komputer podłączony do portu LAN na samolocie lub przez Multi-Function Display MFD w kabinie pilotów, którzy również podczas lotu mogą wykorzystać wyżej wymienione informacje. Umiejscowienie CMC względem innych układów ilustruje rysunek:

 
Centralny system obsługowy

Praca systemu obsługowego możliwa jest dzięki współpracy z dwoma dodatkowymi systemami: Central Maintenace Computer Function CMCF i Aircraft Condition Monitoring System ACMS. Funkcje ACMS są realizowane przez dwie aplikacje: Aircraft Condition Monitoring Function ACMF i Report Builder RB. ACMF jest programową aplikacją sterowaną danymi, która zwiększa zdolność operatora samolotu do wyodrębniania anomalii podczas lotu. ACMF gromadzi zestaw predefiniowanych danych bazując na ustanowionych regułach zdarzeń. Zgromadzone dane są wykorzystywane w narzędziu Report Builder.

2.3 Report Builder
RB. ACMS umożliwia realizację następujących funkcji:
- monitorowanie parametrów samolotu,
- zapisywanie parametrów samolotu, bazujących na analizowanych w czasie rzeczywistym ustalonych regułach,
- dostęp do raportów przez wydruk lub pobranie ich kopii,
- możliwość programowania monitoringu przydatnego operatorowi samolotu,
- przechowywanie pewnych sumarycznych danych.


Raport silnikowy, przedstawiony obok, jest formą tekstową uzyskaną z Report Buildera, przydatną później w aplikacjach monitorujących trend silnikowy jak np. ADEPT lub SAGE. Ze względu na typowy tekstowy interfejs powyższych aplikacji, taka forma raportu jest tu uzasadniona. Inną formą raportu lub zobrazowania stanu wybranej instalacji jest prezentacja graficzna. 


Schemat instalacji elektrycznej MFD

Może być ona bardziej przydatna w szybkiej lokalizacji usterek, bądź pomocą do wykonania konkretnych prac obsługowych. Powyżej przedstawiony jest schemat instalacji elektrycznej na monitorze MFD, lecz możliwe jest również wykorzystanie innych monitorów np. EICAS, dzięki dużym możliwościom konfiguracyjnym poszczególnych ekranów. 

Poniżej podany jest przykład wykorzystania monitora EICAS do diagnostyki mechanizacji skrzydła:



Diagnostyka mechanizacji skrzydła

2.4 ACMS - ARINC
System ACMS analizuje dane dostępne na magistrali danych. Wśród danych są typowe parametry, takie jak: prędkość samolotu, wysokość, pozycja, kurs, obroty turbiny silnika, temperatury i różne ciśnienia oraz wiele innych parametrów. W samolocie Embraer ERJ-170 lista parametrów dostępnych do analizy z magistrali ARINC717 przekracza 1000; zaś magistrala ARINC 429 zawiera ich 2500. ARINC 429 jest magistralą pierwotną, gdyż znajdują się na niej wszystkie parametry wykorzystywane w systemach awioniki w swej 32-bitowej pełnej postaci tzn. zawierające pełną długość, z etykietami, bitami znakowymi i sterującymi. Stąd cała magistrala, ze względu na bardzo dużą ilość zawartej w niej informacji została podzielona na sześć szyn z parametrami pogrupowanymi w zależności od miejsca pochodzenia. ARINC 717 to magistrala z parametrami po obróbce, która umożliwia ich przesyłanie i rejestrację w pokładowych rejestratorach parametrów lotu. Obróbka polega przede wszystkim na mapowaniu bitów ze słów 32 na 12 bitowe oraz ustawienie ich w ramkę możliwą do interpretacji przez urządzenia służące do odczytu rejestratorów. Na Embraerze 170 zabudowane są 2 rejestratory DVDR firmy Honewell. Są to urządzenia typu Combo tzn zawierające w sobie zarówno funkcję rejestratora parametrów lotu, jak i rejestratora rozmów i komunikacji. Zrzut całej zawartości części dotyczącej parametrów lotu (25 godzin) odbywa się za pomocą karty PCMCIA, którą można odczytać w stacji naziemnej i za pomocą oprogramowania dokonać analiz pilotażowych lub technicznych zgodnych z założeniami centralnego systemu obsługowego lub w zakresie dodatkowym, definiowanym indywidualnie przez operatora. Podobny efekt można uzyskać także za pomocą urządzeń typu Quick Access Recorder, które mogą gromadzić dane zarówno z magistrali ARINC 717 jak i z ARINC 429. W tym drugim przypadku QAR musi mieć możliwość zapisu ze wszystkich 6 szyn, o ile operator chce gromadzić absolutnie wszystkie dane z lotu.

3. ACMS - możliwości i ograniczenia
Funkcjonalność i skalowalność systemu ACMS, we współczesnym samolocie komunikacyjnym, czyni go bardzo przydatnym dla dowolnego operatora komunikacji lotniczej. Najbardziej wartościowe funkcje - rozwiązywanie problemów, analiza parametrów lotu, wybór danych dla monitoringu trendów / kondycji silnika samolotu będą znajdowały zastosowanie w operacjach lotniczych opartych o rozległą siatkę połączeń. Możliwość przesyłania wyników analiz drogą radiową, nawet podczas lotu, powiększa korzyści płynące z wykorzystania systemu ACMS. W sytuacjach kiedy niezbędna będzie natychmiastowa akcja obsługowa samolotu, możliwość uzyskania komunikatów z ACMS, w czasie rzeczywistym przez transmisję ACARS, będzie nieoceniona dla linii lotniczej.
Jednakże tak złożony i zintegrowany system nakłada również duże wymagania. Ogromna ilość biorących w nim udział parametrów wymaga równie dużej ilości czujników, dajników, przekaźników itp. podobnych urządzeń technicznych, które muszą być po pierwsze najwyższej jakości, po drugie utrzymywane w należytym stanie technicznym. Stawia to najwyższe wymagania zarówno przed producentem statku powietrznego jak i eksploatującym go operatorem. Już na etapie projektowania prototypu zostało uwzględnionych wiele nowatorskich rozwiązań w tej sferze. Okazało się niemożliwym zaaplikowanie tak dużej ilości wspomnianych nadajników zasilanych z tradycyjnych obwodów elektrycznych, stąd producenci zdecydowali o wprowadzeniu wirtualnych elementów obwodów elektrycznych jak np. wirtualne bezpieczniki i przekaźniki. 

4. AIMS - Aircraft Integrity and Monitoring System
Innowacyjność wspomnianych rozwiązań oraz ich często prototypowy charakter wymagają zgromadzenia dużej bazy danych i doświadczeń. PLL "LOT" wprowadzając do eksploatacji samolot Embraer 170 przystąpiły wraz z producentem samolotu i przy współudziale producenta awioniki - firmy Honeywell - do programu AIMS. Program ten zakłada przesyłanie wszystkich danych z lotu od operatora do producenta w pierwszym roku eksploatacji, co ma na celu kompleksową ich analizę pod kątem kontrolowania stanu samolotów oraz kompletności i poprawności rejestrowanych parametrów lotu. Ma to istotne znaczenie zarówno dla producentów, gdyż dane o ewentualnych niesprawnościach pomagają ustalić procedury na usuwanie i unikanie ich w przyszłości, jak i dla operatora, gdyż jest pod bezpośrednią opieką i gwarancją producenta. Nie bez znaczenia jest też fakt, że samolot jest ciągle rozwijany i modyfikowany, a pierwsze egzemplarze nie są wyposażone we wszystkie moduły lub agregaty przewidziane docelowo. Dopiero zebranie dużej bazy danych o bezawaryjności sprzętu i przedstawienie jej nadzorom państwowym umożliwi certyfikację i zabudowę całego wyposażenia.

5. Podsumowanie

Nowoczesne systemy monitorowania stanu samolotu są potężnym narzędziem obsługowym. Umożliwiają pełniejszą i szybszą niż dotychczas diagnostykę samolotu w powietrzu i na ziemi. Po krótkim okresie eksploatacji samolotów Embraer 170 wyposażonego w takie systemy widać, że kilkukrotnie zwiększył się okres pomiędzy tradycyjnymi przeglądami wykonywanymi przez personel techniczny, a ich zakres ograniczył się do niezbędnych czynności obsługowych, jak np. uzupełnianie płynów eksploatacyjnych, wymiana ogumienia, naprawy mechaniczne itp. Ma to duży wpływ na obniżenie kosztów. Przy właściwym zaprojektowaniu i użytkowaniu systemy monitorujące pozwolą na poprawę wskaźników bezpieczeństwa i efektywności wykonywanych operacji lotniczych. Należy przypuszczać, że ich rozwój będzie kontynuowany w kierunku jak najpełniejszego wykorzystania komputerów i elementów awioniki, automatyki, a być może w przyszłości nawet robotyki w diagnostyce i obsłudze statku powietrznego.

Bibliografia

1. Embraer: Airplane Operational Manual, Sao Jose dos Campos, Brasil, December 2003
2. Embraer: Preliminary Technical Description, Sao Jose dos Campos, Brasil, Sept. 2002
3. Embraer: Quick Reference Handbook, Sao Jose dos Campos, Brasil, February 2004
4. Honeywell: CMM Recorder, Digital Voice/Data (DVDR), December 2002
5. SFIMM: Ground Support Equippment for ACMS, Paris, 1993
6. Witkowski R.: "System gromadzenia, analiz i przetwarzania danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu", III Konferencja Awioniki, Waplewo 2001
   
   
   Summary
   
   Aircraft Condition Monitoring System ACMS
   
   Ryszard Witkowski, phone: (48 22) 6504665, e-mail: r.witkowski@lot.pl,
   Piotr Lipiec, phone: (48 22) 6067822, e-mail: p.lipiec@lot.pl,
   "LOT" Polish Airlines, 00-906 Warszawa, ul. 17-go stycznia 39
   
   Modern airplanes are equipped with solutions realizing wide self-controlling and self-monitoring functions. They are based on an integrity of avionics with the other systems for both gathering informations and controlling them. ACMS is also helpful in maintenance program. The main goal is reducing costs by decreasing of traditional maintenance works, the second is improvement of effectiveness in operations and aviation safety. The report presents above solutions based on Embraer 170 avionics. The authors conclude big advantages of ACMS systems and predict their development in the future.