智能飞机 目前互联飞机系统的作用

如今的飞机都装有传感器，提供情景信息和故障保护。制造商必须应付人们对于物物相连的需求，同时还要满足一些基本要求，例如：飞机重要部件的重量和耐久性。确保飞行过程中的可靠连接，为信号完整性和EMI 保护方面带来了一系列的挑战。

互联飞行的发展方向是什么?

如果您乘坐飞机时不将手机切换到“飞行模式”会发生什么?在 2013 年美国联邦航空管理局(FAA)委托开展一项可能改变飞行中小型设备使用规则的研究期间，波音工程师 Kenny Kirchoff 告诉 CNN 说，这样有可能会分散飞行员的注意力。笔记本电脑、手机等发射信号的电子产品可能会导致 VFR 产生额外的噪音，使飞行员难以弄清当前的状况。它不一定会让飞机失灵，但它会让飞行员工作起来更加困难。

对于许多旅客来说，关闭电子设备的警告是他们在飞机上处理电子设备的最常见情况。而对于工程师来说，此事则关系比较重大。美国联邦航空管理局的《2016 年国家航空研究计划》将“为互联机场和物联网做好准备”视为 2017 年的安全里程碑之一。这也是该里程碑首次被纳入 FAA 的路线图。

跑道

2016 年，美国国家航空航天局(NASA)开始在 SOAREX-9 上测试无线传感器网络(WSN)，此次亚轨道任务旨在测试从国际空间站到地球的有效载荷的大气再入技术。他们

的 WSN 基于 TI CC2538 片上系统构建， 并采用 3D 打印座封装。它利用 RF 作为未许可的美国联邦通信委员会(FCC)规程第 15 部分的设备运行，并在艾姆斯研究中心的电子评估实验室接受了测试。

商业领域的互联飞机可以使用源于 NASA 的技术，但也存在一些自身的问题。

目前有些功能已属现成，而有功能尚处于快速开发或测试阶段。航空电子系统互连解决方案包括输入/输出连接器、微型与超微型连接器、继电器与电路保护(包括电源控制组件)，以及电线和电缆。有源和无源光纤组件可用于提高信号的完整性，就像高级 EMI 保护一样。飞机数据可以通过有线或无线网络传输。

物联网成功部署于航空航天领域*

• 能够实时支持关键系统

• 支持必要的冗余水平

• 至少两套冗余系统用于驾驶飞机

• 一套冗余用于完成机器人任务

• 传感器可以监控车辆子系统

• 顺畅互动：

• 基地的任务控制人员

• 飞机上的机组人员

• 能够收集和报告任务数据

• “面向未来”，为以下功能做好准备：

• 自主

• 感知

• 自我修复

* “2016 年航空航天物联网介绍”，作者 Rick Alena，NASA 艾姆斯研究中心发布。

起飞

将整个飞机上的这些网络连接起来还需要轻质、耐用、灵活的材料以符合有关标准。TE Connectivity(TE)提供的尺寸、重量和功率(SWaP)节省工具多种多样，包括：模块化连接器、光纤连接器、电线电缆、CANbus 与以太网互连网络工具，以及航空电子设备、机舱系统和机载娱乐系统的信号与电力传输产品。可以对飞机的有线和无线系统进行某种类型的改造，从而实现其互联。

客舱内部的布线可以进行修改，以减小尺寸、重量和功耗。TE 将高速铜缆和光纤链路应用于机载娱乐分发与控制系统，并用之于自动化厨房系统的通信。光纤速度高而重量轻，同时互连接头的尺寸减小，非常适用于较小的空间。

航空电子设备也可以采取相同的处理方式，其中 ARINC 836 标准化 MiniMRP 封装可以将尺寸减少 40%。这反过来又有助于提高设计的灵活性，因为智能控制比较靠近端点。

新型复合材料有助于减小尺寸和重量。一些供应商在分子层面对热塑性塑料进行修改，使其进一步轻量化。下一步发展方向可能是碳纳米管复合材料，它用较轻的材质取代传统的铜线。

TE 工程副总裁兼首席技术官 Thierry Marin-Martinod 表示：“在材料中添加某些分子可以改变介电常数，或者添加金属粉末可以提高导电性。这样有助于改善产品的热交换或电磁性能。我们还可以添加空心珠，以减轻材料的重量......总之，我们几乎可以对基本材料做任何事情，只要客户需要。”

在制造商同时也生产原材料的情况下，由于他能够在模制过程中集成各项功能，因此可以进一步减轻产品的重量。例如，电子元件的外壳可以包含附加的固定装置，或者直接模制于飞机的连接器上。这种做法还可以提高质量并缩短安装时间。

在更为广泛的背景下观察商用客机，还可以看到机载互联系统的实施。机场致力于改善通信和安全，而美国的《新一代航空运输系统》(NextGen)和欧洲的《单一欧洲天空空中交通管理研究》(SESAR)等现代化项目则试图提高航空效率。这一点可以通过广域信息管理(SWIM)来实现，它是一项国际标准化的空域控制服务。其标准包括一个开放式的架构框架，飞机可通过该框架报告天气情况并安排起飞和着陆。理想情况下，这样可以使起飞和着陆的时间更加有条理，从而减少飞机在跑道上白白燃烧燃料的时间(并减少乘客在机舱内坐等起飞的时间)。

广域信息管理 SWIM

SWIM 可以收集和组织 FAA 数据，并根据飞行员或空中交通管制人员的需求通过单一界面显示各种类型的数据。1997 年 Eurocontrol向 FAA 提出 SWIM，2005 年国际民用航空组织(ICAO)全球空中交通管理(ATM)运行概念项目正式采用 SWIM。它的目的在于“用户每次想要访问他们所需的数据时不必进行点对点连接”(FAA)——这正是物联网创建的基石。

旅程

随着 FAA 新项目和其他数据来源的出现，SWIM 不断扩展。FAA 的 SWIM 页面(2017 年 6 月访问)列示的一个五年计划指出，该项目将继续扩展，以实现国际空中交通管理数据交换，并采用现代数据标准。

互联系统也可用于航空业的其他领域。航空公司常常通过制造商租赁发动机，而不是直接拥有发动机。互联的发动机可以受到更为密切的监控。Rolls-Royce、GE、Pratt&Whitney 等公司都在使用这种方法，将数据存储于自己的中心。这也意味着制造发动机的公司垄断了发动机的维修，因为他们拥有故障诊断所需的大部分数据。

在许多情况下，预测性维护已经应用于喷气式发动机。根据工业 4.0(也称为第四次工业革命)的理念，预测性维护软件会提醒母公司的机队操作员、工程师和科学家更换零件。理想情况下，这样可以防止问题的发生。

...... 目的在于

“用户每次想要访问他们所需的数据时不必进行点对点连接”(FAA)——这正是物联网创建的基石。

4 | 目前的互联飞机系统

监控硬件的生命周期不仅需要软件，而且还需要内置于引擎的传感器，以及枢纽处的数据中心管理功能，以便对信息进行消化和监控。

预测性维护还包括针对特定情况的比较数据、机器学习和实时分析。除了在问题发生之前发现问题之外，机器学习还有助于了解在某些情况下是否应该推迟维护以减少不必要的工作。机器学习解决方案可以包括机器本身内的硬件组件，但数据通常托管于云服务提供商(如 IBM)拥有的数据中心。

飞得更远

物联网(IoT)和互联设备也可用于飞机工业，以确保在恶劣的环境中良好地管理设备。传感器在飞行过程中暴露于极端的温度和振动，但供应商经验丰富，足以将自己的设备隔离于飞机发动机本身的湍流和环境。使用寿命也须加以考虑，因为某些传感器可能需要工作 30 年以上。

智能管理在推进和配电领域也有着重要的作用。必须在严格的磁、热、机械和电气参数范围内开发高功率的高压互连器。这些部件的高

可靠性对于飞行安全极端重要。

安全着陆

可调水平稳定器执行机构(THSA)一个是特别值得注意的例子，它是飞机上最复杂的执行机构之一。出于安全原因，THSA 配备了一个辅助负载通道，可在主要负载路径发生故障时启动，以确保飞机仍然可以保持水平方向。TE 的解决方案是替换掉将 THSA 紧固于机体结构的螺栓，而代之以传感器，这样不会增加额外的重量。传感器有助于确保飞行控制计算机和飞行员即时了解系统功能受限的情况。一旦地面上的维护人员到达飞机，就可以立即启动预测性维护。

那么，FAA 关于乘客互联设备的政策有什么变化呢?2017 年，飞机上手机着火的新闻要多于信号干扰方面的新闻。自 2013 年宣布小型设备可以在飞行过程中使用以来，越来越多的航空公司致力于充分利用飞机上的 Wi-Fi。通过互联设备的安全隔离，机组人员完全可以专注于自己的飞行任务。随着飞机工业不断向前发展，制造商可以期待在天空中看到更多的“智能”设备。