如何缓解航空航天电气合规风险：一种新方法

执行摘要 当今的航空航天业面临两个主要的发展趋势。首先，日益增加的任务需求不断提升平台性能要求。无论是进一步扩大双引擎飞机的飞行范围，增加大型商用飞机的电池保持能力，还是提高喷气式战斗机的效能，OEM   厂商现在都需要更多的任务能力。 第二个趋势关系到电气化程度提高带来的全新复杂度。平台开发人员通过电气解决方案实现新功能的趋势超过以往任何时候。这些以电气方式实现的功能包括电传操纵系统、电子飞行仪表系统 (EFIS)、机载娱乐系统 (IFE) 和组合视觉系统  (CVS)。其中许多电气方案正在取代现有靠机械、气动和液压实现的功能，而且这种情况在当今的飞机上已经变得司空见惯。 电气线路互连系统的兴起

增加电气解决方案使用量带来的一个影响是，增加了电气线路互连系统 (EWIS) 的尺寸、重量和复杂性。例如， 一架典型的公务机上往往有超过 120 个电气系统。这种特殊的喷气机电气系统轻松包含 350 个线束，以及多达3 万个导线部分。其累计导线长度动辄超过 50 英里，此外还有 10 万个以上的零件。 随着数字通信的广泛使用，EWIS 内容已经从简单的点对点模拟连接发展为更复杂的数字 络总线。这反过来需要昂贵的数据电缆，从而提高了 EWIS 的成本和制造复杂性。难以计数的规则进一步加剧了 EWIS 的复杂性，这些规则可最大限度减少冗余系统的电气干扰、信 分离， 当然还能确保满足合规性和／或商业认证要求。 有助于缓解电气合规风险的现代方法 基于电气模型的企业 数字技术的使用正在给航空航天业带来深刻的转变，不论是人们设想过的方式，还是一些未曾设想却会在将来实现的方式。数字化催生了基于电气模型的企业 (MBE)， 这类企业将多个工程领域整合到一起，来实现组织内部上下游的有效协作。利用 MBE，可以在平台 OEM 内部创建互连的自动化价值链，并将其扩展到平台 OEM 之外。这是如何做到的呢？OEM 生态系统中的利益相关者采用数字线程（图 1），通过数字数据连续性在整个平台生命周期内参考平台电气系统的单一模型及其数字化双胞胎。 基于模型的方法将设计团队和业务职能整合到一起，实现通用创新目标，在项目生命周期的早期阶段提供更高的产品质量，并在平台开发的后期阶段实现更快、更高效的合规性。 数字化双胞胎／数字线程 值得欣慰的是，业界在此方面已取得一定进展 — 目前已出现合法的解决方案，并引起了 OEM 厂商的广泛关注。 进步最大的一个方面便是电气数字化双胞胎的采纳，而Siemens  多年来一直位居此领域的前沿。数字化双胞胎是物理产品的虚拟表示，可以在物理产品实际成型之前用于了解、分析和预测物理产品的结果。数字化双胞胎提供了产品、用于生产产品的流程以及产品在其整个生命周期内的性能的核心模型，航空航天团队（和未来的工程师）可利用数字化双胞胎来创建、迭代、复制和改进有价值的项目。最终可实现数据一致性和稳定性、数据集成和先进的自动化功能。使用电气数字化双胞胎可显著降低风险，简化平台电气系统的设计和集成，并大幅降低达到合规性里程碑的难度。 通过整合数据分析和机器学习功能，数字化双胞胎可以展示设计更改、生产选项、使用场景、环境条件及其他方面（如合规性）所带来的影响。图 1 描述了产品、生产和电气性能的数字化双胞胎。顺便提一句，工程师可以使用电气性能的数字化双胞胎来评估设计的合规性。

图 1：产品、生产和电气性能的数字化双胞胎通过数字线程连接起来，数字线程则成为将设计、生产和运营生命周期中的数据汇集到一起的“生命线”。 满足更多电气化需求 — 同时降低合规风险 如前所述，现代飞机系统需要更充足的电力、更高的电气化程度，但令情况更加复杂的是，由于复杂性的增加导致了合规风险的上升。为了应对诸多挑战，Siemens Digital Industries Software 的 Capital? 软件引入了一种新的合规性工具，来协助用户完成电气负载分析 (ELA)。 这项新技术的目标是简化飞机的电气设计合规和认证。Capital Load Analyzer 作为一种全新的方法，是业界首个利用自动化和数字数据连续性促进合规认证的电气系统技术。 至今仍在沿用的过时方法 电气负载分析 (ELA) 在确保飞行各阶段电气系统具有充足电力方面发挥着重要作用。大多数情况下，目前的ELA  是使用基于电子表格的工具手动完成的。设计数据以手动方式传输到这些独立的工具中，存在出现分析错误的可能性。例如，ELA 通常在旧版本的设计上执行， 有时会遗漏最新设计的整个配置部分。随着电气复杂性的提高，原有的手动处理方式已无法满足需求，因为它没有足够的扩展性，难以适应日益增加的复杂性。实际上，当前使用的许多最新方法是在飞机的电气系统远不那么复杂的时代开发的。当前的手动过程经常会导致数据捕获容易出错，而且需要很长的时间才能创建合规性文档。 此外，目前使用的最新方法经常造成在完成主要的电气设计工作后才发现合规性问题。这不仅会导致错过关键的里程碑，而且会造成在关键的项目阶段不得不进行昂贵的设计迭代，最终导致整个项目的成本大幅上升，计划严重滞后。 采用 Capital 的电气数字化双胞胎 为缓解此类风险，Capital Load Analyzer 合规性工具利用Capital 的电气数字化双胞胎对飞机的电气系统进行准确、快速的负载分析。它能根据设计，预测飞机整个电气系统的电力需求，确保即使在出现紧急情况时也能为各个飞行阶段提供足够的电力（图 2）。使用电气数字化双胞胎可以满足负载、分离和降额要求。这也包括电气负载分析和设计验证，以及在各个飞行阶段对每个发电机、整流器、电池和总线进行分析。 Capital Load Analyzer ELA 方法遵循传统的 ELA 准则，并提供了一种便捷的方法来满足以下关键合规性视角要求： ● 管理 ELA 所需的信息，例如单线接线图、操作场景（所有飞行阶段）、分析记录，等等 ● 执行 ELA 迭代、ELA 告以及 ELA 分析与 告迭代 ●  根据需要显示每种配置的合规性

图 2：Capital Load Analyzer 可确保所考虑的设计在每个飞行阶段都能为电气连接系统提供足够的电力。 Capital Load Analyzer 的用户优势 管理所有 ELA 相关信息的唯一位置 用户可以将所有 ELA 相关的数据作为原生设计数据的一部分进行管理。其中一些数据包括：ELA  相关的所有设备，例如 AC/DC 电源、AC/DC 负载、转换器、逆变器和接触器；从相关设备中提取的所有设计信息，例如额定功率和功率因数；所有瞬态负载信息操作场景、工程说明；以及用于 ELA 告的飞机信息。 由于已通过数据管理器管理所有 ELA 相关的数据，因此现在可以将这些数据与基础设计数据进行同步。这类功能可以提高设计流程的可追溯性。 快速创建电源利用率分析 Capital Load Analyzer 中的分析结果以图表和图形方式显示。目前，用户在执行 ELA 时会手动创建分析结果和图形，这一过程非常耗时，而且经常充斥各种错误。使用Capital Load Analyzer 的这一新功能，可以即时创建图表并插入到 ELA 告中，不论何时生成 告，都能提供最新的图表和图形。 单线接线图的按需分析 单线接线图源自基础产品设计，是电源架构的图示。图 3 描述了一幅单线布线图和一个基础设计示例。请注意， 在此示例中，通用设备“DC_BUS_LEFT”是单线接线图与基础设计之间的联接。

图 3：在单线接线图上执行按需分析，以便团队能够分析每个电源组件的利用率。 使用 Capital Load Analyzer 可以毫不费力地创建单线接线图，而且与基础设计 100% 同步。也可以更改单一图纸的样式，以匹配用户的设计偏好。单线接线图的筛选视图还为用户提供了各个单独操作条件的架构视图。单线接线图中的任何组件都可以标记用户指定的特定操作场景。这在评估各种失效模式和负载定序时特别有用。 在单线接线图上执行按需分析，以便用户能够分析每个电源组件的利用率。在设计的任何阶段，用户可以随时运行分析并查看分析图表和图形，以即时查看设计更改的电气负载影响。基础设计的更改以及操作场景定义的变化将会直接应用于 ELA，并显示在分析结果中。 电池建模的新方法 任何飞机上的机载电池都是一种特殊设备。当有其他电源馈入时，它便充当负载，而当没有其他电源可用时， 它便充当电源设备。 对于许多平台 OEM 而言，手动分析电池一直存在问题。出于 ELA 的目的，电池充电使用电池充电系数进行建模。电池充电系数是从电池的负载电流图表中得出的，可用于计算每个操作场景和每个时间间隔的电池电流。使用不同的放电模式对电池的放电进行建模。通过组合所有连接的负载的所有放电模式，我们可以获得电池保持时间。图 4 显示了电池模型和电池分析输出。这使用户能够：1) 在电池充当负载时非常轻松地对电池进行建模，以及 2) 在电池充当电源时获得电池保持时间的实时反馈。

图 4：电池作为负载或电源时的电池分析。 自动和全面的实时分析与 告 ELA 工程师花费大量时间手动创建和维护 ELA 告。由于这基本上是一个手动过程，因此 告未必总是与设计更改保持同步，因此， 告在产品设计还未完成之前很快已经过时。 Capital Load Analyzer（图 5）可自动将所有电气负载分析数据提取到用户自己的 告模板中，轻松高效地生成 告。该技术直接从电气数字化双胞胎中提取数据，使用户可以在设计流程的任何时间和任意阶段确定设计更改的影响。由于能够快速生成实时 告，用户可以监视设计任务并在设计流程的早期阶段识别潜在的问题，从而缓解项目风险。

图 5： 告生成具有集成的 告功能，允许小组使用自己的模板格式自动填充 告，然后自动使用 Capital 中的实时设计刷新 告数据。