民用飛機(jī)系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在對民用飛機(jī)系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)及其重要作用進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析了故障預(yù)測與健康管理（PHM）、視情維修（CBM）、自主保障（AL）及其相互關(guān)系。同時(shí)，論述了民用飛機(jī)系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的幾個(gè)主要功能模塊。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；系統(tǒng)故障預(yù)測；健康管理

1.民用飛機(jī)系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)及其重要作用

從民用飛機(jī)系統(tǒng)整體可靠性、安全性以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，采用預(yù)測技術(shù)作為支撐的故障預(yù)測及健康管理（PHM）方法已經(jīng)在民航飛機(jī)故障預(yù)測中得到了更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也成為了當(dāng)前飛機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)營的重要構(gòu)成部分，是將來航空飛行器故障診斷體系的完善法制方向。當(dāng)前，PHM技術(shù)的主要研究方向在于提高故障診斷以及故障預(yù)測的精度，同時(shí)通過擴(kuò)大健康監(jiān)控的應(yīng)用對象的方法，逐步形成基于飛機(jī)狀態(tài)的自主式保障體系。

目前，國內(nèi)對PHM技術(shù)的研究和應(yīng)用都處于技術(shù)早期階段，雖然在飛機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行狀況監(jiān)控、故障診斷的研究方面獲得了一定的成果，但是因?yàn)楣收显\斷、狀態(tài)監(jiān)測與飛機(jī)管理維修工作相互分離，導(dǎo)致故障信息的反饋速度較慢，資源的共享性、可擴(kuò)展性以及可靠性都較差，制約了飛機(jī)的整體性能。所以，在在飛機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理工作中，構(gòu)建其飛機(jī)系統(tǒng)故障預(yù)測以及健康管理系統(tǒng)對提高飛機(jī)的狀態(tài)檢測、故障預(yù)測與檢測、故障維修水平具有重要作用。

2.故障預(yù)測與健康管理（PHM）、視情維修（CBM）、自主保障（AL）及其相互關(guān)系

2.1 . PHM、CBM與AL的概念

民用飛機(jī)的系統(tǒng)故障維修方式經(jīng)歷了包括反應(yīng)性維修、預(yù)防性維修以及視情維修三個(gè)階段。其中，視情維修需要飛機(jī)系統(tǒng)自身擁有對相關(guān)故障的預(yù)測以及故障診斷能力，從而達(dá)到系統(tǒng)故障維修的“經(jīng)濟(jì)可承受性”目的，這就產(chǎn)生了故障預(yù)測及系統(tǒng)健康管理的基本概念。PHM是一種針對飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的全面故障檢測、隔離以及預(yù)測的管理技術(shù)，其引入的最終目的是了解并預(yù)測故障的發(fā)生時(shí)間或者針對預(yù)測外的故障進(jìn)行簡答的處理，而不是直接對故障進(jìn)行維修。

而AL則是一種基于知識的后勤保障系統(tǒng)，可以對飛機(jī)系統(tǒng)的綜合保障需求進(jìn)行辨別，同時(shí)建立起供應(yīng)鏈管理、部件可靠性與安全性識別系統(tǒng)庫，有利于維修任務(wù)的執(zhí)行。

2.2. PHM、CBM與AL間的關(guān)系

PHM技術(shù)是基于自主保障以及視情維修基礎(chǔ)之上的，是自主保障技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以及事情維修技術(shù)目標(biāo)達(dá)成的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前，其作為美國空軍CBM技術(shù)的最高水平，在減少維修人力耗費(fèi)、增加航空飛機(jī)的運(yùn)營效率等方面具有重要作用。隨著PHM與CBM技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了民用飛機(jī)系統(tǒng)自助保障性能的不斷提高，改善了飛機(jī)系統(tǒng)故障預(yù)測的精度及自主性能。

在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，將PHM系統(tǒng)貫穿進(jìn)去，能夠顯著減小甚至消除故障診斷過程中測試設(shè)備、工具以及診斷設(shè)備的應(yīng)用。同時(shí)，形成了一種以維修人員為主，集專家診斷技能于一體的執(zhí)行功能。另外，有利于將部分不重要的零部件推遲維修，便于民用飛機(jī)航班密集時(shí)的部署。

3.基于PHM技術(shù)的自主保障系統(tǒng)的構(gòu)建

在構(gòu)建一個(gè)基本的PHM系統(tǒng)中，主要構(gòu)建三個(gè)模塊，如圖1所示。該系統(tǒng)的最底層分布有飛機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備、PHM傳感器等；頂層則是飛機(jī)的自主保障系統(tǒng)，主要是管理層。

從圖1的結(jié)構(gòu)來看，PHM系統(tǒng)通常由機(jī)載系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)以及自主保障系統(tǒng)等接口構(gòu)成。其中，機(jī)載系統(tǒng)屬于分布式系統(tǒng)，工作時(shí)需要分布式計(jì)算機(jī)對之予以支持。而PHM系統(tǒng)是整個(gè)自主保障系統(tǒng)的核心，工作過程中需要多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分布式協(xié)作。所以，需要通過開放式、模塊化以及標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法，通過形成標(biāo)準(zhǔn)、開放的連接接口才能實(shí)現(xiàn)。下面將對系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的幾個(gè)關(guān)鍵模塊進(jìn)行論述。

3.1. 數(shù)據(jù)采集模塊

能夠?qū)崟r(shí)采集民用飛機(jī)故障預(yù)測以及健康管理系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測及健康管理的基礎(chǔ)，同時(shí)還是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)自主保障的前提。當(dāng)前在設(shè)計(jì)過程中，可以在飛機(jī)的關(guān)鍵部件設(shè)置PHM傳感器，顯著降低傳感器的布置難度，提高了飛機(jī)PHM能力的水平。同時(shí)，通過完善的機(jī)載檢測設(shè)備以及飛行參數(shù)記錄設(shè)備對飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行健康監(jiān)控，對保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性及穩(wěn)定性提供了平臺。

3.2. 信號處理模塊

飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù)具有種類多、數(shù)量大的特點(diǎn)，必須將所采集的實(shí)際狀態(tài)參數(shù)統(tǒng)一稱為計(jì)算機(jī)能讀取的數(shù)據(jù)格式，這樣才能對飛機(jī)的故障特征、飛行運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行準(zhǔn)確描述，從而降低故障預(yù)測以及故障診斷的難度。因?yàn)楝F(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)的系統(tǒng)交互程度大，故障種類較多，飛機(jī)故障狀態(tài)與原因之間存在著極其復(fù)雜的非線性映射狀態(tài)。所以，通過智能算法對飛機(jī)多狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理成為了飛機(jī)系統(tǒng)故障預(yù)測及健康管理的基礎(chǔ)。

3.3 .診斷預(yù)測模塊

目前，飛機(jī)的故障預(yù)測方法主要是通過物理失效模型進(jìn)行計(jì)算預(yù)測的，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動及融合的方式達(dá)到診斷預(yù)測的目的。而對飛機(jī)內(nèi)部不同類型的子系統(tǒng)，則必須將這些方法綜合運(yùn)用，同時(shí)結(jié)合專家系統(tǒng)的模糊推理才能建立起有效的PHM系統(tǒng)，保證故障診斷預(yù)測功能得以實(shí)現(xiàn)。

3.4. 分析決策模塊

PHM系統(tǒng)的另外一個(gè)特點(diǎn)在于其要求極高的時(shí)效性，而當(dāng)前的系統(tǒng)都是在飛機(jī)降落之后才能得到相關(guān)部件的維修計(jì)劃。當(dāng)使用PHM系統(tǒng)得到診斷預(yù)測結(jié)果并作出對應(yīng)的決策之后，自主保障系統(tǒng)將在飛機(jī)飛行過程中進(jìn)行對應(yīng)的故障隔離，同時(shí)在系統(tǒng)失效時(shí)間內(nèi)安排維修計(jì)劃，并在飛機(jī)降落前就通知對應(yīng)的維修任務(wù)。這樣就大大降低了飛機(jī)的維修時(shí)間，提高了飛機(jī)維修的精度，減少了航班延誤的概率。

參考文獻(xiàn)：

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