基于PHM的機載設備健康管理系統的研究與設計

許光濘　文欣秀　曾亞

摘 要： 機載設備健康管理是對飛機上主要設備的健康狀態進行全面管理的一種過程。為了實現機載設備的健康管理，基于開放式PHM架構，分析了機載設備健康管理系統的主要功能以及設備健康管理流程，完成了機載設備健康管理系統的功能模塊設計，主要包括數據采集與處理、狀態監測、健康管理、故障預測和壽命預測、維修管理、輔助功能等功能模塊。該系統是機載PHM架構的軟件實現，能夠幫助用戶完成主要機載設備的健康管理及壽命預測。

關鍵詞： 健康管理系統； PHM； 機載設備； 狀態監測； 壽命預測

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）08-47-03

Research and design of health management system for airborne equipment based on PHM

Xu Guangning1， Wen Xinxiu2， Zeng Ya1

（1.China Electronics Technology Group Corporation No.32 Research Institute， Shanghai 201808， China；

2. School of Information Science and Engineering， East China University of Science and Technology）

Abstract： The health management of airborne equipment is a process of comprehensive management of the health status of the main equipment on the aircraft. In order to realize the health management of airborne equipment， based on the open PHM architecture， the main functions of the airborne equipment health management system and the equipment health management process are analyzed， and the functional modules of the airborne equipment health management system are designed， including data acquisition and processing， condition monitoring， health management， fault prediction and life prediction， maintenance management， auxiliary functions and other functional modules. The system is a software implementation of airborne PHM architecture， which can help users complete the health management and life prediction of the main airborne equipment.

Key words： health management system； PHM； airborne equipment； state monitoring； life prediction

0 引言

隨著飛機綜合化、復雜化、一體化、智能化程度的不斷提高，以及計算機及衛星技術的發展，故障診斷方法不斷融入新的理念。在考慮復雜系統可靠性、安全性、經濟性的基礎上，故障預測和健康管理（prognostics and health management， PHM）越來越多的重視和應用以預測技術為核心的策略[]。故障預測技術已發展成為自主式后勤保障系統的重要基礎。故障預測與健康管理技術[2]作為實現視情維修和自主保障的重要技術手段，已經在航空/航天領域開展了廣泛的研究。基于故障預測的故障診斷技術與健康管理相結合，可以將系統的可靠性提升到一個全新的高度。自美國率先在陸軍直升機上應用了健康管理系統之后，各國軍方先后開發出多種能保障飛機主要部分的健康管理系統[3-4]。我國雖然對健康管理概念接觸較晚，但仍取得了一定的成就[5-6]。

1 PHM體系結構

PHM 技術體系結構如圖1所示[7]。通過傳感器從機載各子系統獲取設備的監測數據，監測數據經過數據預處理和優化，通過算法分析和智能模型處理后，形成診斷和預測分析數據，最后給出目標系統的剩余壽命分布、性能退化程度或任務失效的概率，為機載設備的維護計劃提供決策支撐信息。

⑴ 數據采集和傳輸：主要通過傳感器及其網絡實現數據采集、轉換及傳輸功能。

⑵ 數據處理：對采集到的數據進行預處理，數據特征提取和優化，分類整理并傳遞。

⑶ 狀態監測：對機載設備的狀態參數進行實時監視和離線檢測，如是超出設定極限（閾值），則發出報警信息。

⑷ 健康管理：主要監測機載系統及設備部件的狀態是否退化，記錄它們的實時狀態并依據相關的算法或模型確定故障發生的可能性。健康狀態的判斷依賴于各種狀態的歷史數據、當前工作狀態以及維修歷史數據等，所以在記錄這些數據時要盡可能的全面。

⑸ 故障預測：綜合利用系統已有的數據信息，根據預測評估算法和模型預測被監測系統的未來狀態，包括機載設備的故障預測、剩余壽命預測等。

⑹ 維修管理：主要完成維護及維修信息的查詢、設備臺帳管理、備品備件管理、維修手冊管理和維修知識庫等功能，對維修活動提供建議措施。

⑺ 接口：主要完成各種健康信息、故障信息、壽命信息以及維修信息的綜合顯示功能。

2 設備健康管理流程

設備健康狀態管理流程[8]如圖2所示。設備健康狀態管理通過傳感器采集設備的各種狀態信息，監測機載設備的健康狀態，在基于監測信息的統計、分析基礎上，評估機載設備當前的健康狀態，并結合機載設備健康狀態的退化規律，預測機載設備健康的未來狀態，最終做出機載設備維修決策，實現機載設備的健康狀態全程管理。

健康狀態監測：按設備參數的重要程度選定最具代表性的參數作為健康狀態管理的基本參數，進行信息采集。設備的實時監測信息和定期檢測信息，都可以作為設備狀態信息的數據源。設備狀態信息的數據源應該是多層次、多方面和動態的。獲取的設備健康狀態信息通過信號處理、特征提取、數據融合等方法進行數據處理，即可獲得設備的健康狀態信息。

健康狀態評估：根據設備運行狀態數據對設備的健康狀態做出評估，確定設備的健康等級，并向相關人員報警。

健康狀態預測：設備健康狀態預測可綜合利用系統已有的數據信息，根據預測評估算法和模型預測被監測系統的未來狀態，保證在設備嚴重停機事故發生之前，有足夠的時間制訂和實施維修計劃，避免設備健康狀態進一步惡化。

設備維修決策：根據設備健康狀態的診斷和預測結果進行判斷，給出日常維護/保養計劃、維修計劃、維修方案建議、狀態參數值調節建議、設備健康狀態退化狀況等信息。

3 軟件功能設計

根據PHM的設計思想，結合機載設備維修管理的實際情況，機載設備健康管理系統的功能模塊主要包括數據采集與處理、狀態監測、健康管理、故障預測和壽命預測、維修管理、輔助功能等功能模塊，如圖3所示。

3.1 數據采集與處理

利用各種在線或離線技術，將各種數據源接入到健康管理系統中，利用數據解析方法對數據進行解析，根據異常判斷準則對數據進行簡單的異常判斷，消除或過濾異常數據。通過數據預處理方法，將數據處理成系統所要求的格式。此外，還具有數據轉換、數據傳輸等功能。

3.2 狀態監測

主要接受來自數據采集與處理模塊處理后的數據，完成機載設備或系統的狀態監測與故障檢測、狀態異常分析和歷史監測數據查詢等功能。狀態監測與故障檢測功能包括：狀態數據實時監視、狀態參數離線檢測、故障特征跟蹤與對比、故障檢測與隔離。提供人機交互界面，實現設備異常和故障檢測功能的可視化。

3.3 健康管理

主要完成健康特征參數超限的確定、健康狀態等級劃分、健康狀態等級評定、當前健康狀態管理、健康狀態報警、歷史健康狀態查詢等功能。當系統發生故障時，診斷記錄產生故障的時間，并確定故障發生的原因，根據健康狀態等級劃分的準則評定健康狀態等級，給出健康狀態評估結果。健康狀態信息存入歷史數據庫，方便用戶隨時查詢設備的歷史健康狀態信息。一般機載設備定義的設備健康級別為三級：健康、亞健康、故障。

此外還提供狀態信息融合功能，狀態信息經過系統封裝的算法的融合處理后輸出當前設備部件的健康狀態。

3.4 故障預測和壽命預測

故障預測和壽命預測主要是綜合利用前面幾個模塊產生的數據結果，實現機載設備的狀態退化過程分析、設備狀態預測、設備剩余壽命預測、預測模型與算法管理等功能。在預測模型與算法管理模塊，可以對系統內置的預測模型管理和配置參數，還可根據系統的相關約定，增加用戶自定義的預測模型和算法。

在進行健康狀態評估和剩余壽命預測時，需要結合知識庫、經驗庫以及系統封裝的預測算法，在分析任務完成后，將評估、預測和分析結果發送到機載設備系統的決策支持層，輔助高層管理者判斷決策。

3.5 維修管理

實現維修信息查詢、維修資源管理、維修管理、維修手冊管理、維修知識庫管理等功能。其中維修資源管理主要實現維修人員信息管理、維修工具管理、備品備件管理、當前機載系統中的設備臺帳管理等功能。維修管理主要實現設備維修計劃自動生成，對未按時完成的維修進行提醒，確認已經完成的維修任務和維修的效果。用戶可以通過人機界面實時的查詢設備臺帳和維修信息。決策管理者可以根據當前機載設備健康狀態和剩余壽命預測信息來制定維修方案。若故障程度已經超出一定范圍，危及人員和設備的安全時，則必須立刻發送信息通知操作人員，同時啟動應急措施以最大程度地減少故障影響范圍和財產損失。

維修知識庫主要存儲故障維修知識和設備維修方案。維修人員可以根據設備故障信息或故障類型，查詢和檢索知識庫，獲取所需要的維修方法和建議。

3.6 輔助功能

輔助功能主要實現各類信息人機界面顯示管理、數據庫管理、報表生成與打印、知識挖掘、數據同步、信息集成等功能。數據同步完成機載設備狀態信息向地面指揮中心的數據通信，數據的形式可以數據報文和文件。信息集成主要完成與第三方信息系統的信息共享，提供信息集成接口。

4 實施設備管理系統的意義

實施設備健康管理的目的是：取消基于日歷時限和部件使用情況的計劃維修，提高零備件保障的效率；識別未來可能發生故障或出問題的系統單元；實時地生成機載設備的維修計劃并向各級保障機構報告。當飛機還在空中飛行時，機載PHM系統所檢測到飛機故障和狀態信息便可以傳輸給地面指揮中心，讓他們提前做好準備，在飛機降落后就可以快速地進行維修，縮短飛機再次使用的準備時間，大量減少維修工作量，提高飛機的戰備完好性。

機載PHM系統在智能診斷故障的基礎上，能通過其推理機綜合管理系統，對來自各分系統診斷推理機的信息進行交叉校驗，有效地剔除異常和沖突信息，從而將飛機的FAR降低到很小的程度。

5 結束語

借助各種智能推理算法，機載PHM可以評估機載設備的健康狀態，在機載設備故障發生前對故障進行預測，并結合各種可利用的資源信息提供一系列維修保障措施以實現機載設備的視情維修。機載設備健康管理系統的應用能進一步提高飛機的機內自測試和狀態監控能力，改變傳統的基于事件或時間的維修模式，實現基于狀態的維修。

下階段的研究目標是：實現更多的數據算法，優化現有的算法設計；在狀態監測數據積累到一定程度之后，利用大數據的分析方法，實現機載設備的智能健康管理。

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