現代民用飛機健康管理技術研究

劉超

摘 要：本文闡述了民用飛機故障預測與健康管理的概念，這項技術借助各種數據處理技術來診斷系統自身的健康狀態，并在系統故障發生前對其進行預測，從而極大的提高了飛機的安全性和可靠性水平，大大減少了航空公司的維護成本。本文還研究了該技術在大型飛機的技術應用，其系統的功能和組成。

關鍵詞：民用飛機 故障預測 健康管理

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0061-01

隨著民用航空市場的迅速發展，大型民用客機的安全性、可靠性和維修保障等問題越來越受到制造商和航空公司的重視。安全性和經濟性的雙重需求，使得民用飛機故障預測與健康管理（PHM：Prognostic and Health Management）技術，逐漸成為新一代民用飛機設計和運營中的一個重要組成部分。故障預測與健康管理技術是通過遠程收集飛機數據，實現飛機數據的實時顯示，地面系統人員通過對飛機數據的綜合分析，準確判斷飛機的健康狀態，對那些可能影響飛機簽派放行的故障，提早發現、找出原因并給出最佳解決方案，從而優化排故維修工作，提高排故效率，達到提高飛機利用率、縮短飛機延誤時間、減少非計劃維修、降低運行成本和維修成本，降低全壽命運營成本的目的。

1 飛機健康管理系統的發展及現狀

民用飛機健康管理技術經歷了一個漫長的發展過程。從最初的機內測試（BIT：Built-In Test），依靠各系統和設備自身的電路和程序完成故障診斷和隔離[1]。直到20世紀90年代，波音在777飛機上首次運用了機載維護系統，將飛機上所有系統的故障信息集中的采集和處理，并可以實現故障的檢測、定位、隔離等功能[2]。進入21世紀后，航空公司對于飛機安全性、維護性和經濟性的更高要求，使得健康管理技術應運而生。目前，世界兩大民用航空巨頭波音和空客為爭奪全球市場，投入巨資開發飛機健康管理系統，并作為一大賣點，運用到其最新研制的機型上。

AHM（Airplane Health Management）系統是波音公司聯合其客戶研發的用于支持飛機運營和維護工作的一套系統。AHM系統由實時故障管理功能模塊、勤務和報警功能模塊以及飛機性能監控功能模塊組成。AHM系統主要收集的信息包括CMC故障報文信息、ACMS報文信息，到將來可能會將QAR數據信息一起收集起來。通過對以上數據的分析，AHM系統可以為用戶提供飛機維護的支持。

2 飛機健康管理系統的功能

2.1 飛機故障信息監控

監控飛機所有的故障信息，將有駕駛艙效應的故障信息實時下傳，其它故障信息在飛機落地后通過QAR、航后報PFR、機組人員日志（報告）等及時發送到地面監控系統。地面分析人員利用手冊和歷史數據并借助計算機輔助分析軟件進行分析，按影響飛機簽派的緊急程度給出最優排故方案，并在飛機落地后迅速排故，降低飛機延誤率。

2.2 飛機超限事件實時監控

監控飛機超限事件，以幫助地面維護人員準確判斷可能的損傷，及早采取必要的維護和修理手段，將非計劃維修轉為計劃維修，減少飛機延誤時間、減少對后續航班安排的影響。

2.3 飛機系統狀態實時監控

實時監控那些影響飛機簽派放行的關鍵系統的關鍵部件狀態，并將超警戒信息通過ACARS實時從空中傳向地面，以使地面分析人員通過分析，能夠預測導致駕駛艙效應或影響飛機簽派的故障發生的時間，提早發現故障，將非計劃維修轉為計劃維修，并根據緊急程度給出優化的解決方案，在飛機落地后迅速排故，降低飛機延誤率。

2.4 飛機性能監控

通過采集飛機穩定巡航時的性能參數，利用發動機狀態報及相關參數模型進行飛機性能水平分析；計算實際飛機性能與基準性能的偏差；監控飛機/發動機性能趨勢，對突然和連續衰減進行告警；從而實現：使機組在飛行過程中準確掌握預計燃油消耗量，保證飛行安全；對機隊或飛機性能衰減的評估分析，為飛機的維修計劃提供建議和支持。

3 飛機健康管理系統的組成

3.1 飛機健康管理系統的物理組成

從物理硬件組成的角度，飛機健康管理系統由機載健康管理系統、數據傳輸鏈路、地面健康管理系統三部分組成。

（1）機載健康管理系統。

機載健康管理系統主要通過實時獲取并評估機載各系統/子系統的工作狀態數據，并與飛機員顯示系統相關聯。

（2）地面健康管理系統。

地面健康管理系統包括地面監控管理、智能診斷、維修專家和遠程客戶終端等模塊。對于機上監測系統無法處理的疑難復雜故障，可通過地空通信系統將故障數據傳輸到地面診斷監控中心，或借助于高級智能診斷系統和遠程專家，對故障做出快速準確判斷和處理。

（3）空地通信系統。

機載和地面健康管理系統通過空地通信系統實現數據傳輸。空地數據傳輸的方式有兩種：航后傳輸和實時傳輸。航后傳輸是指機載健康管理系統采集了狀態數據，在飛機著陸以后再將數據發送給地面系統，方式包括：QAR，WIFI，有線網絡，USB和3G等；實時傳輸是指機載健康管理系統將采集到的狀態數據實時的發送給地面，一般使用ACARS數據鏈的方式。

3.2 飛機健康管理系統的邏輯組成

從信息交互角度，可將飛機健康管理系統分成以下7個邏輯層。

（1）數據采集：全面采集全機各系統數據，并將數據轉換成數字式的數據形式，所采集的數據應能夠涵蓋后續應用需求。

（2）數據處理：對傳感器數據進行計算處理，這種處理可以是一種輸入-輸出映射，也可以是對原始測量數據的特征提取。

（3）狀態檢測：應通過對數據的計算，標識出飛機各系統的狀態，并應基于預先定義的狀態條件，檢測出任何不正常狀態，并在必要的條件下生成警報。

（4）健康狀態評估：評估飛機全機及各系統的當前健康狀態，采用推理算法診斷當前故障，并提供診斷的依據和參考信息。應考慮飛機在各種運行狀態下的健康狀態評估手段。

（5）健康狀態預測：應采用多種模型算法，基于飛機數據和使用條件，預測飛機未來的健康狀態發展趨勢，預測未來將要發生的故障或失效，預測發生故障或失效的剩余使用時間。

（6）支持生成建議：應為生成可操作的維護建議提供支持。

（7）數據傳輸：在飛機機載故障預測與健康監控功能的基礎上，飛機應將大量故障報告、BIT測試數據、狀態監控數據、健康趨勢報告、用于預測的數據等傳輸至地面系統，滿足地面實時監控與健康管理系統進行進一步深入的分析和預測的需要。

4 結論

PHM技術的引入，改變了民用飛機傳統的運營和維護模式，是降低其使用成本的有效手段，可以極大的提高民用飛機的使用經濟收益，保證飛行安全，帶來極高的社會和經濟效益，從而增強民用飛機的市場競爭力。

參考文獻

[1] 張寶珍，曾天翔.智能BIT技術[J].測控技術，2000（11）.

[2] 徐永成，溫熙森，等.智能BIT概念與內涵探討[J].計算機工程與應用，2001（14）.