航空電氣設備的故障預測與健康管理的研究

劉銘光

（廣州民航職業技術學院，廣東廣州，510403）

航空電氣設備的故障預測與健康管理的研究

劉銘光

（廣州民航職業技術學院，廣東廣州，510403）

基于對航空可靠性、安全性和經濟性方面的需求，對航空電氣設備的故障預測與健康管理技術越來越多地得到了重視與應用，在國外的航空設備檢測技術中，故障檢測與健康管理技術已經成為了核心技術。介紹了航空電氣設備故障預測與健康管理（PHM）技術，針對航空典型電氣設備的故障預測與健康管理系統建模的重點內容，分析了航空電氣設備的故障預測與健康管理技術的整體預測過程、相應應用策略。

故障預測與健康管理；預測過程；應用策略；航空電氣設備

0　前言

通過分析發現，對航空電氣設備進行故障預測及健康管理，是預測飛機電氣系統履行其功能的能力，主要包括健康狀態、剩余壽命等。通過故障預測及健康管理技術的應用，實時提供電氣系統的健康狀態，準確快速診斷與定位故障，預測故障和剩余壽命，為維修人員提供輔助決策支持，動態調度維修資源，實現空地一體的維修保障，從而減少地面維護和修理的停機時間，提高飛機的完好性、運營效益和綜合保障性。

1　故障預測與健康管理綜述

航空電氣設備故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，簡稱PHM）。根據相關資料顯示，這一內容主要包括“健康管理”和“故障預測”。健康管理是指在期望系統正常性能狀態下，航空電氣設備或電氣系統性能整體下降或是偏差的程度；故障預測是指通過對相關歷史數據及現狀進行分析，并以此為依據，對于相關的系統功能進行預測性的檢測。同時，相應總線技術和計算機網絡技術的飛速發展，故障預測以及健康管理技術綜合體系的形成在一定程度上得到了完善及提高。

2　針對航空典型電氣設備的故障預測與健康管理系統建模

根據相關資料顯示，航空發電機的壽命縮短及性能的衰退，主要是跟發電機的機械磨損、定子繞組絕緣老化等物理故障現象有關。搭建航空發電機專用加速壽命試驗平臺，根據從發電機獲取輸入轉速、注油壓力、負載、頻率、電流、進油溫度、出油溫度、進口壓力、出口壓力等多種壽命相關參數， 深入分析這些參數間的內在聯系與壽命變化規律， 設計壽命預測模型， 并運用該模型對航空發電機壽命表征參數進行預測。通過分析發現，要建設有效的故障預測及健康管理系統，重點是對系統的特征信號提取、健康狀態預報、壽命預測與保障決策進行分析和處理。根據現階段的實際發展情況，對以上組成部分進行分析如下。

2.1特征信號提取

故障預測及健康管理關鍵是要從眾多信號中提取特征信號，提取應用最廣泛是小波分析法。小波分析法是通過對檢測信號多分辨率的正交變換，采用多濾波器組的計算原理對頻域進行細致分解，可以清晰、完備、更精細地凸顯故障特征。小波分析法還能夠根據不同的頻率組成部分對信號的整個細節進行調節和處理，在一定程度上提高了信噪比以及信號的分辨率，極大地促進了故障預測以及健康管理的發展。

2.2健康預測與診斷系統

開發健康預測與診斷系統，要實現各模塊的功能共享，如飛機發電機的健康預測與診斷系統可與飛機發動機的“全權數字式發動機控制（Full Authority Digital Engine Control -FADEC）”結合起來，在集成的形式之下成為一個整體對待，能夠使系統滿足不同的功能需求 。兩者之間有著非常密切的聯系，兩者需要的參數（如發電機的電流、電壓、頻率等）大部分是相同的。

2.3健康狀態預告與剩余壽命預測模型

健康狀態預告與剩余壽命預測這一模型主要是對被檢測對象的整體狀態進行整體的分析，并進行統一分類，分類的主要標準有三個，一是正常；二是性能在一定程度上下降；三是失效。同時，這一系統還可以使用特征提取的形式對被檢測對象的整體狀態進行分析以及識別。按照故障的識別方式可以將航空發電機的故障分為基于模型的預測法、基于知識的預測法、基于數據的預測法等。其中基于模型的預測要以航空發電機的數學模型與部件失效模型為基礎；基于知識的預測不需要精確的數學模型；基于數據的預測則數學模型與物理模型都不需要。

3　整體預測過程

通過分析發現，這一預測過程主要分為四個步驟，為了更好地進行數據的分析，在此，結合其實際情況，對其整體預測的過程進行分析，其主要內容如下。

3.1轉換估計

首先，我們要進行的第一個步驟就是對隱馬爾可夫模型（hidden Markov model 簡稱HMM，是一種參數的估計推斷辦法）的相應參數進行整體估計，在估計的過程中，進行整體狀態的轉換估計，為以下步驟的檢測打下堅實的基礎。

3.2概率密度函數的獲得

在進行隱馬爾可夫模型（HMM）參數估計的過程中，還要根據狀態周期的實際情況，進行概率密度函數的獲得，我們之所以要進行這一步驟，其主要原因在于要通過這一函數進行相應數據的計算，例如平均數以及偏差等。

3.3進行結果分析

在這一步驟，系統要做的工作就是通過對相應數據的分析，并對數據進行分類計算，進而對其結果進行處理，通過這些數據結果進行系統整體健康狀態的獲得。

3.4壽命預測

這一步驟，系統主要工作是進行壽命的預測，主要的方法是運用迭代運算。通過這一方法可以較為準確的進行使用壽命的預測，從而為航空電氣設備的使用安全打下堅實的基礎。

4　相應應用策略

根據相關數據顯示，現階段在航空領域方面，PHM這一技術的應用雖然發展十分快速，但在技術層面上，還存在一定的問題，這些問題在一定程度上影響到航空電氣設備的整體質量提高及安全使用，為促進其應用水平的提高，在此，結合其實際情況，進行相應策略的提出，其主要內容如下。

4.1飛機運行狀態監控

要不斷提高故障檢測水平，首先，我們要從飛機運行狀態監控方面進行分析。例如，我們可以針對單個的電氣系統的部件進行PHM技術的提高，進而與相應的系統形成一定的匹配。通過這樣的方式，可以及時進行部件或是系統運行情況的檢測及分析，在進行檢測的同時，還可將數據進行整理，并傳輸到地面飛機維護人員，這為加強航空安全及維修能力提供有力的保障。

4.2應用便攜式維修輔助設備

這一技術簡稱為PMA（Portable Maintenance Aid）。PMA可以為飛機上的相應部件或是機電、電子系統進行相互聯系，并進行通信鏈的建設。通過這一技術，不僅可簡化工作流程，還能實現機內檢測與維修工作的相關監控，還能實現相關飛行數據的下載。

4.3加強前線測試成套設備的研制

目前飛機維修保養是以更換或維修故障單元為主要工作方式，會造成特殊系統保障資源的浪費，因此可通過開展維修級別分析、完善測試功能、合理分配和確定保障資源等方法補充 PHM技術的診斷能力和在線監控性能。我們還應積極進行數據更新，以提高可靠性及維修性，進而為航空安全打下堅實的基礎。

5　總結

綜上所述，進行故障預測及健康管理的研究，對于航空電氣設備的安全具有十分重要的意義。通過故障預測及管理技術的應用，不僅能夠降低航空公司的運行成本，還能極大地提高電氣設備及電氣系統的性能，大大提高其工作可靠性。故障預測和健康管理技術的開發與推廣已經在歐美國家得到了重視，并有了較為顯著的成效。為了進一步促進其應用水平的提高，結合實際情況，提出相應解決策略，望能起到一定的借鑒作用。

［1］韓國泰.航空電子的故障預測與健康管理技術［J］. 航空電子技術2009，03

［2］王瑩玉.基于LS_SVM的軍用航空發電機壽命預測研究［J］.沈陽航空工業學院學報， 2010，08

［3］王少萍.大型飛機機載系統預測與健康管理關鍵技術［J］. 航空學報2014，06

［4］杜志興.航空機電產品故障預測和健康管理技術［J］. 科技創新導報，2014，16：164.

［5］張棟善.航空裝備領域中故障預測與健康管理技術的應用分析［J］.山東工業技術，2016，10：264.

［6］范守文，黃洪鐘，楊玻玻.機電產品容錯糾錯設計系統及其基本框架研究［J］.計算機集成制造系統，2007，07：1275-1281.

劉銘光，男（1962.10—），漢族，籍貫 廣東潮州，學士，講師，研究方向：電氣自動化控制；航空機電技術。

Research on Prognostics and Health Management of Aviation Electrical Equipment

Liu Mingguang
（Guangzhou Civil Aviation College，Guangzhou Guangdong510403）

Based on the needs of aviation reliability，safety and economy， more and more attention has been paid to prognostics and health management（PHM） technology of aviation electrical equipment，In the overseas aviation equipment inspection technology，prognostics and health management technology has become the core technology.aviation electrical equipment prognostics and health management technology are introduced in this paper，aimed at key content of aviation typical electrical equipment prognostics and health management system modeling，analysis of the aviation electrical equipment prognostics and health management technology of overall prediction process， the application strategy.

prognostics and health management（PHM）；prediction process；the application strategy；aviation electrical equipment