用于無人飛行器系統的綜合健康管理（IVHM）架構設計

張博+孟寶林+欒書平

摘 要：無人飛行器系統由無人飛行器和地面控制臺組成。相比于有人飛行器，無人飛行器的事故率很高，成為了現階段阻礙無人飛行器廣泛應用的一個重要原因。對飛行器的實時及長期健康狀況的有效監測、診斷及預測，是飛行器保障維護工作中的重要一環。文章介紹了飛行器綜合健康管理（IVHM）的概念及其通用架構模塊，提出了用于無人飛行器系統的綜合健康管理架構設計，并對其可行性進行了分析。

關鍵詞：飛行器綜合健康管理；無人飛行器系統；架構設計；可行性

無人飛行器的概念最早出現在20世紀初。那時的人們就已經認識到，不需要乘員的無人飛行器非常適合于執行那些危險、環境惡劣或重復枯燥的任務。然而很長一段時間里，受科技水平的限制，無人飛行器的實際應用十分有限。直到近二十年，隨著微電子技術、無線通信技術和材料技術的進步，無人飛行器的載重能力、控制距離和飛行持續時間得到了大幅提升，才使其具備了獨立執行各種復雜任務的能力[1]。

盡管無人飛行器的體量越來越大，復雜程度越來越高，功能越來越強，其安全性卻始終未達到令人滿意的程度。美國是目前在大型無人飛行器領域投入最大，裝備數量最多的國家之一。已裝備的大型無人飛行器主要有捕食者MQ-1，全球鷹RQ-4，收割者MQ-9等。根據相關統計數據，截至2012年，這三型無人飛行器的A類事故數及事故率見表1[4]。

經調查，機載設備在飛行中發生故障或失效是造成如此多事故的最主要原因，占到A類事故總數的57%。這幾型無人飛行器還具備一些共同特點，如大展弦比機翼，單引擎，衛星調制的超視線控制，長航時等。這些特性進一步降低了無人飛行器的整體可靠性，往往單個設備或模塊的故障就會造成整個飛行器的損毀。

另一方面，無人飛行器系統由無人飛行器和地面控制臺組成。遠程操作員通過地面控制臺駕駛無人飛行器時，可得到的信息十分有限，判斷力與直覺也因此受到限制，當飛行器出現異常或故障的征兆時，往往不能及時察覺并應對。

綜合上述這些因素，導致了現階段無人飛行器的事故率遠高于有人飛行器。大型無人飛行器想要更廣泛地應用在民用各個領域，就必須有效地解決安全性問題。

1 飛行器綜合健康管理概述

飛行器綜合健康管理（IVHM，Integrated Vehicle Health Management），是一種對飛行器及其組成部件的健康狀況進行統合地監測、預測、診斷及處置的能力[5]。IVHM的概念從機內測試（BIT）及機內測試設備（BITE）的基礎上發展而來，通過智能自主的監測、預測、維護調度、異常處置等手段，提升飛行器總體的安全性、可用性、可靠性，并降低維護維修的費用。IVHM包含的活動主要有：

（1）監測：通過飛行器上的分布式傳感器，采集飛行器各部分工作狀態數據。

（2）診斷及預測：診斷是否存在異常，判斷異常的嚴重程度，并預測系統狀態的變化趨勢。

（3）緩解或修復：在最大可能保證系統和任務有效性的前提下對異常進行處理，將故障部分恢復到正常狀態，或更換故障部分，或其它空中/地面維護工作。緩解及修復的實施須建立在健康診斷或預測的基礎之上。

（4）檢驗：確認故障已被正確地修復，并且沒有遺留潛在問題。

IVHM活動模型見圖1。四項主要活動在IVHM的綜合調度下由機上設備自動執行或由地面維護人員完成。對無人飛行器來說，在沒有機上駕駛員的情況下，IVHM可對飛行器各組成部分的工作狀態進行監控及檢測，有效幫助遠程操作員把握飛行器的整體健康狀況。在出現故障或隱患時，盡量使其恢復到正常或為維護工作提出決策及建議，將安全性風險和對任務的影響降到最小。另一方面，無人飛行器為了實現遠程控制，通常也具備較高的系統集成度和故障檢測覆蓋率，降低了IVHM在無人飛行器上應用的難度。

2 IVHM通用架構模塊

飛行器的各個部件通常由不同的供應商開發，并且具備各自獨立的維護產品和服務。為實現IVHM對全機狀態數據的收集及綜合處理，必須解決各部件之間數據格式及傳輸的標準化問題。2001年，由美國海軍牽引，由波音、洛克韋爾等公司聯合組建的小組制定了一個用于視情維護的開放系統架構OSA-CBM（Open System Architecture for Condition Based Maintenance），之后被IVHM機構引用，成為了IVHM通用標準架構[6]。

OSA-CBM架構分為七層，自底向上分別是：

ST（Sensor/Transducer）：傳感器；

DA（Data Acquisition）：數據采集；

DM（Data Manipulation）：數據處理；

SD（State Detection）：狀態檢測；

HA（Health Assessment）：健康評估；

PA（Prognosis Assessment）：預測評估；

AG（Advisory Generation）：決策生成。

后文將以上述7個層級作為基礎功能模塊開展IVHM架構設計。

3 用于無人飛行器系統的綜合健康管理架構

為滿足遠程控制的需求，無人飛行器系統的系統集成度和自動化程度很高，而且系統各層級本身就具備覆蓋度較高的狀態監測傳感器，可以被IVHM直接利用。事實上，隨著IVHM概念的慢慢成熟，人們對IVHM的設計也趨于務實化。飛行器上的慣性導航傳感器、衛星定位設備、無線電定位設備、控制傳感器以及各個設備中的BIT傳感器已足夠支撐IVHM數據采集層的需求[7]。發動機、飛控等任務關鍵系統具備的系統級綜合健康管理（ISHM，Integrated System Health Management）也逐漸成熟，可以為全機IVHM提供較高層級的功能支持。同時，飛行數據記錄儀、飛行管理系統和任務管理系統還可以承擔一部分數據綜合處理的工作。最后，飛行器診斷、預測、決策支持任務可以交由地面控制臺來完成。無人飛行器系統IVHM整體架構設計見圖3。

圖中可見，這一架構的主要優點是充分復用了飛行器各部件上已有的傳感器及數據處理能力。對不具備信號采集或數據處理能力的設備，才將相應的功能交由機上IVHM模塊來完成。同時，將診斷、預測與決策任務放在地面控制臺中進行，以最大程度地減少機上的額外負載。此外，有效的系統健康診斷和預測必須建立在大規模數據積累和模型匹配計算的基礎之上，而地面控制臺則可通過外部云數據、云計算的支持，提高健康診斷、預測和決策的準確性。

4 可行性分析

IVHM作為一個新興領域，目前仍處在不斷發展和完善之中，盡管已建立起較為成熟的理論體系，但其工程應用的腳步卻并不算快。主要原因就是IVHM實現的不是與飛行或戰術任務直接相關的功能，在飛行器有限的載荷、能源、帶寬等的分配中，很難獲取足夠的資源。因此，能否帶來可觀的投資回報率（ROI，Return on Investment）是決定IVHM可行性的關鍵因素。IVHM ROI的計算方法如下[9]：

式中PR是IVHM提升飛行器整體可靠性所帶來的效益。相關研究結果表明，實施IVHM的飛行器可以更有效地預判系統部件中存在的潛在故障，相比不具備IVHM的飛行器，可提前發現并處理15%～30%的潛在故障。這對無人飛行器系統目前較低的可靠性而言，無疑是非常大的效益。

PM是IVHM視情維護相較于傳統定期維護所節省的費用。現代飛行器的全生命周期維護費用占到采購運營總費用的40%以上。而基于準確狀態預測的視情維護則可以減少至少30%的不必要的維護工作[5，11]。

I是飛行器實施IVHM的安裝及運行費用。本文中架構設計的主要思路就是復用飛行器中已有的傳感器及BIT能力，力圖將實施IVHM的額外負載及費用降到最低。參考現有的飛行器IVHM實施成本分析結果，粗略估計所需安裝及運行費用不超過飛行器總采購及運營費用的5%[9，12]。

綜上分析，本文中設計的無人飛行器系統綜合健康管理架構以較小的代價獲得了可觀的收益，可提供幾十倍至上百倍的回報率。

5 結束語

隨著無人飛行器系統的裝備數量不斷增長，應用領域不斷拓展，其較高的事故率成為亟需解決的問題之一。本文介紹的無人飛行器系統IVHM 架構設計最大程度地復用機上已具備的各級BIT設備及傳感器，并利用地面控制臺完成健康診斷、預測與決策。一方面減少實施IVHM所帶來的機上額外負載，另一方面可在云數據支持下提高診斷與預測的準確性。是降低無人飛行器系統事故率的一條有效且經濟的途徑。

參考文獻

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[5]Jennions I. Integrated vehicle health management-perspectives on an emergin field. USA： SAE International，2011.

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[9]Jennions I. Integrated vehicle health management-business case theory and practice. USA： SAE International，2013.

[10]Niculita O， Jennions I， Irving P. Design for diagnostics and prognostics： a physical - functional approach. IEEE Aerospace Conference，2013.

[11]Ballentine E， Miracle A， Bayoumi A， et al. Return on investment： analysis of benefits of the implementation of elastomeric wedges as vibration control on the apache aircraft. AHSI AHS Airworthiness， CBM， and HUMS Specialists Meeting，2013.

[12]Fischer K. ENM 590： case studies in engineering management - condition based maintenance plus return on investment analysis. US Army RDECOM-TARDEC，2011.

作者簡介：張博（1984-），碩士，研究方向：慣性/衛星導航、制導、無人機。