大數(shù)據(jù)分析助力飛機健康管理

□ 趙紅華 錢 鋒 韓曉冬/文

傳統(tǒng)的飛機健康管理系統(tǒng)主要依賴A C MS常態(tài)報文、事件報文、駕駛艙效應(yīng)、警告信息及維護信息作為數(shù)據(jù)的輸入源頭，形成對運行飛機的實時狀態(tài)監(jiān)控及機隊可靠性的基礎(chǔ)分析。由于A C MS報文記錄的數(shù)據(jù)量有限、參數(shù)缺乏連續(xù)性，在故障診斷和預(yù)防性維修方面的應(yīng)用受到制約。

目前國內(nèi)三大航空公司，機隊規(guī)模都在600架以上，每天航班量都超過2500班，每個航班的Q A R數(shù)據(jù)都在80 M以上，平均每天生成超過1 T的Q A R數(shù)據(jù)。這些海量的實際運行數(shù)據(jù)為預(yù)測性維修和診斷性維修提供了強有力的支撐。

本文介紹了利用大數(shù)據(jù)分析方法對B 737-800飛機空調(diào)系統(tǒng)進行健康監(jiān)控的建模思路和方法，該方法可擴展到液壓系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、機組氧氣系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)等，并建立統(tǒng)一的基于大數(shù)據(jù)分析的監(jiān)控平臺。

飛機健康管理簡介

自上世紀九十年代起，隨著計算機技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)的興起，為提高飛機安全運行裕度，減少運行中斷，飛機主制造商開始引入飛機狀態(tài)監(jiān)控和性能趨勢分析的概念和技術(shù)。飛機健康監(jiān)控系統(tǒng)的典型代表是空客AIRMA N（AIRcraft Maintenance Analysis，飛機維修分析）和波音AHM（Airplane Health Management，飛機健康監(jiān)控）。另外，發(fā)動機制造商也開發(fā)了適用于發(fā)動機的性能監(jiān)控平臺，如G E公司的SAGE系統(tǒng)、R&R公司的COMPASS系統(tǒng)及P&W公司的ECM/EHM系統(tǒng)等。

（一）飛機健康管理系統(tǒng)基本原理

AIRMAN和AHM作為飛機健康監(jiān)控的工具，目前被全球200多家航空公司使用，監(jiān)控超過9000架飛機的運行。它通過ACARS報文向地面實時傳送飛機系統(tǒng)的工作狀態(tài)，向地面維修控制中心實時傳遞飛機的故障和警告信息，并快速鏈接相關(guān)的維護手冊和排故程序。

通過機載中央維護計算機(CMC) 或機載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集飛機實時狀態(tài)數(shù)據(jù)( 如ECAM/EICAS 警告、維護級信息、駕駛艙效應(yīng)故障)，以ACARS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酵ㄟ^衛(wèi)星信號發(fā)送到地面系統(tǒng)。地面將這些數(shù)據(jù)進行編譯，用戶利用MyboeingFleet.com 門戶網(wǎng)站（波音飛機）或AIRBUSWORD.COM 門戶網(wǎng)站（空客飛機）使用AHM或AIRMAN 工具實時監(jiān)控正在運行的飛機各主要系統(tǒng)的工作狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)故障或告警信息，維修控制中心工程師立刻采取措施分析評估故障原因并制定排故方案，在飛機落地前著手進行排故準備，提前安排人員、航材、工裝和工卡，從而最大程度地避免或減少航班延誤。另外，用戶還能夠利用AHM 或AIRMAN 系統(tǒng)中龐大的歷史數(shù)據(jù)和可靠性數(shù)據(jù)對飛機進行預(yù)防性維護。飛機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的使用幫助航空公司減少航班延誤并顯著提升排故和維修效率。航空公司用戶以WEB方式訪問AHM或AIRMAN系統(tǒng)。

（二）國外飛機健康管理系統(tǒng)發(fā)展進程

空客作為全球兩大民機制造商之一，在飛機健康監(jiān)控方面積累了廣泛的經(jīng)驗，全球80% 運營空客飛機的航空公司都在使用空客開發(fā)的AIRMAN 系統(tǒng)作為其飛機健康狀態(tài)的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

為幫助航空公司提前預(yù)測可能出現(xiàn)的故障隱患或系統(tǒng)失效，在問題發(fā)生前采取措施，空客聯(lián)合達美航空公司，利用IBM 在大數(shù)據(jù)開發(fā)領(lǐng)域的先進經(jīng)驗，推出了PRM 系統(tǒng)即“Prognostics & Risk Management”維修預(yù)測與風險管理系統(tǒng)。它能夠更早的探測系統(tǒng)失效，從而提高飛機的可用率，減少非計劃性維修工作。在A330 機隊上的運行實踐表明通過使用PRM 這種預(yù)測性解決方案，可以減少15% 的運行中斷。

隨著新技術(shù)在A380 和A350XWB 上的應(yīng)用，空客專門開發(fā)了AiRTHM (Airbus Real Time Health Monitoring）系統(tǒng)，為A380 和A350 客戶提供遠程技術(shù)支援和運行支持服務(wù)。一方面監(jiān)控飛行準備期間潛在的系統(tǒng)失效及可能導(dǎo)致航前延誤的故障，為航空公司提供必要的技術(shù)支援避免飛機滑回。另一方面對空中飛行的飛機進行全程追蹤，通過匯總來自ACMS 報文、SAR 報告、QAR 報告及Uplinks 數(shù)據(jù)，進行精準工程分析，為航空公司提供相應(yīng)的飛機放行和排故建議。

目前，空客正在與航空公司合作，通過獲取航空公司的DAR 數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)來建立預(yù)測模型，這是用不同于PRM 和AiRTHM 的方法論建立起來的，是基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)的方法分析飛機數(shù)據(jù)，從而找到故障和現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系，進而建立預(yù)測模型。將預(yù)測模型與航空公司的維修運行系統(tǒng)高度融合，提供取決于工裝、人力、航材可用性的決策，在最佳的時間實施維修從而將對飛機運行的影響降至最低。

（三）國內(nèi)飛機健康管理系統(tǒng)發(fā)展進程

國內(nèi)大多數(shù)航空公司目前都是通過采用空客的A I R MA N或波音的A H M遠程監(jiān)控平臺，監(jiān)控自己的機隊。同時，利用發(fā)動機廠家的E H M系統(tǒng)監(jiān)控發(fā)動機的工作狀態(tài)、跟蹤發(fā)動機的性能趨勢。

南航是最早開始自己獨立開發(fā)與空客A I R MA N和波音A H M功能相近的飛機遠程健康監(jiān)控平臺的。起步于2000年初期，其核心思想就是將飛機的中央維護系統(tǒng)、飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、飛機運行控制系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)通過A C A R S數(shù)據(jù)鏈的方式傳送到地面，地面主機系統(tǒng)實時將包括飛機的故障信息、發(fā)動機狀態(tài)信息、飛機運行的相關(guān)信息進行解碼分析，確定故障代碼及其關(guān)聯(lián)信息，并實現(xiàn)系統(tǒng)自動報警。機務(wù)維修人員根據(jù)排故手冊及故障歷史經(jīng)驗庫形成聯(lián)動，快速確定排故方案。地面主機系統(tǒng)還具有上行觸發(fā)機制，根據(jù)下行數(shù)據(jù)主動獲取飛機實時狀態(tài)參數(shù)，建立與空中機組雙向聯(lián)系并向機組提供技術(shù)支持。

東航在2004年與上海交通大學(xué)合作，也開發(fā)了針對空客機隊的具有類似功能的飛機健康遠程監(jiān)控系統(tǒng)。后來由于機隊規(guī)模的急劇擴充、波音機隊的加盟以及后臺缺乏對系統(tǒng)的持續(xù)維護和改進，東航改變策略，開始采用空客和波音現(xiàn)成的成熟的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。近幾年隨著機隊規(guī)模越來越大，多系統(tǒng)并行運行帶來的工作負荷增大及效率下降，另外，新的機隊性問題的快速應(yīng)對和關(guān)鍵系統(tǒng)及部件失效的提前預(yù)測需求是目前廠家遠程監(jiān)控系統(tǒng)無法滿足的。基于此，東航在2009年開始自行開發(fā)ACMS報文實現(xiàn)A 320機隊引氣系統(tǒng)的實時遠程監(jiān)控，2015年底又開始將引氣系統(tǒng)監(jiān)控推廣到A 330機隊，同時擴大到空調(diào)系統(tǒng)。自主報文開發(fā)監(jiān)控帶來的好處，促使東航在空客機隊的氧氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及波音機隊空調(diào)引氣和飛控系統(tǒng)繼續(xù)前行，逐漸形成了大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的雛形。

廈航憑借其機隊單一性（B 737機隊一通天下）的優(yōu)勢，仿效波音的AHM系統(tǒng)獨立開發(fā)了類似的遠程監(jiān)控平臺，并在利用QAR數(shù)據(jù)實施機隊預(yù)測性維修方面先行一步。國航和海航也在利用空客波音遠程監(jiān)控系統(tǒng)的同時，在2010年前后開始自主報文監(jiān)控的開發(fā)，目前也是主要用于引氣空調(diào)和發(fā)動機滑油耗量監(jiān)控方面。

（四）現(xiàn)有飛機健康管理軟件的不足

目前廣泛使用的主流健康監(jiān)控管理平臺都是基于ACMS報文作為數(shù)據(jù)輸入源頭。我們知道ACMS報文的最大缺陷是數(shù)據(jù)量小，記錄的參數(shù)缺乏連續(xù)性，很難提前預(yù)測系統(tǒng)或部件的失效。更多情況是獲取故障發(fā)生航段的信息，為飛機落地后的排故做好準備，但飛機的后續(xù)運行中斷和非計劃停場還是不可避免，這是其在預(yù)測性維修方面的先天不足。

另外，目前大多數(shù)航空公司使用的飛機健康管理平臺都是OEM廠家設(shè)計開發(fā)的，由于這個平臺是面向全球用戶的，其各系統(tǒng)警告邏輯的設(shè)定都是通用的，不具有針對性。對于不同航空公司因其運行環(huán)境特殊性、機隊機齡長短不同、工程改裝差異性所表現(xiàn)出來的機隊的性能特性的客戶化程度不高。

現(xiàn)有飛機健康管理系統(tǒng)的局限性對機隊規(guī)模較大的航空公司表現(xiàn)尤為突出，這就迫使這些航空公司著眼于自身機隊運行管理的需要，充分利用自己的運行數(shù)據(jù)，開發(fā)更有針對性的飛機健康監(jiān)控管理平臺。

大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于飛機性能監(jiān)控的實現(xiàn)基礎(chǔ)

近年來，隨著數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)、云計算和云存儲的快速發(fā)展，使得利用大量運行數(shù)據(jù)對飛機進行全面健康監(jiān)控的可行性不斷提高。目前，基于航空大數(shù)據(jù)的健康監(jiān)控技術(shù)已得到美國、歐洲的主要航空發(fā)達國家的工業(yè)界和研究機構(gòu)的認可，并已開始向綜合化、標準化和智能化的方向發(fā)展。

（一）新技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生大量實時數(shù)據(jù)

飛機各系統(tǒng)的高度集成化、模塊化、數(shù)電化，以及飛機各系統(tǒng)的指令、反饋、監(jiān)控和指示數(shù)據(jù)的采集和記錄越來越完備，為大數(shù)據(jù)分析奠定了強有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

以Boeing787為例，它采用了先進的傳感技術(shù)，具有計算能力，更穩(wěn)定、智能的通信與控制能力，具備網(wǎng)絡(luò)連接能力，并且有更加整合的機載設(shè)備和軟件模塊，實時產(chǎn)生大量的飛行數(shù)據(jù)。比如GEnx發(fā)動機，安裝了26個傳感器，監(jiān)控300個參數(shù)，傳輸信息量可達15億組數(shù)據(jù)。新型客機能夠產(chǎn)生和提供大量的數(shù)據(jù)，通過將傳感器、軟件和大數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成智能健康管理機制，從而能夠有效地預(yù)告飛機健康狀況并智能化維修工作。

（二）空地無線寬帶技術(shù)使數(shù)據(jù)傳輸暢通

目前主流航空器上的ACARS系統(tǒng)通信帶寬僅有31.5 kbps，只能發(fā)送基于文本的數(shù)據(jù)，間隔時間長、操作不便，通信效率很低。為滿足數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄土髁考眲U容的需要，空地寬帶技術(shù)應(yīng)運而生，為用于大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)實時性鋪平道路。

（三）云計算和云存儲為數(shù)據(jù)分析提供實現(xiàn)基礎(chǔ)

云計算和云存儲的發(fā)展，大大提升了數(shù)據(jù)的處理和存儲能力，使得基于大數(shù)據(jù)分析的數(shù)學(xué)建模成為可能，并為數(shù)據(jù)的深度挖掘、清洗、沉淀奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)本身沒有價值，只有通過分析，提煉出信息，進而生成知識并進化成智慧，數(shù)據(jù)才能發(fā)揮巨大的作用。國內(nèi)云計算技術(shù)發(fā)展較早，也在實際運用中產(chǎn)生了巨大的作用。

（四）ACMS報文開發(fā)和WQAR故障診斷項目儲備了人才

航空公司基于自身機隊工程管理優(yōu)化和確保運行平穩(wěn)的需要，在充分利用廠家固化報文的基礎(chǔ)上，結(jié)合機隊實際運行規(guī)律和故障特點，從固化報文的基礎(chǔ)上延展出客戶化的報文開發(fā)，用于彌補廠家監(jiān)控的不足。比如客戶化的空調(diào)報文、引氣報文、發(fā)動機滑耗報文和載荷報文等等。

另外，航空公司的技術(shù)支援工程師在長期的排故工作中，經(jīng)常借助于Q A R報告分析故障發(fā)生時及故障前后相關(guān)系統(tǒng)的參數(shù)變化，用于判斷故障起因和故障件的影響因素大小。基于飛機發(fā)動機故障的Q A R分析，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，培養(yǎng)了一批數(shù)據(jù)分析的專業(yè)工程師隊伍，為從事飛機性能監(jiān)控平臺的開發(fā)儲備了人才。

基于大數(shù)據(jù)分析的飛機監(jiān)控模型研發(fā)

深入學(xué)習(xí)飛機系統(tǒng)的設(shè)計原理、工作原理，研究飛機系統(tǒng)的控制、響應(yīng)、反饋與警告邏輯，掌握跨系統(tǒng)、多系統(tǒng)的交聯(lián)關(guān)系。通過對運行大數(shù)據(jù)和維修大數(shù)據(jù)的比對研究，通過識別各類運行數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性和因果關(guān)系，建立針對具體系統(tǒng)和部件失效的數(shù)學(xué)模型，并尋找和挖掘系統(tǒng)和部件的性能衰退趨勢和規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過對海量Q A R數(shù)據(jù)分析、沉淀與建模，將模型寫入客戶化A C MS報文，通過遠程實時監(jiān)控飛機各系統(tǒng)工作狀態(tài)、并結(jié)合Q A R數(shù)據(jù)對飛機各系統(tǒng)工作性能進行趨勢分析，創(chuàng)建以預(yù)測性維修和診斷性維修為核心的大數(shù)據(jù)維修模式，使運行飛機及部件獲得最大化的利用率、可靠性和安全性。

（一）B737-800飛機空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控模型研發(fā)

系統(tǒng)原理分析。通過對B 737-800飛機空調(diào)系統(tǒng)工作原理及部件組成的深入研究，確立空調(diào)系統(tǒng)中幾個關(guān)鍵傳感器的位置及功能：

T471/T474：左/右空調(diào)PACKTEMPSENSOR——組件溫度（進渦輪前）

T 472/T 475： 左 /右 空 調(diào) MIXMAINFOLDSENSOR——混合腔溫度（位于混合腔，T 472/T 475位置接近，因此兩個傳感器的溫度值也基本一致）

T 481/T 482：左/右空調(diào) RA0MAIRSENSOR——沖壓進氣溫度（位于壓氣機出口，次級散熱器進口）

通過系統(tǒng)警告邏輯分析，明確導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)故障跳開的幾個探測元件及觸發(fā)門檻值，并進一步確定這些探測元件和我們可采集分析的空調(diào)參數(shù)的位置關(guān)系。

渦輪進口超溫電門S 938/S 939探測到210華氏度（99攝氏度）以上的溫度；

空調(diào)出口超溫電門S 934/S 935探測到250華氏度（121攝氏度）以上的溫度；

壓氣機出口超溫電門S 2/S 5探測到390華氏度（199攝氏度）。

數(shù)據(jù)積累、清洗和沉淀。選取一定數(shù)量的飛機和一段時間內(nèi)的航段，用AIRFASE 譯碼軟件進行自動譯碼，并利用GE 的EMS 大數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)篩選。

一為T481/T482 RAM AIR TEMP SENSOR( 沖壓空氣溫度傳感器)。

通過數(shù)據(jù)采集分析處理，可以歸納：T481/T482 的平均溫度范圍區(qū)間主要分布在60 ～ 120 度。

二為T471/T474PACK TEMP SENSOR( 空調(diào)組件溫度傳感器)。

T471/T474 為反映空調(diào)散熱器性能的重要參數(shù)，波音服務(wù)信函SL-21-108-A 中已驗證，在通常外界溫度下，其數(shù)值應(yīng)不超過30 攝氏度，且與外界大氣溫度有關(guān)。

從AIRFASE 的譯碼數(shù)據(jù)來分析，從PHASE2 地面滑行到PHASE6 巡航階段，T471/T474 溫度平均值如下，基本溫度區(qū)間范圍為0～20攝氏度之間。綜合考慮外界大氣溫度、引氣溫度和流量、機組座艙預(yù)選溫度的影響，地面和空中的溫度分布區(qū)間有明顯差異（見圖6～8）。

三為T472/T475 MIX TEMP SENSOR（混合腔溫度傳感器）。

T 472/T 475感受混合腔內(nèi)溫度，由于左右空調(diào)共用一個混合腔，兩個傳感器的溫度基本一致。明顯的差異結(jié)合其他空調(diào)參數(shù)的異同，能夠更加明確的指向故障件。基于數(shù)據(jù)的歸納篩選，確定正常工作區(qū)間（見圖9～10）。

監(jiān)控模型的確立與調(diào)試。經(jīng)過大量樣本篩選分析、實際空調(diào)故障情況統(tǒng)計并與監(jiān)控參數(shù)變化比對，不斷修訂監(jiān)控模型的報警邏輯，基本確定三個空調(diào)參數(shù)的報警門檻值和超限持續(xù)時間： T 471/T 474、T 481/T 482、T 472/T 475，以及T 471與T 474之間溫差值和差值超限時間。

基于以上關(guān)鍵參數(shù)的門檻值，編寫事件報文，包含飛機基本參數(shù)信息，與空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的其他系統(tǒng)參數(shù)信息，如引氣系統(tǒng)的狀態(tài)信息、飛行階段、外界大氣溫度等。將監(jiān)控級別高的事件報文通過ACARS 發(fā)送，用于性能趨勢跟蹤的事件報文通過WQAR 發(fā)送后經(jīng)Airfase 軟件進行自動解析，預(yù)測性能走勢。

應(yīng)用效果。監(jiān)控模型基本實現(xiàn)了以下功能：一為預(yù)測空調(diào)散熱器性能下降；二為探測流量控制活門非指令關(guān)閉；三為預(yù)測ACM失效。

B-1961飛機11月16日執(zhí)行MU 2602航班觸發(fā)報警，左側(cè)PACK溫度T471超過33度，而且與右側(cè)PACK溫度差值較大，且報警連續(xù)多個航班觸發(fā)，17日排故時檢查發(fā)現(xiàn)ACM的風扇葉片斷裂，更換ACM后空調(diào)工作正常，后續(xù)監(jiān)控正常。圖11為B-1961換下的ACM照片：有一風扇葉片斷裂并缺失，從損壞情況可以分析為ACM偏軸后導(dǎo)致葉片與機匣邊緣接觸，最終導(dǎo)致葉片打壞機匣，ACM卡阻。

總結(jié)。B 737機隊空調(diào)系統(tǒng)遠程監(jiān)控工作仍處于發(fā)展期，需要大量運行數(shù)據(jù)的支持以及相關(guān)系統(tǒng)工作原理的深入剖析，通過基于飛機大數(shù)據(jù)的研發(fā)，建立基于大數(shù)據(jù)的飛機發(fā)動機預(yù)測性維修平臺，對機隊環(huán)控系統(tǒng)安全高效運行提供了強有力的技術(shù)支撐。

飛機健康管理中大數(shù)據(jù)分析技術(shù)展望

未來民用飛機維修大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅是利用飛機航段數(shù)據(jù)、飛機故障及維修數(shù)據(jù)，還將結(jié)合系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)及OEM/VENDOR設(shè)計參數(shù)，融合智能感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、智能解譯等新技術(shù)，監(jiān)控飛機全航段各系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能趨勢，評估預(yù)測飛機關(guān)鍵系統(tǒng)和部件的健康狀態(tài)，并結(jié)合航空公司實際運營情況做出合理的維修決策，保障飛機運行安全，提高飛機利用率，降低飛機維修成本，提高飛機運營和服務(wù)水平，為企業(yè)帶來良好的社會效益與經(jīng)濟效益。其未來發(fā)展前景主要體系在：優(yōu)化維修方案、優(yōu)化維修資源，為實現(xiàn)預(yù)測性維修與診斷性維修奠定堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的進一步發(fā)展，將是和人工智能結(jié)合。智能識別產(chǎn)品在提高缺陷辨識精度和檢修效率具有明顯的優(yōu)勢。通過將檢修經(jīng)驗數(shù)據(jù)化，建立飛機損耗邏輯化的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)和飛機損耗推斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，人工智能系統(tǒng)可以極大降低檢測行為對人的經(jīng)驗的依賴性，同時也可大幅度提高檢修效率、降低人力成本。（其他作者：陳亮、劉云、卓海波）