航空設備故障預測與管理研究

喻甲其，韓娟，劉坤

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，四川 成都 610091）

進入新的發(fā)展時期，現(xiàn)代武器裝備整體上朝著智能化的趨勢前行，作戰(zhàn)方式也轉變成聯(lián)合作戰(zhàn)模式以及網絡戰(zhàn)斗模式，這就要求武器裝備的性能更加優(yōu)良，可以針對特殊情況做出快速響應并能夠持續(xù)穩(wěn)定的運行。所以，全球范圍內各個國家都將研究重心轉移到綜合程度更高的故障檢測以及PHM 技術等方面。PHM 技術突破傳統(tǒng)監(jiān)測時單一的狀態(tài)監(jiān)控模式，逐漸形成了智能化的健康管理體系，同時，也融入了故障監(jiān)測服務，利用故障監(jiān)測能夠及時準確地設計維護方案并確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，有助于優(yōu)化武器系統(tǒng)的維護成本，保證系統(tǒng)安全性能、可靠性能達到標準。

1 PHM 的內涵和原理

故障監(jiān)測以及PHM 技術在實際應用中扮演的角色越來越重要，逐步成為當前飛機系統(tǒng)以及車船系統(tǒng)中不可獲取的組成環(huán)節(jié)。故障檢測服務，可以自主監(jiān)測系統(tǒng)中各個模塊的工況，同時，給出預測報告；PHM 技術，也就是健康管理，能夠基于故障監(jiān)測服務給出的系統(tǒng)報告，針對其中的資源配比以及功能指標進行分析，為后期系統(tǒng)維護提供參考意見。

PHM 技術是一種以智能化系統(tǒng)為核心的預測服務。通過性能優(yōu)良、靈敏程度較高的傳感設備采集系統(tǒng)中各個模塊的實際工況指標，借助高效的數(shù)學分析算法，諸如傅里葉級數(shù)和Gabor 變換等，配合搭建完成的人工數(shù)學模型，對系統(tǒng)做出相應的預估評判，完成對飛機系統(tǒng)運行情況的實時監(jiān)測和管控。PHM 技術融入實際系統(tǒng)中，將原本出現(xiàn)故障后的維修模式以及定期維護的模式轉變成按照系統(tǒng)狀態(tài)的維護模式，英文簡稱為CBM。

PHM 技術從本質來說是利用人工智能技術搭建起相應的系統(tǒng)模型，比如，神經網絡系統(tǒng)、蟻群算法等。能夠針對系統(tǒng)的工況參數(shù)以及故障類型進行準確的推測和判別。

2 PHM 系統(tǒng)結構和功能

PHM 系統(tǒng)的整體架構屬于區(qū)域管理器的類型，該類型的系統(tǒng)架構是把區(qū)域管理器作為基礎，將系統(tǒng)劃分成三層：首層為傳感器層，通過飛機搭載的傳感設備和基于算法搭建的模擬傳感裝置共同構成，主要作用是采集系統(tǒng)中初始的數(shù)據(jù)資料，也就是同系統(tǒng)運行異常相關的參數(shù)指標；中間層是由若干個區(qū)域管理器構建完成，主要任務是分析上一層傳遞過來的數(shù)據(jù)信息，從而判別飛機系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的健康狀況。區(qū)域管理器主要是由兩部分軟件結構組成，分別為功能軟件和推理機。內部技術綜合有大數(shù)據(jù)分析、模糊控制以及神經網絡等多項高新技術。通過匹配系統(tǒng)異常指標和對應信息，基于相關算法和數(shù)學模型完成推演、預估以及監(jiān)測管控等功能，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)資料進行綜合化分析，最終完成針對飛機系統(tǒng)健康等級的評定。PHM 技術能夠實現(xiàn)的功能有以下幾種：（1）測定并隔離異常的功能；（2）預估指定模塊異常情況的功能；（3）追蹤并評定模塊剩余生命周期的功能；（4）將資源管理同推理機有效交互，從而實現(xiàn)輔助決策的功能；（5）異常情況的選擇性匯報。也就是在合適階段通過正確方式提供給不同操作人員相應的異常信息。

3 PHM 關鍵技術分析

3.1 故障預測技術

故障監(jiān)測的方式較多，一般可以從實際應用分類，根據(jù)具體選擇的監(jiān)測模式、技術組成等能夠劃分為以下幾個方面：

（1）基于模型的故障預測技術。此技術可以直接對系統(tǒng)內部情況進行仿真，針對其中的異常問題完成實時評測。此外，該技術還能夠基于原有的經驗數(shù)據(jù)進行分析，不斷調整系統(tǒng)中的異常仿真，進而提升未來故障評測的準確程度。

（2）基于知識的故障預測技術。該技術核心是借助對目標系統(tǒng)進行研究的技術人員給出的經驗和理論，配合模糊推演以及專業(yè)系統(tǒng)完成對系統(tǒng)的定性預測。

（3）基于數(shù)據(jù)的故障預測技術。此系統(tǒng)將歷史的工作資料作為基礎，架構出相應的系統(tǒng)預估方式，核心原理是利用先進的智能算法不斷訓練期望目標對象，包括期望獲取參數(shù)信息的系統(tǒng)和出現(xiàn)異常的指標等，從而建立起智能化的預估模型，有效地將系統(tǒng)中各種工況對應的信息進行判定。最為典型的算法就是神經網絡。

（4）復合預測模型。搭建出以物理參數(shù)為核心的隨機模型，可以準確地預估機械系統(tǒng)中各個模塊的剩余生命周期；針對系統(tǒng)中異常指標進行整合通過智能判定，架構出以數(shù)據(jù)為基礎的異常預估模型，有效評定出機械系統(tǒng)中各個模塊的實際工況；借助信息整合的算法，將上述模型綜合化，對目標系統(tǒng)的健康情況和未來發(fā)展進行深度剖析，綜合化預估模型的輸入端是由外部傳感設備以及積累的經驗共同構成。

3.2 多傳感器融合技術

多傳感設備的綜合化技術，本質上是將諸多差異化的傳感裝置搭建起能夠協(xié)同配合并相互競爭的傳感器組，按照特定標準完成智能化分析以及對數(shù)據(jù)的處理，這樣獲取的參數(shù)指標相比單一信息更加準確，同時，評定過程也更加完善。由于決策分析和評定環(huán)節(jié)均采用綜合化的數(shù)據(jù)處理，所以系統(tǒng)的狀態(tài)更加精準。

3.3 PHM 系統(tǒng)驗證技術

因為產品在結構指標、組成材料的性能以及外部條件等方面具有差異性，造成數(shù)據(jù)難以確定，致使系統(tǒng)的故障監(jiān)測出現(xiàn)不確定情況，由此便出現(xiàn)了PHM 技術的適用性問題。當前，較為常見的驗證方式有以下幾種：（1）通過實際使用完成驗證；（2）快速實驗完成驗證；（3）理論分析完成驗證；（4）仿真實驗完成驗證。以上四類方式各有優(yōu)缺點，能夠相互彌補不足。

4 民用飛機健康管理系統(tǒng)(AHM)發(fā)展現(xiàn)狀

一般來說，民用飛機中安全系數(shù)的要求較為嚴格，同時，也需要優(yōu)化成本投入和后期的維護消耗。民用飛機系統(tǒng)屬于復雜系統(tǒng)中的一員，主要的子系統(tǒng)包括有動力動能系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)中還可以繼續(xù)劃分出多個子系統(tǒng)，各個基礎的子系統(tǒng)均是通過基本的元件組成。民用飛機的端口較為煩瑣，包括不同的模擬量、數(shù)字量以及開關量，同時，還有多樣化的信號種類。因此，各個系統(tǒng)的接口均選擇標準化接口模式，確保各個系統(tǒng)間能夠完成信號的交互。

當前，世界范圍內的飛機市場由兩大企業(yè)所占據(jù)，為了進一步穩(wěn)定市場份額，均投入較高的成本進行健康管理系統(tǒng)的研制，并將其逐步應用于新式飛機中。這些先進的健康系統(tǒng)能夠優(yōu)化相關技術人員的工作，進一步提高運行效率，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經濟收益。雖然各個企業(yè)研發(fā)的健康管理系統(tǒng)存在不同的名稱，但本質上的原理和內容較為相似。

民用飛機上的健康管理系統(tǒng)能夠有效地采集工況參數(shù)，并將關鍵的數(shù)據(jù)進行實時顯示，地面系統(tǒng)的操作人員可以深入分析實時參數(shù)，評定出飛機的健康等級，對可能影響飛機運行的異常情況及時監(jiān)測，并分析出現(xiàn)原因，給出相應的解決措施，由此可以進一步優(yōu)化維護服務，提升工作效率，確保飛機的穩(wěn)定運行，降低飛機延誤問題的發(fā)生概率。

AHM 技術通過半個世紀的發(fā)展，在民用航空領域中發(fā)揮著越來越重要的作用，搭建起能夠實時監(jiān)測的管理體系，實時采集飛機工況，及時評測健康等級，合理規(guī)劃飛機系統(tǒng)的生命周期，保證航空公司提供更加優(yōu)質的飛行服務，為航空領域的進一步發(fā)展奠定基礎。

5 結語

總之，PHM 已經成為國外新一代武器裝備研制的一項核心技術，是未來降低復雜系統(tǒng)的生命周期費用，以及提高系統(tǒng)“五性”（安全性、可靠性、測試性、維護性、保障性）的一項非常有應用前景的關鍵技術。

當前，PHM 技術的發(fā)展體現(xiàn)在以系統(tǒng)集成應用為牽引，提高故障診斷與預測精度和擴展健康監(jiān)控的應用對象范圍，支持基于狀態(tài)的維修（CMB）與自主式保障（AL）等方面。