航空電子系統預測與健康管理（PHM）設計研究

張海涵

摘 要：PHM技術在航空電子系統中的應用將成為新一代作戰飛機故障診斷體系的研究重點，必須進行綜合、深入的研究。本文探討了航空電子系統PHM在驅動自主保障系統中的作用，研究了航空電子系統PHM的設計內容，細致分析了航空電子系統PHM各層次的設計思路，這對最終實現航空電子系統PHM的全面應用具有指導意義。

關鍵詞：PHM;航空電子系統;設計;維修保障

中圖分類號：V243;V267文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0043-03

Avionics System Prediction and Health Management （PHM） Design and Research

ZHANG Haihan

（Wuhu State-owned Machinery Factory， Wuhu Anhui 241000）

Abstract： The application of PHM technology in avionics systems will become the research focus of the new generation combat aircraft fault diagnosis system， and comprehensive and in-depth research must be carried out. This paper explored the role of avionics system PHM in driving autonomous support systems， studied the design content of avionics system PHM， and analyzed the design ideas of each level of avionics system PHM in detail， which could ultimately achieve the full application of avionics system PHM It is instructive.

Keywords： PHM;avionics system;design;maintenance support

預測與健康管理（PHM）系統具有智能檢測、故障診斷、趨勢預測、健康評估、數據采集、數據監控、數據管理和決策支持等功能。航空電子系統設計復雜，與其他系統交聯緊密，具有多屬性、非線性等固定特征，系統故障的預警參數變化不夠明顯或為突變信號，這些因素的存在使得PHM技術在航電系統中的應用更加具有挑戰性[1]。在這種情況下，航電系統的PHM設計工作顯得尤為重要，PHM技術在航電系統的應用將成為新一代作戰飛機故障診斷體系的研究重點之一，人們要進行綜合、深入的研究[2]。

1 航電系統PHM的重要作用

機載航空電子系統PHM技術將在未來飛機作戰中扮演非常重要的角色[3]。PHM技術的應用可以提高飛機的戰備完好率，提高飛機的可支付性，縮短再次出動時間，降低后勤保障規模。飛機返航階段，PHM系統可以向地面系統發送需要進行維修更換部件的信息，從而快速啟動后勤保障，實現飛機的快速維修。這種自主的維護方式減少了對人員和設備的要求，實現了飛機系統的自主后勤保障，如圖1所示。

2 航電系統PHM設計的內容

航空電子PHM設計的主要內容包括PHM總體設計、PHM系統中央管理設計和PHM分層結構設計。

總體設計包括：對PHM系統狀態檢測能力的確定與設計;對PHM系統的故障檢測、隔離與預測能力的確定與設計;確定評價指標，確定評價系統監測、故障檢測、隔離、預測能力的指標，如故障檢測率、關鍵故障檢測率、故障覆蓋率、故障隔離率、置信度等;基于系統FMEA分析，確定航電產品的故障模式，確定狀態檢測的對象和內容。

中央管理設計包括：確定健康基線、故障診斷和預測邏輯;設計PHM系統的數據結構;設計PHM系統軟件的功能和內容。

PHM分層結構設計包括：設計PHM分層結構各部分內容的故障檢測、隔離與預測能力;設計PHM分層結構間接口的通信協議與標準;設計PHM分層結構各部分的測試內容、方法和流程;確定底層傳感器的選型、布局和優化。

3 航電系統PHM各層次的設計

為了方便集成和模塊化設計，航空電子產品的PHM系統采用層次化設計，共分為三層，分別是成員系統軟硬件監控程序、區域管理器和飛機平臺管理器。由于這三層的各自功能和特點不同，設計時需要對這三層分別進行設計。

3.1 成員系統軟硬件監控設計

成員系統軟硬件監控主要完成PHM系統的底層狀態數據采集和處理功能，主要由分布于航空電子產品各部分的傳感器和自測試的BIT組成。BIT按電路可分為基于模擬信號的BIT和基于數字信號的BIT。各成員系統BIT的輸出結果均通過接口傳輸到區域管理器中進行處理。

3.1.1 基于模擬信號的BIT。航電產品中有很多模擬電路，存在很多模擬信號，如導航輸出的位置和姿態信號、高度表的高度值信號、雷達掃描信號等。基于模擬信號的BIT就是要采取綜合手段來處理這些信號。為了充分獲取系統的狀態數據，保證BIT的覆蓋率和可信度，并為下一層提供足夠的輸入，基于模擬信號的BIT設計時應包括電路輸出值、電源狀態、時鐘狀態、引腳交連狀態（開路、短路等）等[4-5]。

3.1.2 基于數字信號的BIT。在航電系統的控制和處理電路中，含有大量的CPU、DSP及其他大規模集成處理電路，這些電路中及各電路之間的數據交換均采用數字信號，航電產品的狀態信息離不開這些數字信號，基于數字信號的BIT就是用于監測這些電路的數據流。數字信號的BIT可分為兩種方法。第一種是在數字電路中自主檢測設計，目前很多芯片都帶有自檢功能，可以在芯片內部內嵌主動測試軟件對芯片本身做測試，通過這些測試可以檢測出如芯片CPU時鐘、時序狀態等各類狀態。第二種是整機級BIT設計，一般芯片的自主檢測能力有限，并不能完成所有的功能測試，如通信狀態的持續檢測。這就需要多個電路共同做檢測，提高檢測精度，降低虛警率，最終給出電路正常與否的判斷。

3.2 區域管理器設計

航電系統PHM區域管理器的功能是完成狀態信號處理、信息融合和區域推理機的功能，是連續監控飛機相應分系統運行狀況的實時執行機構。其包括狀態信號匯集、健康信息推理和狀態整理與輸出三部分，如圖2所示。

3.2.1 狀態信號匯集。按信號數據類型分，成員系統軟硬件監控程序可通過兩種途徑向PHM區域管理傳送信息。模擬信號通過信號接口，數字信號通過傳輸總線。

3.2.1.1 信號接口。由于成員系統軟硬件監控層的處理能力有限，有些成員系統軟硬件監控層的模擬信號需要在區域管理器進行處理和監控。這時通過信號接口，將成員系統軟硬件監控層的信號引入區域管理器進行處理。為了能更準確地判斷和定位子系統的故障，其間需要通過成員系統軟硬件監控層提供相應的狀態信號，以便在區域管理器中考慮分系統間的交連關系后給出檢測和隔離的結果。

3.2.1.2 傳輸總線。對于數字信號和數據，通常采用總線的形式進行傳輸，區域管理器從總線中獲取子系統的健康信息，對子系統的故障和異常進行監控。

3.2.2 健康信息推理。健康信息推理主要根據匯集的狀態信號進行區域級的故障診斷推理、預測推理，并進行狀態評估。在推理過程中，除了考慮各子系統的狀態數據外，還根據子系統之間的交叉關聯結構進行推理。

3.2.3 狀態整理與輸出。狀態整理與輸出是對健康信息推理的結果進行記錄和存儲，并最終輸出至飛機平臺管理器中。將區域級的健康推理結果和各子系統的歷史數據以規定的數據結構存儲在區域管理器中，并通過接口傳輸至下一層。

3.3 飛機平臺管理器設計

飛機平臺管理器宿駐在ICP（綜合核心處理機）中，通過區域管理器提供的各類狀態、故障信息，依據各區域間的互聯關系，確定并監測和隔離故障，完成健康狀態和維修信息的報告。

飛機平臺管理器中的推理機分為預測推理機、診斷推理機及異常推理機。預測推理機依靠來自該分系統的所有預測輸入來預計分系統組成部件的剩余壽命。診斷推理機記錄來自該分系統的各種不同的診斷輸入，以確定故障的原因。異常推理機對非正常行為進行分類，收集非額定數據，用于以后對診斷及預測推理機進行更新。

4 結論

本文對航空電子系統PHM的設計工作內容進行了探討，對航空電子系統PHM各層次的設計思路進行了細致的分析，這對最終實現航空電子系統PHM的全面應用具有指導意義。

參考文獻：

[1]張云閣.JSF戰斗機技術分析[R].北京：中國航空工業發展研究中心，2002.

[2]張寶珍.2l世紀的保障方案：JSF飛機的自主式后勤[R].北京：中國航空工業發展研究中心，2004.

[3]黃鶴，盧海濤.綜合化航空電子系統PHM應用與設計[J].電訊技術，2014（3）：245-250.

[4]張寶珍.國外綜合診斷、預測與健康管理技術的發展及應用[J].計算機測量與控制，2008（5）：591-594.

[5]孫博，康銳，謝勁松.故障預測與健康管理系統研究和應用現狀綜述[J].系統工程與電子技術，2007（10）：1762-1767.