配電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)與健康管理總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

陸云龍 齊 樂(lè) 王洪瑋

(1、天津航空機(jī)電有限公司,天津300308 2、空裝駐天津地區(qū)第二軍事代表室,天津300300)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，飛機(jī)的綜合化、復(fù)雜化、智能化程度也隨之提高。對(duì)機(jī)載設(shè)備的多功能、高聚合的要求也越來(lái)越高，同時(shí)機(jī)載設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境更加惡劣，導(dǎo)致飛機(jī)設(shè)備的失效模式多種多樣，故障傳播的影響更加復(fù)雜[1]。傳統(tǒng)的基于“事后維修”和“計(jì)劃維修”的被動(dòng)維修保障模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化多電/全電飛機(jī)的需求。出于飛機(jī)的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等多方面考慮，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)（Prognostics and Health Management,PHM）日益受到更多的重視，并應(yīng)用于以預(yù)測(cè)技術(shù)為核心的策略。作為實(shí)現(xiàn)視情維修和自主保障的重要技術(shù)手段，PHM技術(shù)已經(jīng)在航空等領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的研究[2-4]。

然而，現(xiàn)有的飛機(jī)級(jí)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)架構(gòu)體系的應(yīng)用重點(diǎn)放在了發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)機(jī)體及材料結(jié)構(gòu)、飛行控制系統(tǒng)和航空電子系統(tǒng)等，尚未建立專(zhuān)門(mén)針對(duì)配電系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與健康管理架構(gòu)。

配電系統(tǒng)作為機(jī)上電源系統(tǒng)的不可缺失的組成部分，因?yàn)槠渑c機(jī)上絕大部分設(shè)備有著交聯(lián)關(guān)系，為PHM系統(tǒng)的信息采集、處理以及健康管理的執(zhí)行提供了極大地便利條件，成為了PHM系統(tǒng)中不可或缺的一部分。如今國(guó)內(nèi)民、軍機(jī)電源系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的研究尚在起步階段，民機(jī)C919以及ARJ21開(kāi)展了配電系統(tǒng)PHM技術(shù)初步研究。雖然目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)PHM的研究成果較少，但針對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)中各分系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵部件已經(jīng)計(jì)劃開(kāi)展故障診斷和預(yù)測(cè)方法研究。配電產(chǎn)品作為配電系統(tǒng)中主要組成設(shè)備，成為了最靠近用電設(shè)備的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此也成為了最能反映用電設(shè)備真實(shí)狀態(tài)以及用電設(shè)備最終使用的電源品質(zhì)的一級(jí)設(shè)備。如今，在一些新型研制的飛機(jī)型號(hào)中，已經(jīng)對(duì)配電產(chǎn)品的健康管理功能提出了要求。因此，配電產(chǎn)品的PHM技術(shù)的研究成為了必然的趨勢(shì)。

本文就配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從飛機(jī)系統(tǒng)對(duì)配電產(chǎn)品的要求出發(fā)，進(jìn)行架構(gòu)的分解，形成配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu)。

1 基于配電產(chǎn)品的PHM架構(gòu)分層

故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)概括來(lái)說(shuō)，就是將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合，由計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的模型，依據(jù)相應(yīng)的算法得到檢測(cè)目標(biāo)當(dāng)前的狀態(tài)和未來(lái)一段時(shí)間的變化趨勢(shì)。故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)主要包括“健康管理”和“故障預(yù)測(cè)”兩部分內(nèi)容[5-7]。故障預(yù)測(cè)，即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，確定部件正常工作的時(shí)間長(zhǎng)度;健康管理，即根據(jù)診斷、預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策[8-10]。PHM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括：故障診斷自動(dòng)化程度高，其精準(zhǔn)性、時(shí)效性好；能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)測(cè)，降低維修成本，提高裝備實(shí)時(shí)可靠性等[11]。

PHM的一般技術(shù)框架按照對(duì)象層、數(shù)據(jù)層、信息層及決策層的層次結(jié)構(gòu)劃分，如圖1所示。

圖1 PHM的一般技術(shù)框架

基于PHM的一般技術(shù)，結(jié)合配電產(chǎn)品的功能性能，設(shè)計(jì)配電產(chǎn)品匹配的PHM總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu)

2 配電產(chǎn)品各層次分析

基于圖2所示的配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu)，對(duì)各層次進(jìn)行分析，提取接口數(shù)據(jù)定義。

2.1 配電產(chǎn)品外部接口

PHM系統(tǒng)外部接口圖如圖3所示。

圖3 配電產(chǎn)品外部接口

2.1.1 接口定義

2.1.1.1 電源接口：為配電產(chǎn)品提供功率電源、工作電源，通過(guò)機(jī)上功率線纜將機(jī)上電源與配電產(chǎn)品連接。

2.1.1.2 上位機(jī)接口：為配電產(chǎn)品提供與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互的接口，通過(guò)機(jī)上通訊總線將上位機(jī)與配電產(chǎn)品連接。

2.1.1.3 負(fù)載接口：配電產(chǎn)品通過(guò)該接口為各負(fù)載分配電能，通過(guò)機(jī)上功率線纜將機(jī)上負(fù)載與配電產(chǎn)品連接。

2.1.2 接口數(shù)據(jù)

表1 配電產(chǎn)品外部接口數(shù)據(jù)

2.2 物理層

2.2.1 功能定義

作為健康管理系統(tǒng)內(nèi)的物理基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)物理數(shù)據(jù)的輸入以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出功能，是PHM系統(tǒng)的被測(cè)對(duì)象之一，接收所有被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

表2 物理層數(shù)據(jù)

2.2.3 層級(jí)間接口

表3 物理層接口

2.3 分析層

2.3.1 功能定義

分析層在健康管理系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)對(duì)感知層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和特征提取，形成特征數(shù)據(jù)和故障診斷層所需數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)電源電壓U、電源電路I輸出電壓u、功率管漏源極電壓UDS、輸出電壓i、功率管漏源極電流IDS、電纜阻抗信號(hào)、負(fù)載電壓、負(fù)載電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如電壓/電流均值濾波、狀態(tài)判定，電流時(shí)頻域分析，入射信號(hào)與反射信號(hào)相關(guān)運(yùn)算等操作，同時(shí)從接收到的數(shù)據(jù)中提取出電壓/電流時(shí)域特征、電流頻域特征、電纜阻抗特征等特征信息。

2.3.3 層級(jí)間接口

表4 分析層接口

2.4 故障診斷層

2.4.1 功能定義

故障診斷層在健康管理系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)依據(jù)前一層所提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障診斷，進(jìn)行故障和狀態(tài)判斷。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理

2.4.2.1 進(jìn)行簡(jiǎn)單算法故障診斷

依據(jù)分析層傳遞過(guò)來(lái)的特征信息和處理后的信息，利用簡(jiǎn)單的邏輯和數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)判斷，如過(guò)欠壓檢測(cè)、BIT檢測(cè)、電弧檢測(cè)與定位、短路開(kāi)路檢測(cè)。

2.4.2.2 進(jìn)行復(fù)雜算法故障診斷

依據(jù)分析層傳遞過(guò)來(lái)的特征信息和處理后的信息以及原始數(shù)據(jù)信息，結(jié)合成熟的數(shù)據(jù)算法，如故障字典、混合邏輯算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊自適應(yīng)算法，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，取得算法結(jié)果用于進(jìn)一步的故障預(yù)測(cè)。

2.4.3 層級(jí)間接口

表5 故障診斷層接口

2.5 故障預(yù)測(cè)層

2.5.1 功能定義

故障預(yù)測(cè)層在健康管理系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)依據(jù)前一層所提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，形成故障預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.5.2 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)故障診斷層傳遞過(guò)來(lái)的故障、狀態(tài)診斷結(jié)論信息和復(fù)雜算法處理的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)處理，如經(jīng)典數(shù)據(jù)庫(kù)、負(fù)載特性庫(kù)、故障模式統(tǒng)計(jì)庫(kù)檢索等方式，對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，包括對(duì)負(fù)載端、線纜端、電源端，得到電纜絕緣層老化失效預(yù)測(cè)結(jié)果、負(fù)載故障預(yù)測(cè)結(jié)果等。

2.5.3 層級(jí)間接口

表6 故障預(yù)測(cè)層接口

2.6 健康管理層

2.6.1 功能定義

健康管理層在健康管理系統(tǒng)作為最高層，負(fù)責(zé)最終的健康管理判斷，得到合理的健康管理處理方式判斷。

2.6.2 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)故障診斷層傳遞過(guò)來(lái)的故障、狀態(tài)診斷結(jié)論信息和復(fù)雜算法處理的數(shù)據(jù)信息，和故障預(yù)測(cè)層的故障預(yù)測(cè)結(jié)果，依托于配電產(chǎn)品的管理權(quán)限，進(jìn)行故障隔離與重構(gòu)、負(fù)載管理、任務(wù)規(guī)劃以及維護(hù)/維修定位等操作。

3 結(jié)論

本文結(jié)合故障預(yù)測(cè)和健康管理一般架構(gòu)，從配電產(chǎn)品的功能性能出發(fā)，搭建了配電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)與健康管理總體架構(gòu)，并對(duì)架構(gòu)中各層次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與接口設(shè)定。為后續(xù)配電產(chǎn)品PHM技術(shù)的研究和發(fā)展提供了方向，也為配電網(wǎng)絡(luò)如何融入飛機(jī)PHM系統(tǒng)中提供了思路。