南方航空飛機健康管理系統(tǒng)發(fā)展策略研究

■ 李欣/中國南方航空股份有限公司工程技術(shù)分公司（機務(wù)工程部）

本文簡要介紹了南航飛機健康管理系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀，對未來南航飛機健康管理系統(tǒng)的高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)行研究、規(guī)劃及設(shè)計，利用飛機大數(shù)據(jù)及數(shù)字化信息技術(shù)手段構(gòu)建具有智能化故障診斷預(yù)測及維護(hù)決策機制的新一代飛機健康管理系統(tǒng)，重塑飛機健康全新維護(hù)模式，為現(xiàn)今民航飛機健康管理系統(tǒng)體系建設(shè)提供全新思路。

0 引言

隨著民航運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，飛機機隊數(shù)量不斷增多，民用客機及其部件的安全性、可靠性、持續(xù)適航性、維護(hù)效率與經(jīng)濟性等多重需求越來越受到飛機制造商及航空公司的重視。為此，飛機健康管理系統(tǒng)應(yīng)運而生，通過該系統(tǒng)可對飛機傳感器觸發(fā)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次解讀，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析與診斷、故障預(yù)測及決斷等，對飛機健康狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測、診斷和評估，從而提升飛機維護(hù)質(zhì)量，提高飛機安全水平，提升航班準(zhǔn)點率及飛機利用率。

現(xiàn)如今飛機健康管理系統(tǒng)進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，除了波音、空客、商飛等飛機制造廠商外，各航空公司也在構(gòu)建發(fā)展屬于自己的健康管理系統(tǒng)，并取得了顯著成效。南航作為國內(nèi)飛機健康管理系統(tǒng)先行者，更要百尺竿頭、更進(jìn)一步，在飛機健康管理領(lǐng)域中進(jìn)行深層次探索研究，使用更加完善的設(shè)計理念和更加有效的技術(shù)手段確保飛機健康管理向更高層次邁進(jìn)。

1 飛機健康管理概述

航空航天領(lǐng)域的“健康管理”的概念最早起源于20 世紀(jì)90 年代由美國國家航空航天局（NASA）提出的關(guān)于航空航天的飛行器安全飛行計劃，通過將飛行器的各類傳感器信號采集和處理，故障診斷預(yù)測功能以及后端的地面后勤保障決策執(zhí)行的整個流程集成為一個綜合的系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而實現(xiàn)故障預(yù)測、診斷預(yù)測以及后勤維護(hù)決策的高度智能化與自動化。飛機健康管理同樣是通過類似綜合的系統(tǒng)去解讀飛機傳遞的各類信號并實時跟蹤分析飛機的運行狀態(tài)及故障情況，達(dá)到高質(zhì)高效維護(hù)飛機，提高飛機的運行效率并延長飛機使用壽命。

1.1 民航系統(tǒng)演變歷程

民用飛機健康管理技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程。從最初的機內(nèi)測試（BIT：Built-In Test），依靠單個系統(tǒng)和設(shè)備自身的電路和程序完成故障診斷和隔離，到20 世紀(jì)80 年代后發(fā)動機指示與告警系統(tǒng)（EICAS）及中央維護(hù)計算機（CMC）的成功應(yīng)用，意味著民用航空正式邁入飛機健康監(jiān)測時代。20 世紀(jì)90 年代初飛機ACARS 數(shù)據(jù)鏈開始在更多的航空公司中得到應(yīng)用，90 年代末波音與空客在波音777 飛機和空客A320 飛機機載維護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上借助數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)，實現(xiàn)了民航客機與地面基站的實時數(shù)據(jù)傳輸，將傳統(tǒng)的飛機落地后維護(hù)變成飛機實時運行監(jiān)測，將安全關(guān)口前移，提高了飛機維護(hù)效率。波音與空客這兩家民用飛機制造商在90 年代末率先引入飛機健康管理概念與技術(shù)，開創(chuàng)了飛機健康監(jiān)控全新領(lǐng)域。波音的飛機健康管理系統(tǒng)用于監(jiān)控波音飛機，體系架構(gòu)是基于“機載中央維護(hù)系統(tǒng)OMS+空地數(shù)據(jù)鏈+地面軟件平臺AHM”，由中央維護(hù)計算機及飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集各系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，飛機的ACARS 數(shù)據(jù)鏈完成下傳數(shù)據(jù)，并通過AHM 實時發(fā)送報警或者通知地面維護(hù)人員，波音每年會根據(jù)用戶需求持續(xù)升級完善，及時發(fā)布新版本，確保AHM 系統(tǒng)的生命力與競爭力。空客的飛機健康管理系統(tǒng)與波音類似，區(qū)別是空客的飛機健康管理系統(tǒng)用于監(jiān)控空客飛機，也在不斷更新完善。其他的飛機與發(fā)動機制造廠商同樣也開發(fā)了健康管理系統(tǒng)監(jiān)控飛機及內(nèi)部設(shè)備。例如，巴航工業(yè)的AHEAD、羅羅公司的發(fā)動機健康管理系統(tǒng)（EHM）等。

南航在國內(nèi)飛機健康系統(tǒng)研發(fā)中起步最早，從1999 年末開始自主研發(fā)，單一機型開始起步，開發(fā)出了具有南航特色的飛機健康管理系統(tǒng)，名為“南航遠(yuǎn)程診斷實時跟蹤系統(tǒng)”。該系統(tǒng)是中國民航首個獲得國家《發(fā)明專利證書》的健康管理系統(tǒng)，同樣也獲得了民航科技進(jìn)步二等獎，從而打破了波音AHM、空客AIRMAN 等國際航空制造商的技術(shù)壟斷，填補了我國在這一領(lǐng)域的空白。

1.2 南航系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀

南航飛機健康管理系統(tǒng)的初創(chuàng)階段大約在1999 年7 月中旬，南航機務(wù)在偶然得到空客AIRMAN 的宣傳推廣材料之后，開始探討對波音777 飛機傳輸?shù)娘w機技術(shù)信息進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換及分析的可能性，開始構(gòu)思的系統(tǒng)起名為“飛機維修支持系統(tǒng)”，后改名為“飛機遠(yuǎn)程診斷實時跟蹤系統(tǒng)”（如下簡稱“系統(tǒng)”）。初始設(shè)想是建立一套計算機系統(tǒng)，能兼容處理各機型下載的數(shù)字化信息規(guī)范，實現(xiàn)飛機技術(shù)狀態(tài)跟蹤（健康狀態(tài)診斷分析）、故障自動報警，航行跟蹤、發(fā)動機性能監(jiān)控等功能，提早發(fā)現(xiàn)并排除故障，確保飛行安全。在2001 年之后，南航機務(wù)系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行了升級完善，解決了多個系統(tǒng)構(gòu)型數(shù)據(jù)的解碼難題。2002 年4 月，首先在GAMECO 和南航深圳分公司試運行并獲得了成功，隨后在2002 年10 月11 日以“一種遠(yuǎn)程診斷實時跟蹤系統(tǒng)及其方法”申請專利，于2006 年4 月19 日成功獲得授權(quán)。2002 年11 月26 日與中國民航大學(xué)合作研發(fā)的《飛機遠(yuǎn)程診斷實時跟蹤系統(tǒng)》通過了民航總局組織的專家技術(shù)鑒定，鑒定結(jié)論為：該項目具有技術(shù)先進(jìn)性，應(yīng)用前景廣泛，有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益，屬國內(nèi)首創(chuàng)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。該系統(tǒng)在2003 年獲得民航科技進(jìn)步二等獎。

系統(tǒng)在波音777 和空客A320 機型上取得成效之后，南航機務(wù)不僅僅滿足于標(biāo)準(zhǔn)報文數(shù)據(jù)的監(jiān)控。在獲得飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（ACMS）、航空公司運行控制（AOC）、虛假故障信息過濾數(shù)據(jù)庫（CFDIU）等機載軟件客戶化變更授權(quán)后，便開始了客戶化機載軟件的嘗試，包括統(tǒng)一報文格式、研發(fā)系統(tǒng)專項監(jiān)控等，致力于構(gòu)建具有“南航標(biāo)準(zhǔn)”的飛機健康監(jiān)控模式并持續(xù)至今。與此同時，系統(tǒng)也在不斷解碼新機型的報文數(shù)據(jù)，將新的機型納入監(jiān)控，在2007年之前就已經(jīng)實現(xiàn)將南航現(xiàn)有機型全部納入監(jiān)控，遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 南航飛機遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

之后系統(tǒng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，無論在監(jiān)控系統(tǒng)深度、監(jiān)控機型廣度，還是在監(jiān)控功能的多樣性方面有了長足的發(fā)展。就監(jiān)控深度來說，南航機務(wù)憑借扎實深厚的維修水平與經(jīng)驗，開發(fā)出飛機靈活位置報監(jiān)控、飛機空調(diào)流量控制活門監(jiān)控、波音737 飛機虛擬中央維護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控、輔助動力單元運行狀態(tài)監(jiān)控等專項監(jiān)控，并伴隨獲得了國家專利、民航科技進(jìn)步二等獎、計算機軟件著作權(quán)等諸多成果；就監(jiān)控機型廣度來說，新機型引進(jìn)基本在兩年內(nèi)完成解碼并納入監(jiān)控，例如南航機務(wù)在2013 年成功研發(fā)出了空客A380 模塊，在2015 年成功研發(fā)出波音787 模塊；就監(jiān)控功能多樣性來說，后續(xù)系統(tǒng)又新增了故障信息實時訂閱推送功能、故障定級報警功能、客戶化監(jiān)控功能、故障標(biāo)記功能等。最值得一提的是，南航機務(wù)在克服了國內(nèi)外飛機健康管理系統(tǒng)無移動平臺的不利條件，勇于嘗試移動平臺的開發(fā)，以豐富監(jiān)控人員的操作手段。

2022 年系統(tǒng)正式更名為南航“天瞳”系統(tǒng)，使用了最新的機務(wù)云平臺技術(shù)，采用更為高效穩(wěn)定的分布式微服務(wù)架構(gòu)，數(shù)據(jù)服務(wù)與接口響應(yīng)時間不超過10 秒。“天瞳”系統(tǒng)成為了具備PC/移動雙平臺，可將波音、空客、巴航工業(yè)、中國商飛四大主流機型同時進(jìn)行監(jiān)控，功能全面并融入多個國家專利和計算機軟件著作權(quán)的飛機健康管理系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 “天瞳“移動平臺監(jiān)控效果示例

2 未來系統(tǒng)思路構(gòu)建

國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要將數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)與作用提高到了國民經(jīng)濟的高度，需充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場景優(yōu)勢，促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與實體經(jīng)濟深度融合、賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。對于民航維修來說，必須充分利用先進(jìn)科技手段，著力智能化發(fā)展，增強創(chuàng)新與再創(chuàng)新能力，方能實現(xiàn)“勞動密集型工業(yè)陷阱”的跨越。飛機健康管理系統(tǒng)也需要遵循這個方向朝更高層次發(fā)展。

2.1 現(xiàn)狀與不足

現(xiàn)今，民航領(lǐng)域開發(fā)的飛機健康管理系統(tǒng)基本能實現(xiàn)飛機ACARS 觸發(fā)報文數(shù)據(jù)（故障報、ACMS 報、AOC 報等）的準(zhǔn)確高效呈現(xiàn)，故障信息可快速關(guān)聯(lián)排故手冊，以及能生成比較詳盡完整的數(shù)據(jù)分析圖表供監(jiān)控人員參考使用，但是在故障預(yù)測和智能維護(hù)決策方面還有非常大的提升空間。現(xiàn)在的故障預(yù)測多體現(xiàn)于ACMS 報文，也就是通過設(shè)置飛機參數(shù)閾值及特定的觸發(fā)邏輯，超出監(jiān)控閾值觸發(fā)報文供監(jiān)控人員獲知，起到一定的故障預(yù)測效果。但是絕大多數(shù)故障報還無法做到預(yù)測，故障報觸發(fā)意味著故障已經(jīng)發(fā)生了。如果在某些重要故障發(fā)生前能有一定概率預(yù)知，并提前做出決策，將會有可能減少部件拆換的概率與飛機延誤的時間，降低維修成本的同時提高飛機維護(hù)水平。現(xiàn)在的維護(hù)決策其實多靠人的判斷，附加關(guān)聯(lián)手冊，或者某些ISI、TFU 等技術(shù)文件進(jìn)行參考，系統(tǒng)并沒有給一個智能化的排故解決方案來縮短一線工作者的決策時間，提高排故品質(zhì)與效率。除了某架飛機的特定故障之外，系統(tǒng)還缺少對整個機隊所有飛機歷年的故障信息進(jìn)行深度分析并生成維護(hù)決策的功能。故本文認(rèn)為“故障預(yù)測”和“智能決策”是未來南航“天瞳”系統(tǒng)最需要突破的研究方向。

2.2 規(guī)劃與設(shè)計

未來什么樣的飛機健康管理系統(tǒng)才是符合“數(shù)字化驅(qū)動，智能化維修”的系統(tǒng)呢？本文認(rèn)為需要滿足如下特征：

1) 更多的數(shù)據(jù)采集

如何才能更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，大量不同種類的數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)。現(xiàn)在的飛機健康管理系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)大多來源于飛機ACARS 觸發(fā)的報文。例如故障報、ACMS 報、AOC 報等，監(jiān)控數(shù)據(jù)比較單一。系統(tǒng)應(yīng)該更多融入QAR/DAR/SAR 數(shù)據(jù)以及部件可靠性數(shù)據(jù)，包含拆換件數(shù)據(jù)、排故數(shù)據(jù)、部件監(jiān)控數(shù)據(jù)等，將其統(tǒng)一融入監(jiān)控數(shù)據(jù)池中，以便更好地利用，實現(xiàn)更多的價值。數(shù)據(jù)最好進(jìn)行清洗和標(biāo)簽化，這樣才可以高效利用，最終目的是開發(fā)成知識圖譜，作為智能解決方案的理論基礎(chǔ)。

2) 更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)并不是越大越好，大數(shù)據(jù)并不簡單認(rèn)為是大量的數(shù)據(jù)，而是有價值的數(shù)據(jù)。無論是飛機通過ACARS 觸發(fā)的數(shù)據(jù)，還是通過飛機內(nèi)置手機網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的數(shù)據(jù)，都會有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)的利用是低效的，會白白花費不菲的ACARS流量費與手機流量費。所以更加精準(zhǔn)的獲取有價值的數(shù)據(jù)，并通過技術(shù)手段減少無效數(shù)據(jù)的觸發(fā)，則會大大提升監(jiān)控效率，降低數(shù)據(jù)流量成本支出。

3) 更強大的故障分析預(yù)測功能

故障預(yù)測，尤其是故障報的預(yù)測，最直接的應(yīng)該是獲取飛行警告系統(tǒng)的故障觸發(fā)邏輯，但實際上由于飛機制造廠商技術(shù)保密性要求，類似資料很難獲取到。如此可以嘗試通過IT 算法工程師，憑借海量的數(shù)據(jù)分析，從結(jié)果觸發(fā)倒推算法故障模型，推測出警告觸發(fā)機制，但這樣的警告觸發(fā)機制可能與實際結(jié)果有一定偏差，為此還需要通過海量飛機故障信息、故障發(fā)生時間范圍，結(jié)合飛機機齡、零部件監(jiān)控值等，尋找相關(guān)規(guī)律推算給出下一階段故障發(fā)生概率，結(jié)合算法故障模型，進(jìn)行一定程度上的故障預(yù)測，并使用機器學(xué)習(xí)對準(zhǔn)確度進(jìn)行訓(xùn)練。

4) 更智能化的維護(hù)決策機制

如何提升維護(hù)決策的準(zhǔn)確度，知識圖譜是關(guān)鍵，通過海量飛機故障信息、拆換件信息、部件可靠性信息、歷史排故措施等數(shù)據(jù)構(gòu)成關(guān)聯(lián)關(guān)系，由系統(tǒng)通過相關(guān)的條件觸發(fā)形成對應(yīng)知識圖譜，根據(jù)知識圖譜生成解決方案，通過后臺記錄用戶行為（用戶點擊次數(shù)、用戶反饋解決方案是否有效等），精準(zhǔn)推薦最適合用戶的TOP10 解決方案。

對于整個機隊的故障分析，需要建立飛機“全生命周期”畫像，包括整個機隊每架飛機的動態(tài)故障畫像，并進(jìn)行歷史情況動態(tài)對比，發(fā)生異常波動時關(guān)聯(lián)歷史數(shù)據(jù)推薦維護(hù)方案。

5) 更全更深入的專項監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)

如何才能擁有高效的監(jiān)控，只滿足于標(biāo)準(zhǔn)報文的監(jiān)控是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，南航機務(wù)一直從一線排故痛點出發(fā)，堅持問題導(dǎo)向進(jìn)行專項監(jiān)控的研發(fā)，除了上文提到的那些監(jiān)控外，還研發(fā)出發(fā)動機燃油噴嘴監(jiān)控、飛機迎角傳感監(jiān)控、飛機活門狀態(tài)監(jiān)控等多種類型的專項監(jiān)控，不斷致力于優(yōu)化完善具有“南航標(biāo)準(zhǔn)”的全新飛機健康監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)。

6) 更細(xì)節(jié)的功能設(shè)計

用戶如何才能在使用飛機健康管理系統(tǒng)中獲得更多的體驗感，細(xì)節(jié)把控尤其重要。在設(shè)計系統(tǒng)中要樹立服務(wù)意識，想人之所想，急人之所急。在細(xì)節(jié)中體現(xiàn)質(zhì)量，在功能中體現(xiàn)服務(wù)。例如故障信息推送、故障等級定義標(biāo)記，客戶化監(jiān)控等功能則就是以用戶為本設(shè)計的特色功能，變“要我監(jiān)控”為“我要監(jiān)控”。

南航的“天瞳”系統(tǒng)現(xiàn)已滿足了上述部分特征，其他未完成的特征均已列入了開發(fā)計劃，正在逐步完善實現(xiàn)中。

3 結(jié)束語

打造高度數(shù)字化智能化的飛機健康管理系統(tǒng)絕非一日之功，“故障預(yù)測”和“智能決策”機制現(xiàn)在尚屬于設(shè)計研究階段，離真正投入使用還有很長的一段距離，尤其是將準(zhǔn)確性提升至一個可接受的范圍并沒有想象中的那么容易。南航“天瞳”系統(tǒng)還有許多功能需要完善，還有很長的路要走。為實現(xiàn)飛機健康管理系統(tǒng)的更高層次跨越，單靠南航一家之力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，各航空公司需要聯(lián)合起來，集思廣益，共享協(xié)作，共同發(fā)展，大力推動飛機健康管理體系建設(shè)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展，為智慧民航貢獻(xiàn)力量。