面向智能保障的航空測試技術應用與發展

王 紅, 喬廣星, 靳小波, 楊占才, 陳洪全, 封錦琦

(1.航空工業北京長城航空測控技術研究所,北京 101111;2.航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司,四川 成都 610092)

航空測試技術是指在航空產品研制、生產和使用過程中,為了驗證產品新理論、新方法、新方案的正確性與可行性,確定產品功能、性能或當前狀態,以及為發現或預測產品的故障所實施的獲取產品定性或定量數據,進行數據處理、分析與評定等相關技術及活動的總稱[1]。航空裝備智能保障技術是指以人工智能、機器人、大數據、云計算、數字孿生、物聯網、區塊鏈等新興技術的發展和應用為前提,與一體化聯合保障需求相適應,為實現狀態感知全面化、保障決策智能化、作業執行自主化、監督控制智能化、信息集成融合化、組織架構網絡化、人機交互協同化和資源調配精確化等目標所需的相關技術和活動的總稱,可為實現精確、敏捷、經濟的保障提供技術支持[2-3]。航空測試技術貫穿智能保障的全過程,涵蓋信息感知、信息采集、信息處理、信息交換、信息決策等領域,是智能保障的信息源和關鍵核心要素,能夠為智能保障提供決策支撐。

航空裝備智能保障系統是原有的自主保障系統的升級和擴展,原有的自主保障系統重點強調故障預測與健康管理系統(Prognostics and Health Management,PHM)和聯合分布式信息系統(Joint Distribution Infrmation System,JDIS)在傳統保障系統中的應用,而智能保障系統是在原有的自主保障系統要求的基礎上,通過引入與智能化相關的新興技術,實現裝備保障全過程要素及活動的智能化、精確化、敏捷化和經濟可承受性等能力,可為未來智能化裝備和傳統裝備的智能化保障提供支撐。

隨著我國對航空裝備智能保障需求的不斷增加,航空測試技術將迎來前所未有的發展機遇,并將在未來智能保障實施過程中發揮越來越重要的作用。為適應航空裝備智能保障對測試技術發展的需求,本文在分析航空裝備智能保障需求的基礎上,構建了航空測試技術在智能保障中的應用范圍和實施流程,提出了航空測試技術在機載智能保障和地面智能保障中的應用發展建議,希望能夠為我國未來航空測試技術在智能保障中的應用起到一定的推動作用。

1 航空裝備智能保障需求分析

通常,航空裝備智能保障是指以智能化為特征的裝備保障活動,是傳統的綜合保障、信息化保障及自主保障的智能化升級、擴展和應用。未來戰爭將呈現網絡中心戰、一體化聯合作戰、體系化作戰等新型作戰模式,隨著航空裝備無人化、智能化、體系化發展,航空裝備保障模式也應隨之發生改變。航空裝備保障活動趨于精確化、自主化、智能化,即根據航空裝備體系的組成和作戰任務,自主感知航空裝備保障需求,自動規劃和優化保障資源配置,以最優組合來高效精確地完成航空裝備保障活動[2-3]。依據保障任務的不同,航空裝備智能保障典型應用需求包括智能使用保障、智能維修保障、智能供應保障、智能訓練保障等內容。具體內涵、作用及其涉及的關鍵技術如下。

(1) 智能使用保障。

智能使用保障面向裝備作戰任務中的充、填、加、掛等使用保障活動需求,應用人工智能、智能作業機器人、有人/無人協同、人裝通信等先進技術,實現精確化、無人化、智能化的使用保障活動,解決使用保障作業效率低下的問題[3]。典型智能使用保障作業包括飛機熱加油自動引導對接(自動加油機器人)[4]、飛機智能掛彈技術(自動掛彈機器人)[5-6]、基于有人作業的智能引導等。智能作業機器人的關鍵技術包括可變載荷智能作業系統平臺、基于機器視覺/慣性導航的組合導航定位、基于激光掃描的飛機定位引導、基于深度強化學習的操作機構設計和目標檢測的一體化控制及多智能機器人聯合作業等。

(2) 智能維修保障。

智能維修保障應用人工智能、裝備狀態實時模擬、精確維修控制與管理、增強現實(Augmented Reality,AR)維修引導等先進技術,利用維護自動檢測和專用檢測相關設備,或者在無人機、機器人協助下實現自主化的檢測與維修工作,提高故障隔離精度和維修效率。典型智能維修保障作業包括自動全機三維激光掃描檢查、智能柔性機械臂損傷檢測[7]、整機自動水平測量、便攜式維修輔助設備(Portable Maintenance Aid,PMA)/便攜式維修檢測組合(PMA Instrument Pack,PIP)與智能交互式電子手冊(Interactiue Electronic Technical Manual,IETM)系統使用、便攜式油液品質智能檢測、隱身涂層損傷一體化快速檢測[7]、機身結構智能修配、維修線智能測試等。智能機庫維修是智能維修保障的典型應用場景,可實現從飛機入庫前的狀態模擬和維修決策,到飛機入庫后的自動檢測和智能維修的全過程保障[3],其關鍵技術包括智能機庫架構設計、維修任務自動分配與調度、保障設備工具智能管控、航材備件自動運送與狀態跟蹤等。

(3) 智能供應保障。

智能供應保障面向裝備后勤保障資源的供應需求,利用物聯網、區塊鏈、云計算、大數據和新一代人工智能技術,自動感知后勤保障資源需求,實現后勤保障資源的自主籌措和動態調度,并實現數據流程與后勤保障流程無縫鏈接并相互驅動,解決后勤保障資源延誤時間長的問題[3]。其核心關鍵技術包括智能供應規劃與調度、AGV(Automated Guided Vehicle,自動導引車)機器人智能搬運與輸送、基于GIS(Geographic Information System,地理信息系統)的全資可視化、保障資源自主籌措、基于物聯網的保障資源自動配送、基于無人倉儲的智能庫存管理、現場3D打印制造、備件裝機/離線ID識別、裝機自檢測、備件需求預測、備件調撥供應計劃、備件智能倉儲、自主打包/裝卸等。

(4) 智能訓練保障。

智能訓練保障面向裝備作戰任務需求,應用數字孿生、場景建模、數字仿真等技術實現對作戰場景的逼真模擬,運用VR(Virtual Reality,虛擬現實)/AR技術實現人員的沉浸式交互,基于云平臺完成不同空間空/地勤人員的協同訓練,并可基于任務需求和人員現狀定制推送個性化訓練方案,解決人員訓練與實戰脫節的問題[3]。典型智能訓練保障主要包括訓練模擬系統(維修模擬器、程序訓練器、桌面模擬器、保障作業推演系統等)、智能穿戴式系統(穿戴式人機交互系統、IETM系統、維修輔助系統、遠程支持系統等)、訓練評估與管理系統(訓練考核與質量評估系統、在線訓練管理系統等)、基于VR的虛擬仿真訓練、基于AR的半實物模擬器訓練、面向場景的空地勤分布式協同訓練、人機混合/VR/AR空地勤訓練[4]、基于“真實-虛擬-構造”集成架構(Live-Virtual-Construction Integrated Architecture,LVC-IA) 的智能訓練[8]、飛行員生物特征識別、人工智能大數據支持訓練等。

依據不同的保障任務及應用需求所構建的航空裝備智能保障系統,按照保障信息流向,主要由智能態勢感知、智能保障決策、自主作業執行和智能監督控制等部分構成。

智能保障決策面向作戰任務或平時訓練需求,在智能保障信息系統、綜合數據庫及知識庫、大數據挖掘系統、遠程診斷專家系統、云服務器及地面PHM應用系統等支撐下,應用人工智能技術,將人在決策過程中會用到的知識和經驗固化到系統中,以全面態勢感知信息(如裝備狀態、保障資源狀態、任務狀態、環境狀態等)為基礎,自動生成保障方案(如對何時、何地、做什么、怎么做、用什么做等問題進行決策),解決保障方案規劃不合理的問題[3,8]。智能保障評估與決策的關鍵技術主要包括保障測試需求智能感知、裝備綜合保障過程建模及仿真、基于云計算的智能測試保障、基于區塊鏈的智能保障系統安全[9]、面向場景的保障仿真推演、基于數字孿生的診斷預測[10]、全壽命全態勢保障數據同源管理、數據驅動的智能保障決策[11]、基于戰損規律的保障效能動態仿真評估、保障資源動態調度與優化、作戰任務保障方案自主生成決策等。智能保障作業規劃的關鍵技術主要包括定時工作規劃、操作工卡規劃和資源配套調度、作業效果檢測與質量管理、現場監測與管理、智能監督控制等。

2 航空測試技術在智能保障中的應用范圍及流程分析

借鑒國外先進戰機智能保障實施過程中的相關經驗,結合國內航空裝備智能保障活動對測試技術的實際需求,總結出航空測試技術在智能保障中的實際應用范圍規劃圖,如圖1所示。

圖1 航空測試技術在航空智能保障中的實際應用范圍

航空裝備智能保障從應用范圍上分為機載智能保障和地面智能保障,而地面智能保障主要包括智能保障信息中心、內場智能保障和外場智能保障3部分。智能保障信息中心是智能保障活動的信息中心、調度中心和決策中心,為機載智能保障、內場智能保障和外場智能保障提供信息支撐。從測試角度來講,航空裝備智能保障相關的測試活動分為機載智能保障測試和地面智能保障測試。不同應用場景中的測試活動是依賴于智能保障需求而進行的測試、測量、故障檢測、故障隔離、PHM等相關工作,是智能保障活動中自動獲取參數、數據和相關信息的前提和基礎。

機載智能保障測試主要指利用集成于航空裝備內部的各種機載智能測試單元(如智能監測傳感器、邊界掃描裝置、智能BIT(Built-In Test,機內測試)、認知BIT、嵌入式監控芯片、LRU(Line Replaceable Unit,外場可更換單元)級監控模塊、智能推理單元及機載PHM系統等),為維護保障提供裝備自身狀態檢查和健康管理信息的相關測試活動。

地面智能保障測試主要指通過利用外部智能測試資源(如通用測試設備、專用智能檢測設備等)或從機上實時下傳的狀態數據,對裝備系統、成品和模塊進行功能/性能檢查和故障診斷預測等測試活動。智能保障綜合信息中心相關的測試系統(設備)主要包括綜合數據庫及知識庫、遠程診斷專家系統、數字孿生診斷與預測及地面PHM應用系統等。內場智能保障中相關的測試系統(設備)主要包括維修線智能測試系統、智能專用檢測設備等,其中內場智能專用檢測設備一般包括飛機結構檢測、發動機結構檢測、油液檢測、氣路檢測等。外場智能保障中相關的測試系統(設備)主要涉及智能外場維修保障、智能外場訓練保障、智能外場使用保障、智能外場供應保障等測試活動。智能外場維修保障中相關的測試系統(設備)主要包括智能外場通用測試設備、智能外場專用檢測設備及智能外場現場維修設備。智能外場通用測試設備主要包括便攜式測試診斷PMA和基于AR的智能IETM等。智能外場專用檢測設備主要包括手持3D掃描結構輕微缺陷檢測、便攜式油液品質智能檢測、柔性機械臂結構損傷檢測、隱身涂層損傷智能檢測、整機水平測量等。智能外場現場維修設備主要包括激光定位測量引導、基于AR的維修引導等。智能外場訓練保障中相關的測試工作主要指訓練過程中涉及的虛擬測試、虛擬儀器構建、虛擬現實交互與仿真等活動。智能外場使用保障中相關的測試工作主要指智能化的充、填、加、掛等引導、對接中涉及的測量、控制、定位等活動。智能外場供應保障中相關的測試工作主要指資源調度過程中涉及的識別、定位、跟蹤等活動。

從航空裝備智能保障的系統架構及工作流程角度來看,不同場景中的智能保障設備(即網絡上的各個節點,可以是云節點)通過信息網絡連接在一起,實現互聯互通,由智能保障信息中心負責統一調度、協調、管理和決策等。機載PHM系統是整個智能保障中各種維護測試活動的觸發源,飛機降落之前將各種維護測試需求傳送到外場智能保障中心和智能保障信息中心,外場智能保障中心提前做好維護決策,并準備好備品和備件,飛機降落后外場智能保障中心可以得到智能保障信息中心的技術支撐,并負責將故障隔離到LRU或LRM(Line Replaceable Module,外場可更換模塊),啟用相應的維修和供應保障活動。對于可能發生故障的LRU或LRM轉場到內場智能保障中心,在智能保障信息中心的技術支撐下,通過維修線智能測試系統和智能專用檢測設備完成LRU或LRM的進一步故障定位和修復工作。以結構與隱身保障場景為例說明航空測試技術在智能保障中的典型應用流程,如圖2所示。

圖2 航空測試技術在智能保障中的典型應用流程

典型應用流程說明如下。

① 機載PHM系統實時感知飛機狀態信息(包括飛控系統、航電系統、機電系統及機體結構等),并將信息通過鏈路傳遞到地面PHM系統中。

② 地面PHM系統通過數據挖掘和分析,得出增強診斷和長時壽命預測信息,傳遞給智能保障信息中心,智能保障信息中心通知外場保障部門,提前準備保障資源。

③ 待飛機返回基地,智能保障系統會自動生成保障方案。

④ 測試方案中涵蓋測試項目、測試準備、測試實施等內容,待下達測試任務后,開始實施智能保障活動。針對結構與隱身保障應用場景,可采用無人機快速掃描設備得出結構與隱身損傷情況,損傷位置確定后,采用柔性機構進行精準檢測,確定損傷程度后上報智能保障信息中心。

⑤ 下達維修任務,并實施維修活動,并通過智能保障信息中心對維修結果進行評估。針對結構與隱身保障應用場景,可采用機器人輔助維修手段對結構和隱身涂層進行維修。

3 航空測試技術在機載智能保障中的應用發展建議

為了加速航空裝備機載智能保障技術的發展,迫切需要開展機載智能保障測試相關技術研究、工程應用及標準化建設,從而降低機載BIT虛警率、減少LRU拆卸時間,提高PHM系統工程化水平。主要發展建議如下。

(1) 開展智能監測傳感器技術研究,為PHM系統提供可靠的數據源。

智能監測傳感器是指那些具有自校準、自補償、自檢測、自診斷、自監控、自修復、自適應、自學習、自決策、網絡化等特征的智能化感知單元[1,12]。為滿足機載安裝使用要求,智能監測傳感器應逐步向低成本、低功耗、多功能和小型化方向發展[1]。此外,未來的PHM技術強調不依靠增加傳感器,而是挖掘融合現有機載數據,利用軟測量、大數據挖掘、遷移學習、數字孿生等技術手段,提高感知能力。

(2) 開展機載非接觸先進測試技術研究,提升機載復雜環境下的測試能力。

非接觸測量方法以光電、電磁、超聲波等技術為基礎,在儀器的感受元件不與被測物體表面接觸的情況下,即可獲取被測物體的各種外表或內在的數據特征。針對航空裝備,未來需開展液壓管路流量超聲波非接觸測量、旋翼系統遙測非接觸式高精度測量、旋翼結冰非接觸探測、基于計算機視覺的燃油流量測量、激光干涉位移測量、光電成像測量、多光譜測溫、激光多普勒動態測量(如加速度、角加速度、流體流速等)、激光光柵動態測量(如超高速運動參數)等機載非接觸先進測試技術手段,不斷提升機載智能保障測試能力。

(3) 推進智能BIT工程化應用,開展認知BIT技術研究,提高BIT檢測水平。

智能BIT是在常規BIT技術的基礎上,針對常規BIT在應用過程中表現出的功能缺陷,將包括專家系統、神經網絡、模糊理論、信息融合等在內的智能理論應用到BIT的設計、檢測、診斷和決策等方面的理論、技術和方法中,是實現智能保障決策的關鍵信息源。針對航空裝備,未來將重點推進研究和制訂智能BIT工程化所需的方法、流程和標準規范,并進一步提升故障檢測率和降低虛警率的有效方法,為提升智能BIT工程化能力和檢測水平奠定基礎。認知BIT是傳統智能BIT技術的延伸,與傳統智能BIT相比,除智能決策以外,認知BIT還具有自組織、自學習、自主測試控制等特點,是一種無人化的測試手段,尚需該領域專家進行深入研究。

(4) 研制機載智能專用監控芯片,提升板級智能監測能力。

機載智能專用監控芯片除了具有對各個成員系統內部各個LRU或LRM的機上狀態監測、故障隔離和診斷能力外,還具有傳統自動測試設備(Automatic Test Equipment,ATE)的部分檢測、隔離和診斷能力,能夠極大地提升航空機載系統成員級機上測試監控能力,降低對地面保障ATE系統的要求。針對航空裝備,需要結合模擬電路、數字電路、射頻電路等機載模塊的監測需求,開展智能專用監控芯片研制,形成具有標準接口、協議的智能專用監控芯片樣機,并開展其在機載電子模塊監測的驗證應用研究,為提升板級智能監測能力奠定基礎。

(5) 加速邊界掃描裝置研發與機載應用,提升LRU級智能監測能力。

在借鑒和吸收國外數字電路、數模混合電路相關邊界掃描標準基礎上,結合國內機載智能保障測試需求,加速開展邊界掃描技術、協議和標準研究,研制機載邊界掃描裝置工程樣機,為提升LRU級智能監測能力奠定技術基礎。

(6) 開展機載PHM系統驗證與熟化工作,提升PHM系統工程化能力。

在積累大量機載測試數據的基礎上,結合機載產品全壽命相關數據,充分利用人工智能、數據挖掘、模式識別、數字孿生、大數據分析、數字仿真等先進技術,構建機載PHM系統驗證與熟化平臺,為提升PHM系統工程化能力奠定基礎。

(7) 推進機載智能保障測試標準化工作,提升機載智能保障工程化水平。

推進機載智能保障測試標準化工作,在機載智能保障測試產品研制過程中同步推進標準化工作,為技術熟化、工程研制和機載應用提供標準化支撐。

4 航空測試技術在地面智能保障中的應用發展建議

近年來,我軍航空裝備發展迅猛,但與蓬勃發展的裝備水平相比,地面保障設備在管理理念、技術水平等方面仍有較大不足,不能滿足信息化、智能化先進裝備的保障需求。我國還存在保障設備研制與裝備研制脫節、保障設備“通用化、系列化、組合化”(簡稱“三化”)程度低、保障設備的信息化和智能化程度低等諸多問題[13]。為提升我國地面保障設備智能化、信息化水平,除需要繼續深入開展保障設備正向設計、加強“三化”設計和智能保障設備等研究外,建議國內在測試保障設備研究方面開展如下工作。

(1) 便攜式測試診斷設備統型,實現標準化研制,提升外場檢測隔離能力。

制訂裝備外場便攜式測試診斷設備頂層規劃,梳理外場測試診斷需求、統一測試診斷設備選型,標準化硬件接口,采用智能化診斷模型,統一數據交換格式,在滿足外場快速診斷測試需求和保障規模要求的前提下,研制小型化測試診斷設備,有效解決外場測試保障規模龐大的實際問題。

(2) 研制飛機維修線智能測試系統,提升內場檢測隔離能力。

飛機維修線智能測試系統用于飛機維修線上,對飛機整機、機載系統、機載設備進行測試,對有故障的SRU(Shop Replaceable Unit,車間可更換單元)或LRU進行定位。系統由飛機數字孿生模型、飛行仿真設備、信號激勵設備、故障診斷設備、故障預測設備、壽命管理設備、全壽命數據庫等組成。數字孿生模型能真實、實時反映在役飛機的狀態,故障預測設備與數字孿生模型進行交互,采用機器學習等智能算法對飛機故障進行預測,壽命管理設備與數字孿生模型進行交互,基于設計數據、統計分析等算法對飛機壽命進行預測,為狀態檢修(Condition Based Maintenance,CBM)提供輔助決策,可極大地提升內場檢測能力。

(3) 研制飛機部件地面定位測量引導設備,提升飛機維修定位測量精度和效率。

采用掃描激光測量引導的方式,利用復雜環境下遠距離激光掃描高精度測量技術、高精度旋轉基站設計與制造技術、復雜環境下激光遠距離傳輸測量及校正技術、激光高頻載波數據傳輸技術等,研制基于激光掃描的飛機定位測量引導設備,可用于飛機起落架維修定位、飛機加油自動測量引導對接等方面,滿足飛機部件維修定位和測量引導的高精度、抗干擾、實時性等需求,為飛機部件自動定位引導提供技術支撐。

(4) 研制飛機隱身涂層損傷一體化智能檢測設備,提升隱身涂層損傷快速檢測能力。

以數字緊縮場為主的平面近場雷達截面積(Radar Cross Section,RCS)測試技術開發相應的外場整機RCS檢測裝備,在有限的戰時飛行任務間隙快速有效地完成戰機整機RCS檢測,并迅速完成隱身涂層損傷強度及范圍評估,并確定需整體修復的區域;進一步采用太赫茲涂層無損檢測技術確定損傷部位的邊界,以滿足飛機戰時飛行任務間隙隱身涂層快速檢修需求。

(5) 研制結構損傷智能柔性檢測設備,實現特殊構型和狹小化空間結構檢測。

針對飛機的特殊構型和狹小化通道,采用基于柔性機械臂和微小型探測設備的損傷檢測設備,實現對狹小空間的探測、掃描和損傷檢測?？赏ㄟ^設計能夠實現狹小化空間運動的柔性機械結構,運動至具備特殊構型的部組件內部,完成探測任務。通過研究檢測系統的運動學和動力學控制規律,避免其在部組件內部產生干涉運動,敏捷迅速地到達所需的檢測部位。

(6) 研制便攜式油液智能檢測設備,提升油液快速精確檢測能力。

研制出可跨型號使用、多規格油液通用、簡便易用、有智能化分析處理能力的便攜式油品智能檢測設備,可解決外場保障中油液品質檢測缺乏有效工具和手段的難題,滿足飛機用油保障過程中對油液顆粒污染和水分污染外場檢測的需求。

(7) 研制地面PHM系統數據庫和應用系統,提升健康管理及預測能力。

構建裝備地面PHM系統數據庫、知識庫和診斷預測分析系統,完成飛機和機載設備的健康狀態評估與剩余壽命預測。

(8) 研制保障測試設備驗證與評價系統,提升保障測試設備工程化水平。

構建保障測試設備驗證與評價技術體系,建立保障測試設備驗證評價試驗環境,形成驗證評價試驗用例知識庫,達到先進測試技術、智能測試技術的驗證評價能力,為提升航空裝備保障測試設備的使用效能、設備接口標準化、設備兼容性和工程化水平奠定基礎。

5 結束語

本文系統地闡述了航空裝備智能保障中的智能使用保障、智能維修保障、智能供應保障、智能訓練保障、智能保障決策等關鍵要素的內涵、作用、需求及其涉及的一些關鍵技術,在深入分析航空測試技術在智能保障的應用范圍及流程的基礎上,提出了航空機載和地面智能保障測試技術方面的發展建議。本文僅定性分析了航空測試技術在智能保障中的應用,為了后續推動智能保障測試技術實際應用效果和水平,未來需要對智能保障測試技術進行深入研究分析,并開展相應的應用實例演示驗證。此外,建議未來智能保障測試技術研究過程中應加強測試技術成熟度界定標準研究,為分階段、有重點地開展智能保障測試技術科研攻關提供支撐,同時開展智能保障中的測試技術驗證方法與指標體系研究,為智能保障測試技術的驗證熟化提供依據,希望能夠為未來確認航空裝備智能保障測試關鍵技術和智能保障測試技術發展起到一定的推動作用。