民用飛機系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在對民用飛機系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)及其重要作用進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析了故障預(yù)測與健康管理（PHM）、視情維修（CBM）、自主保障（AL）及其相互關(guān)系。同時，論述了民用飛機系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的幾個主要功能模塊。

關(guān)鍵詞：民用飛機；系統(tǒng)故障預(yù)測；健康管理

1.民用飛機系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)及其重要作用

從民用飛機系統(tǒng)整體可靠性、安全性以及運行經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，采用預(yù)測技術(shù)作為支撐的故障預(yù)測及健康管理（PHM）方法已經(jīng)在民航飛機故障預(yù)測中得到了更廣泛的應(yīng)用，同時也成為了當(dāng)前飛機設(shè)計及運營的重要構(gòu)成部分，是將來航空飛行器故障診斷體系的完善法制方向。當(dāng)前，PHM技術(shù)的主要研究方向在于提高故障診斷以及故障預(yù)測的精度，同時通過擴(kuò)大健康監(jiān)控的應(yīng)用對象的方法，逐步形成基于飛機狀態(tài)的自主式保障體系。

目前，國內(nèi)對PHM技術(shù)的研究和應(yīng)用都處于技術(shù)早期階段，雖然在飛機的系統(tǒng)運行狀況監(jiān)控、故障診斷的研究方面獲得了一定的成果，但是因為故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測與飛機管理維修工作相互分離，導(dǎo)致故障信息的反饋速度較慢，資源的共享性、可擴(kuò)展性以及可靠性都較差，制約了飛機的整體性能。所以，在在飛機系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理工作中，構(gòu)建其飛機系統(tǒng)故障預(yù)測以及健康管理系統(tǒng)對提高飛機的狀態(tài)檢測、故障預(yù)測與檢測、故障維修水平具有重要作用。

2.故障預(yù)測與健康管理（PHM）、視情維修（CBM）、自主保障（AL）及其相互關(guān)系

2.1 . PHM、CBM與AL的概念

民用飛機的系統(tǒng)故障維修方式經(jīng)歷了包括反應(yīng)性維修、預(yù)防性維修以及視情維修三個階段。其中，視情維修需要飛機系統(tǒng)自身擁有對相關(guān)故障的預(yù)測以及故障診斷能力，從而達(dá)到系統(tǒng)故障維修的“經(jīng)濟(jì)可承受性”目的，這就產(chǎn)生了故障預(yù)測及系統(tǒng)健康管理的基本概念。PHM是一種針對飛機系統(tǒng)進(jìn)行的全面故障檢測、隔離以及預(yù)測的管理技術(shù)，其引入的最終目的是了解并預(yù)測故障的發(fā)生時間或者針對預(yù)測外的故障進(jìn)行簡答的處理，而不是直接對故障進(jìn)行維修。

而AL則是一種基于知識的后勤保障系統(tǒng)，可以對飛機系統(tǒng)的綜合保障需求進(jìn)行辨別，同時建立起供應(yīng)鏈管理、部件可靠性與安全性識別系統(tǒng)庫，有利于維修任務(wù)的執(zhí)行。

2.2. PHM、CBM與AL間的關(guān)系

PHM技術(shù)是基于自主保障以及視情維修基礎(chǔ)之上的，是自主保障技術(shù)的實現(xiàn)以及事情維修技術(shù)目標(biāo)達(dá)成的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前，其作為美國空軍CBM技術(shù)的最高水平，在減少維修人力耗費、增加航空飛機的運營效率等方面具有重要作用。隨著PHM與CBM技術(shù)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)了民用飛機系統(tǒng)自助保障性能的不斷提高，改善了飛機系統(tǒng)故障預(yù)測的精度及自主性能。

在民用飛機的設(shè)計過程中，將PHM系統(tǒng)貫穿進(jìn)去，能夠顯著減小甚至消除故障診斷過程中測試設(shè)備、工具以及診斷設(shè)備的應(yīng)用。同時，形成了一種以維修人員為主，集專家診斷技能于一體的執(zhí)行功能。另外，有利于將部分不重要的零部件推遲維修，便于民用飛機航班密集時的部署。

3.基于PHM技術(shù)的自主保障系統(tǒng)的構(gòu)建

在構(gòu)建一個基本的PHM系統(tǒng)中，主要構(gòu)建三個模塊，如圖1所示。該系統(tǒng)的最底層分布有飛機各個子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備、PHM傳感器等；頂層則是飛機的自主保障系統(tǒng)，主要是管理層。

從圖1的結(jié)構(gòu)來看，PHM系統(tǒng)通常由機載系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)以及自主保障系統(tǒng)等接口構(gòu)成。其中，機載系統(tǒng)屬于分布式系統(tǒng)，工作時需要分布式計算機對之予以支持。而PHM系統(tǒng)是整個自主保障系統(tǒng)的核心，工作過程中需要多個子系統(tǒng)進(jìn)行分布式協(xié)作。所以，需要通過開放式、模塊化以及標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計方法，通過形成標(biāo)準(zhǔn)、開放的連接接口才能實現(xiàn)。下面將對系統(tǒng)設(shè)計過程中的幾個關(guān)鍵模塊進(jìn)行論述。

3.1. 數(shù)據(jù)采集模塊

能夠?qū)崟r采集民用飛機故障預(yù)測以及健康管理系統(tǒng)各個部件的運行狀態(tài)參數(shù)是實現(xiàn)故障預(yù)測及健康管理的基礎(chǔ)，同時還是實現(xiàn)飛機自主保障的前提。當(dāng)前在設(shè)計過程中，可以在飛機的關(guān)鍵部件設(shè)置PHM傳感器，顯著降低傳感器的布置難度，提高了飛機PHM能力的水平。同時，通過完善的機載檢測設(shè)備以及飛行參數(shù)記錄設(shè)備對飛機系統(tǒng)進(jìn)行健康監(jiān)控，對保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性及穩(wěn)定性提供了平臺。

3.2. 信號處理模塊

飛機的狀態(tài)參數(shù)具有種類多、數(shù)量大的特點，必須將所采集的實際狀態(tài)參數(shù)統(tǒng)一稱為計算機能讀取的數(shù)據(jù)格式，這樣才能對飛機的故障特征、飛行運行狀態(tài)等進(jìn)行準(zhǔn)確描述，從而降低故障預(yù)測以及故障診斷的難度。因為現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機的系統(tǒng)交互程度大，故障種類較多，飛機故障狀態(tài)與原因之間存在著極其復(fù)雜的非線性映射狀態(tài)。所以，通過智能算法對飛機多狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理成為了飛機系統(tǒng)故障預(yù)測及健康管理的基礎(chǔ)。

3.3 .診斷預(yù)測模塊

目前，飛機的故障預(yù)測方法主要是通過物理失效模型進(jìn)行計算預(yù)測的，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動及融合的方式達(dá)到診斷預(yù)測的目的。而對飛機內(nèi)部不同類型的子系統(tǒng)，則必須將這些方法綜合運用，同時結(jié)合專家系統(tǒng)的模糊推理才能建立起有效的PHM系統(tǒng)，保證故障診斷預(yù)測功能得以實現(xiàn)。

3.4. 分析決策模塊

PHM系統(tǒng)的另外一個特點在于其要求極高的時效性，而當(dāng)前的系統(tǒng)都是在飛機降落之后才能得到相關(guān)部件的維修計劃。當(dāng)使用PHM系統(tǒng)得到診斷預(yù)測結(jié)果并作出對應(yīng)的決策之后，自主保障系統(tǒng)將在飛機飛行過程中進(jìn)行對應(yīng)的故障隔離，同時在系統(tǒng)失效時間內(nèi)安排維修計劃，并在飛機降落前就通知對應(yīng)的維修任務(wù)。這樣就大大降低了飛機的維修時間，提高了飛機維修的精度，減少了航班延誤的概率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 翟永杰.葛建宏. 故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在風(fēng)電檢修中的應(yīng)用前景分析[J]. -航空制造技術(shù)， 2010.

[2] 但敏，諸葛昌煒. 民用飛機部附件健康管理方法研究[J]. 航空維修與工程， 2011（4）.