飛行器健康監(jiān)控的概念及其發(fā)展

肖薇　李思思

摘 要：飛行器健康監(jiān)控技術(shù)是當前國內(nèi)外的一個研究熱點，其應用對于提高飛行器的可靠性、安全性和經(jīng)濟性具有重要的意義。文章從健康監(jiān)控技術(shù)的概念、發(fā)展及相關(guān)技術(shù)三個方面進行了介紹。

關(guān)鍵詞：飛行器，健康監(jiān)控，故障預測

中圖分類號：N04；V；V267；X949 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0057-03

The Concept and Development of Aircraft Health Monitoring

XIAO Wei LI Sisi

Abstract：Aircraft health monitoring is currently the hot topic of civil and abroad research. The application of aircraft health monitoring is very important to improve the reliability， security and economical efficiency of aircraft. This article describes the concept， development of aircraft health monitoring technology and its relevant technology.

Keywords：aircraft， health monitoring， failure predict

收稿日期：2014-06-12

作者簡介：肖薇（1982—），女，湖北天門人，碩士，專利審查助理研究員，研究方向為自動控制。通信方式：xiaowei_1@sipo.gov.cn。

引 言

航空航天飛行器在經(jīng)濟、軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。由于飛行器故障而導致的事故，輕則降低或失去預定功能，重則導致嚴重的以至災難性的生命、財產(chǎn)損失。2002年4月15日中國國際航空公司CA129北京—釜山航班在韓國慶尚南道金海市墜毀，導致125人喪生；2003年2月1日，“哥倫比亞”號航天飛機在返回的過程中與地面失去聯(lián)系后爆炸分解，7名航天員遇難；2014年1月25日“玉兔”號月球車發(fā)生故障，隨時可能停止工作；2014年6月3日，俄航空公司伊爾96-300型客機意外著火損毀……這些事故無不表明，保證飛行器的安全運行是十分迫切的問題。世界各航空航天技術(shù)大國為此投入了大量人力和物力進行了廣泛的研究，提出了各種各樣的方法，其中健康監(jiān)控（health monitoring）技術(shù)是極受重視的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，它的研究應用對提高飛行器的安全性和可靠性具有重要意義。

一 飛行器健康監(jiān)控的概念

飛行器健康監(jiān)控的內(nèi)容一般包括狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預測和故障決策四個方面[2]。狀態(tài)監(jiān)測首先進行信號采集和處理，信號采集是根據(jù)診斷要求選擇能表示飛行器工作狀態(tài)的不同信號并選用各類傳感器進行探測，而信號處理是將采集到的信號進行分類處理從而獲得能表征飛行器特征參數(shù)的過程。故障診斷是將獲得的飛行器特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進行對比以確定飛行器所處的狀態(tài)，判斷是否存在故障以及故障的類型。故障預測是指根據(jù)當前信號預測飛行器狀態(tài)可能的發(fā)展趨勢。故障決策用以根據(jù)上述對飛行器狀態(tài)的判斷，決定應采取的對策和措施，從而改善和提高飛行器的安全性和可靠性。

二 飛行器健康監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

飛行器健康監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個研究熱點，國內(nèi)外均有相關(guān)專利的申請，筆者在中國專利數(shù)據(jù)庫CNABS及外文專利數(shù)據(jù)庫VEN中，采用“飛行器”“故障診斷”“健康監(jiān)控”及相關(guān)擴展詞匯進行檢索，從專利角度來分析飛行器健康監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。

從全球?qū)＠暾埱闆r來看，從1994年開始，涉及飛行器健康監(jiān)控技術(shù)的申請量開始增長，在2011年達到高峰。申請人多為國外大公司，包括波音公司（BOEI）、霍尼韋爾國際公司（HONE）、歐洲宇航防務集團（EADS）、通用電氣公司（GENE）、聯(lián)合科技公司（UNAC）、洛克希德公司（LOCK）等，而美國是飛行器健康監(jiān)控技術(shù)最為主要的原創(chuàng)國。從申請的分類來看，主要集中在G06F（電數(shù)字數(shù)據(jù)處理），這反映出飛行器健康監(jiān)控技術(shù)需要以檢測、仿真模擬、測試、控制及相關(guān)的數(shù)字數(shù)據(jù)處理為基礎。從申請的主題來看，飛行器的健康監(jiān)控管理占據(jù)了約50%。

從國內(nèi)專利申請情況來看，從2002年開始，涉及飛行器健康監(jiān)控技術(shù)的申請量開始增長，在2012年達到高峰。國內(nèi)專利申請量與全球?qū)＠暾埩口厔菹嗤?。申請人多為大學及科研院所，包括南京航空航天大學、北京航空航天大學、西安費斯達自動化工程有限公司、西安飛機設計研究所等?？梢?，雖然國內(nèi)飛行器健康監(jiān)控技術(shù)起步較晚，但近年來加大了研發(fā)力度，以跟上國外的研究步伐。

從技術(shù)主題來看，目前飛行器健康監(jiān)控中的故障診斷逐漸從原來單一的診斷方法，向各個診斷方法相結(jié)合的方向發(fā)展。同時，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器健康監(jiān)控也采用了許多新的技術(shù)，如網(wǎng)絡化技術(shù)、組件化技術(shù)、優(yōu)秀的人機界面技術(shù)等。這對于健康監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和維護、資源的合理利用提供了有力的支持。

三 飛行器健康監(jiān)控相關(guān)專利技術(shù)介紹

健康監(jiān)控管理主要執(zhí)行與飛行器及其組成部分健康狀態(tài)直接相關(guān)的管理活動，其以診斷預測為主要手段，通過對各個系統(tǒng)的故障診斷，提高維護效率，從而降低使用/維護成本。波音公司是全球航空航天業(yè)的領(lǐng)航者，也是全球最大的飛行器制造商，以下介紹其在飛行器健康監(jiān)控方面的專利申請來了解該技術(shù)的發(fā)展狀況。

波音公司于2004年提出一種飛行器健康監(jiān)控系統(tǒng)（US2010017049A1），此監(jiān)控系統(tǒng)包括含有任務關(guān)鍵軟件模塊和飛行關(guān)鍵軟件模塊，任務關(guān)鍵軟件模塊接收飛行器信息并基于其診斷或預測故障并確定一個或多個風險值、置信值、得益值，飛行關(guān)鍵軟件模塊基于上述風險值、置信值、得益值計算健康得分并將其與門限值進行比較；飛行關(guān)鍵軟件模塊對于飛行器信息進行過濾，確定這些信息是否是內(nèi)部連續(xù)、外部連續(xù)或一直是穩(wěn)定的，飛行關(guān)鍵軟件模塊基于上述得到的健康得分及上述確定的飛行器信息傳送飛行器相關(guān)的信息至飛行控制系統(tǒng)。在診斷或預測出故障后，需要采取對應的措施。波音公司于2007年提出了另一種健康監(jiān)控系統(tǒng)（US2008297333A1），其中建立了飛行器功能模型，并利用該功能模型核實飛行過程中潛在的危險狀況；建立危險狀況的起因模型，并利用與該模型對應的控制方式對相關(guān)部件進行控制，從而避免危險狀況的產(chǎn)生。同年，波音公司又提出了基于貝葉斯概率分析的健康監(jiān)控系統(tǒng)（GB2450241A）以提高健康監(jiān)控系統(tǒng)的準確性及快速性。復雜系統(tǒng)故障預測及健康監(jiān)控的貝葉斯概率分析，包括接收多個指示復雜系統(tǒng)、多個操縱變量的觀測狀態(tài)的信號，利用被監(jiān)控系統(tǒng)的診斷模型執(zhí)行上述多個信號的組合概率分析以提供被監(jiān)控系統(tǒng)的健康預測信息并提供對應的預測指示；采用分層貝葉斯網(wǎng)絡執(zhí)行上述組合概率分析；上述被監(jiān)控的系統(tǒng)可以是飛行器板載系統(tǒng)，如環(huán)境控制系統(tǒng)中的發(fā)動機引氣預冷器，基于燃料流量的平均偏差、排氣溫度的平均偏差、空氣供給及控制系統(tǒng)的溫度平均偏差確定上述預冷器的故障。

四 結(jié) 語

健康監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個研究熱點。飛行器健康監(jiān)控技術(shù)的初步研究應用，已在國外許多型號上發(fā)揮了重大作用，提高了可靠性、任務保障性，降低了運行和維護成本。開展飛行器健康監(jiān)控技術(shù)研究，并推動其在中國飛行器中的應用，以保證各類航空航天飛行器的可靠性、安全性和經(jīng)濟性具有重要的意義。

參考文獻

[1] 尚柏林， 宋筆鋒， 萬方義.飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)研究進展及關(guān)鍵技術(shù)，測控技術(shù)，2008，27（7）：1-3，14.

[2] 劉劍慰，姜斌.飛行控制系統(tǒng)健康監(jiān)控技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)[J].科技通報，2011，27（5）：787-791.