現(xiàn)代民用飛機健康管理技術(shù)研究

劉超

摘 要：本文闡述了民用飛機故障預(yù)測與健康管理的概念，這項技術(shù)借助各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)來診斷系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，并在系統(tǒng)故障發(fā)生前對其進行預(yù)測，從而極大的提高了飛機的安全性和可靠性水平，大大減少了航空公司的維護成本。本文還研究了該技術(shù)在大型飛機的技術(shù)應(yīng)用，其系統(tǒng)的功能和組成。

關(guān)鍵詞：民用飛機 故障預(yù)測 健康管理

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0061-01

隨著民用航空市場的迅速發(fā)展，大型民用客機的安全性、可靠性和維修保障等問題越來越受到制造商和航空公司的重視。安全性和經(jīng)濟性的雙重需求，使得民用飛機故障預(yù)測與健康管理（PHM：Prognostic and Health Management）技術(shù)，逐漸成為新一代民用飛機設(shè)計和運營中的一個重要組成部分。故障預(yù)測與健康管理技術(shù)是通過遠程收集飛機數(shù)據(jù)，實現(xiàn)飛機數(shù)據(jù)的實時顯示，地面系統(tǒng)人員通過對飛機數(shù)據(jù)的綜合分析，準確判斷飛機的健康狀態(tài)，對那些可能影響飛機簽派放行的故障，提早發(fā)現(xiàn)、找出原因并給出最佳解決方案，從而優(yōu)化排故維修工作，提高排故效率，達到提高飛機利用率、縮短飛機延誤時間、減少非計劃維修、降低運行成本和維修成本，降低全壽命運營成本的目的。

1 飛機健康管理系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

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），依靠各系統(tǒng)和設(shè)備自身的電路和程序完成故障診斷和隔離[1]。直到20世紀90年代，波音在777飛機上首次運用了機載維護系統(tǒng)，將飛機上所有系統(tǒng)的故障信息集中的采集和處理，并可以實現(xiàn)故障的檢測、定位、隔離等功能[2]。進入21世紀后，航空公司對于飛機安全性、維護性和經(jīng)濟性的更高要求，使得健康管理技術(shù)應(yīng)運而生。目前，世界兩大民用航空巨頭波音和空客為爭奪全球市場，投入巨資開發(fā)飛機健康管理系統(tǒng)，并作為一大賣點，運用到其最新研制的機型上。

AHM（Airplane Health Management）系統(tǒng)是波音公司聯(lián)合其客戶研發(fā)的用于支持飛機運營和維護工作的一套系統(tǒng)。AHM系統(tǒng)由實時故障管理功能模塊、勤務(wù)和報警功能模塊以及飛機性能監(jiān)控功能模塊組成。AHM系統(tǒng)主要收集的信息包括CMC故障報文信息、ACMS報文信息，到將來可能會將QAR數(shù)據(jù)信息一起收集起來。通過對以上數(shù)據(jù)的分析，AHM系統(tǒng)可以為用戶提供飛機維護的支持。

2 飛機健康管理系統(tǒng)的功能

2.1 飛機故障信息監(jiān)控

監(jiān)控飛機所有的故障信息，將有駕駛艙效應(yīng)的故障信息實時下傳，其它故障信息在飛機落地后通過QAR、航后報PFR、機組人員日志（報告）等及時發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面分析人員利用手冊和歷史數(shù)據(jù)并借助計算機輔助分析軟件進行分析，按影響飛機簽派的緊急程度給出最優(yōu)排故方案，并在飛機落地后迅速排故，降低飛機延誤率。

2.2 飛機超限事件實時監(jiān)控

監(jiān)控飛機超限事件，以幫助地面維護人員準確判斷可能的損傷，及早采取必要的維護和修理手段，將非計劃維修轉(zhuǎn)為計劃維修，減少飛機延誤時間、減少對后續(xù)航班安排的影響。

2.3 飛機系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)控

實時監(jiān)控那些影響飛機簽派放行的關(guān)鍵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件狀態(tài)，并將超警戒信息通過ACARS實時從空中傳向地面，以使地面分析人員通過分析，能夠預(yù)測導(dǎo)致駕駛艙效應(yīng)或影響飛機簽派的故障發(fā)生的時間，提早發(fā)現(xiàn)故障，將非計劃維修轉(zhuǎn)為計劃維修，并根據(jù)緊急程度給出優(yōu)化的解決方案，在飛機落地后迅速排故，降低飛機延誤率。

2.4 飛機性能監(jiān)控

通過采集飛機穩(wěn)定巡航時的性能參數(shù)，利用發(fā)動機狀態(tài)報及相關(guān)參數(shù)模型進行飛機性能水平分析；計算實際飛機性能與基準性能的偏差；監(jiān)控飛機/發(fā)動機性能趨勢，對突然和連續(xù)衰減進行告警；從而實現(xiàn)：使機組在飛行過程中準確掌握預(yù)計燃油消耗量，保證飛行安全；對機隊或飛機性能衰減的評估分析，為飛機的維修計劃提供建議和支持。

3 飛機健康管理系統(tǒng)的組成

3.1 飛機健康管理系統(tǒng)的物理組成

從物理硬件組成的角度，飛機健康管理系統(tǒng)由機載健康管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、地面健康管理系統(tǒng)三部分組成。

（1）機載健康管理系統(tǒng)。

機載健康管理系統(tǒng)主要通過實時獲取并評估機載各系統(tǒng)/子系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與飛機員顯示系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

（2）地面健康管理系統(tǒng)。

地面健康管理系統(tǒng)包括地面監(jiān)控管理、智能診斷、維修專家和遠程客戶終端等模塊。對于機上監(jiān)測系統(tǒng)無法處理的疑難復(fù)雜故障，可通過地空通信系統(tǒng)將故障數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬖\斷監(jiān)控中心，或借助于高級智能診斷系統(tǒng)和遠程專家，對故障做出快速準確判斷和處理。

（3）空地通信系統(tǒng)。

機載和地面健康管理系統(tǒng)通過空地通信系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。空地數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接袃煞N：航后傳輸和實時傳輸。航后傳輸是指機載健康管理系統(tǒng)采集了狀態(tài)數(shù)據(jù)，在飛機著陸以后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面系統(tǒng)，方式包括：QAR，WIFI，有線網(wǎng)絡(luò)，USB和3G等；實時傳輸是指機載健康管理系統(tǒng)將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)實時的發(fā)送給地面，一般使用ACARS數(shù)據(jù)鏈的方式。

3.2 飛機健康管理系統(tǒng)的邏輯組成

從信息交互角度，可將飛機健康管理系統(tǒng)分成以下7個邏輯層。

（1）數(shù)據(jù)采集：全面采集全機各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式的數(shù)據(jù)形式，所采集的數(shù)據(jù)應(yīng)能夠涵蓋后續(xù)應(yīng)用需求。

（2）數(shù)據(jù)處理：對傳感器數(shù)據(jù)進行計算處理，這種處理可以是一種輸入-輸出映射，也可以是對原始測量數(shù)據(jù)的特征提取。

（3）狀態(tài)檢測：應(yīng)通過對數(shù)據(jù)的計算，標識出飛機各系統(tǒng)的狀態(tài)，并應(yīng)基于預(yù)先定義的狀態(tài)條件，檢測出任何不正常狀態(tài)，并在必要的條件下生成警報。

（4）健康狀態(tài)評估：評估飛機全機及各系統(tǒng)的當前健康狀態(tài)，采用推理算法診斷當前故障，并提供診斷的依據(jù)和參考信息。應(yīng)考慮飛機在各種運行狀態(tài)下的健康狀態(tài)評估手段。

（5）健康狀態(tài)預(yù)測：應(yīng)采用多種模型算法，基于飛機數(shù)據(jù)和使用條件，預(yù)測飛機未來的健康狀態(tài)發(fā)展趨勢，預(yù)測未來將要發(fā)生的故障或失效，預(yù)測發(fā)生故障或失效的剩余使用時間。

（6）支持生成建議：應(yīng)為生成可操作的維護建議提供支持。

（7）數(shù)據(jù)傳輸：在飛機機載故障預(yù)測與健康監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上，飛機應(yīng)將大量故障報告、BIT測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)、健康趨勢報告、用于預(yù)測的數(shù)據(jù)等傳輸至地面系統(tǒng)，滿足地面實時監(jiān)控與健康管理系統(tǒng)進行進一步深入的分析和預(yù)測的需要。

4 結(jié)論

PHM技術(shù)的引入，改變了民用飛機傳統(tǒng)的運營和維護模式，是降低其使用成本的有效手段，可以極大的提高民用飛機的使用經(jīng)濟收益，保證飛行安全，帶來極高的社會和經(jīng)濟效益，從而增強民用飛機的市場競爭力。

參考文獻

[1] 張寶珍，曾天翔.智能BIT技術(shù)[J].測控技術(shù)，2000（11）.

[2] 徐永成，溫熙森，等.智能BIT概念與內(nèi)涵探討[J].計算機工程與應(yīng)用，2001（14）.