航空故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)

中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所 韓春陽(yáng) 王 寧

航空故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)

中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所 韓春陽(yáng) 王 寧

PHM是實(shí)現(xiàn)自主式保障的基石，是提高飛機(jī)可靠性、可維護(hù)性、可測(cè)試性和安全性以及降低生命周期費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)承受性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，正在成為飛機(jī)設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)重要組成部分。論文論述了PHM技術(shù)的內(nèi)涵和原理、結(jié)構(gòu)和功能、關(guān)鍵技術(shù)以及在美軍型號(hào)中的應(yīng)用。

故障預(yù)測(cè)與狀態(tài)管理（PHM）；體系結(jié)構(gòu)；自主式后勤保障系統(tǒng)

引言

隨著現(xiàn)代化武器裝備綜合化、智能化程度的不斷提高,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)聯(lián)合作戰(zhàn)和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)模式對(duì)武器作戰(zhàn)效能以及快速反應(yīng)且經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的保障能力提出了越來越高的要求,因此,世界各大軍事強(qiáng)國(guó)都越來越重視對(duì)綜合化的故障診斷、預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)技術(shù)的研究和應(yīng)用。PHM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從單純的狀態(tài)監(jiān)控向綜合化的健康管理的轉(zhuǎn)變,并引入了故障預(yù)測(cè)技術(shù),通過故障預(yù)測(cè)有效地規(guī)劃維修及供應(yīng)保障,降低了武器系統(tǒng)使用與維護(hù)保障費(fèi)用、提高了安全性、可靠性和可用性,實(shí)現(xiàn)了基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance CBM)和自主式保障(Autonomic Logistics AL)。

PHM技術(shù)早在2000年7月就被美國(guó)國(guó)防部列入《軍用關(guān)鍵技術(shù)》報(bào)告中,并成為美國(guó)國(guó)防部采購(gòu)武器系統(tǒng)的一項(xiàng)要求。

1 PHM的內(nèi)涵和原理

故障預(yù)測(cè)和健康管理(PHM)技術(shù),正在成為新一代的飛機(jī)、艦船和車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)組成部分。故障預(yù)測(cè)技術(shù),能夠?qū)ο到y(tǒng)的所有部件完成各自功能的能力,進(jìn)行預(yù)見性地診斷;健康管理技術(shù),在故障預(yù)測(cè)技術(shù)提供的信息基礎(chǔ)上,參照系統(tǒng)資源狀況以及功能要求,對(duì)系統(tǒng)的后續(xù)維修維護(hù)給出恰當(dāng)?shù)慕ㄗh。

PHM采用了基于智能系統(tǒng)的預(yù)測(cè)技術(shù)。首先采用高靈敏度的傳感器(如小功率微型無線傳感器、渦流傳感器等)收集與系統(tǒng)各種特征屬性相關(guān)的參數(shù)值,然后根據(jù)各種數(shù)學(xué)算法(如快速/離散傅里葉變換、Gabor變換)以及預(yù)設(shè)的人工智能模型(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)),對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè),從而對(duì)飛機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理。PHM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將使傳統(tǒng)的事后維修(即事件主宰的維修)或定期維修(即時(shí)間相關(guān)的維修)被基于狀態(tài)的維修(CBM,亦稱視情維修)所取代。

PHM的原理是借助人工智能(AI)推理機(jī)(如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯或遺傳算法),精確地對(duì)系統(tǒng)的故障模式和狀態(tài)屬性進(jìn)行模仿以及識(shí)別。圖1是實(shí)現(xiàn)PHM推理機(jī)的專家系統(tǒng)模型。

圖1 專家系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種基于區(qū)域管理器的體系結(jié)構(gòu),該體系結(jié)構(gòu)以區(qū)域管理器為核心分為三層:第一層是傳感器層,該層由機(jī)載傳感器以及一些由高級(jí)算法構(gòu)成的虛擬傳感器組成,用于完成原始數(shù)據(jù)(與系統(tǒng)異常屬性有關(guān)的特征參數(shù))收集;第二層由多個(gè)區(qū)域管理器構(gòu)成,負(fù)責(zé)處理來自傳感器層的數(shù)據(jù),獲取飛機(jī)相應(yīng)子系統(tǒng)的健康信息。區(qū)域管理器包括功能軟件模塊以及軟件推理機(jī)模塊兩大組成部分。區(qū)域管理器綜合采用了包括:數(shù)據(jù)融合技術(shù)、模糊邏輯技術(shù)、基于案例/模型推理技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將特征參數(shù)與有用的信息相關(guān)聯(lián),借助各種算法和智能模型來分析、預(yù)測(cè)、監(jiān)控和管理各子系統(tǒng)的工作狀態(tài);第三層是飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)的推理機(jī),該推理機(jī)對(duì)來自飛機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理,進(jìn)而對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

PHM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 PHM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PHM具有如下主要功能:(1)檢測(cè)與隔離故障的能力;(2)預(yù)測(cè)特定部件故障的能力;(3)跟蹤并預(yù)測(cè)部件剩余壽命的能力;(4)資源管理與推理機(jī)信息融合,以及在此基礎(chǔ)上形成的輔助決策能力;(5)故障信息的選擇性報(bào)告能力,即在正確的時(shí)間以恰當(dāng)?shù)姆绞浇o不同的處理人員(飛行員、地面維護(hù)人員等)報(bào)告不同的故障信息。

3 PHM關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 故障預(yù)測(cè)技術(shù)

故障預(yù)測(cè)方法多種多樣,從實(shí)際研究中應(yīng)用的理論、方法和技術(shù)路線來看,可以分為如下幾類:

(1)基于模型的故障預(yù)測(cè)技術(shù)。

該技術(shù)能夠模擬進(jìn)入到對(duì)象系統(tǒng)的內(nèi)部,并對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。同時(shí),該技術(shù)在獲取前期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后,會(huì)對(duì)系統(tǒng)的故障模型參數(shù)進(jìn)行修正,從而不斷提高后續(xù)故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

(2)基于知識(shí)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)。

基于知識(shí)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)利用對(duì)象系統(tǒng)有關(guān)的領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn),基于專家系統(tǒng)或模糊邏輯推理進(jìn)行系統(tǒng)故障的定性推理。

(3)基于數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)。

利用該系統(tǒng)工作歷史數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)的主要手段,實(shí)現(xiàn)途徑是采用相應(yīng)的智能算法對(duì)所測(cè)量/提取的系統(tǒng)故障/失效隨時(shí)間不斷擴(kuò)展的特征進(jìn)行訓(xùn)練,獲得相應(yīng)的智能預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu),進(jìn)而識(shí)別和預(yù)兆在相似工況下相應(yīng)“特征”對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)。典型算法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)。

(4)復(fù)合預(yù)測(cè)模型。

建立基于物理的隨機(jī)模型(部件強(qiáng)度/應(yīng)力的不確定性和某一特定故障特征的廣義函數(shù)),評(píng)價(jià)機(jī)械系統(tǒng)部件的剩余使用壽命; 對(duì)系統(tǒng)失效的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取和智能識(shí)別建立基于數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)模型,評(píng)估機(jī)械系統(tǒng)部件的狀態(tài)特征;采用信息融合算法,綜合上述模型,分析系統(tǒng)對(duì)象的健康狀況和相應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)。 復(fù)合預(yù)測(cè)模型的輸入信息從機(jī)械傳感器信息和使用經(jīng)驗(yàn)信息產(chǎn)生,主要包括:當(dāng)前的狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)和工作剖面預(yù)計(jì),輸出為部件的剩余壽命/狀態(tài)。

3.2 多傳感器融合技術(shù)

多傳感器融合技術(shù)是指對(duì)由若干個(gè)傳感器組成的具有協(xié)同的、互補(bǔ)的和競(jìng)爭(zhēng)性質(zhì)的傳感器陣列,在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行自動(dòng)/智能分析、處理與綜合,從而得到比單一信息源更精確、更完全的判斷,以完成所需的決策和評(píng)估而進(jìn)行的多層次多方面的信息處理過程,以獲得準(zhǔn)確的狀態(tài)和趨勢(shì)估計(jì)。

3.3 PHM系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性的分散性,外界應(yīng)力、量化故障規(guī)律和測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定性,導(dǎo)致了故障診斷與預(yù)測(cè)的不確定性,進(jìn)而產(chǎn)生了PHM技術(shù)的性能評(píng)價(jià)與驗(yàn)證問題。目前,常用的驗(yàn)證方法有:(1)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證;(2)加速試驗(yàn)驗(yàn)證;(3)分析驗(yàn)證;(4)建模和仿真驗(yàn)證。這四種方法互為補(bǔ)充、相互驗(yàn)證。

4 PHM的應(yīng)用

近年來,PHM技術(shù)受到各國(guó)軍方和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,并且積極對(duì)PHM技術(shù)在民用和軍事兩方面進(jìn)行深度挖掘和開發(fā)利用,尤其在軍事領(lǐng)域。

F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的PHM系統(tǒng)。

除各種直升機(jī)以外,PHM技術(shù)同時(shí)也應(yīng)用于其它軍用飛機(jī),美國(guó)的F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)就是最典型的用例,在該飛機(jī)上PHM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 JSF飛機(jī)的PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)上的PHM系統(tǒng)采用了高密度的軟件布局,使用了不同層次上智能推理機(jī)軟件相結(jié)合的方式,將故障診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)綜合應(yīng)用到,下至模塊級(jí)上至系統(tǒng)級(jí)的飛機(jī)各個(gè)層次。

JSF戰(zhàn)斗機(jī)的PHM系統(tǒng)包括:最底層的軟/硬件監(jiān)控軟件、中間層的區(qū)域管理軟件以及最高層的飛機(jī)平臺(tái)管理軟件。最底層是故障信息的直接采集來源,它依靠高靈敏傳感器、自檢測(cè)程序以及預(yù)測(cè)模型等各種檢測(cè)手段,將收集的各種信息匯報(bào)給中間層的區(qū)域管理器。各區(qū)域管理器對(duì)各自分管的子系統(tǒng)進(jìn)行不間斷的狀態(tài)監(jiān)控,它會(huì)對(duì)來自底層的各種故障信息進(jìn)行篩選分析等預(yù)處理,然后將處理之后的故障信息匯報(bào)給最高層的飛機(jī)平臺(tái)管理器。飛機(jī)平臺(tái)管理器對(duì)來自各個(gè)子系統(tǒng)的故障信息進(jìn)行最終的分析與處理,確認(rèn)并隔離真正的故障,同時(shí)記錄相關(guān)的故障信息供后期維護(hù)使用。為了更準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行確認(rèn)隔離,更高效地消除虛警,中間層的區(qū)域管理器和最高層的飛機(jī)平臺(tái)管理器,綜合使用了基于人工智能技術(shù)(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等)的推理、基于數(shù)據(jù)模型的推理、以及異常情況下的推理與預(yù)測(cè)等多種不同的推理技術(shù)。

根據(jù)評(píng)估,應(yīng)用自主式保障系統(tǒng)以及PHM技術(shù)后,不可復(fù)現(xiàn)故障發(fā)生的頻率能夠降低80%左右,故障的人力維修成本降低30%左右,飛機(jī)的后勤保障規(guī)模降低40%左右,同時(shí),能夠提升飛機(jī)的出勤率約25%。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之,PHM已經(jīng)成為國(guó)外新一代武器裝備研制的一項(xiàng)核心技術(shù),是未來降低復(fù)雜系統(tǒng)的生命周期費(fèi)用,以及提高系統(tǒng)“五性”(安全性、可靠性、測(cè)試性、維護(hù)性、保障性)的一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)前PHM技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以系統(tǒng)集成應(yīng)用為牽引,提高故障診斷與預(yù)測(cè)精度和擴(kuò)展健康監(jiān)控的應(yīng)用對(duì)象范圍,支持基于狀態(tài)的維修(CMB)與自主式保障(AL)等方面。

國(guó)內(nèi),研究還處于一個(gè)起步階段,從PHM提出到實(shí)現(xiàn)無疑還要做大量深入的理論研究和開發(fā)工作。

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韓春陽(yáng)，男，工程師，主要從事嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究、機(jī)載實(shí)時(shí)容錯(cuò)分布式系統(tǒng)的研究。

王寧，男，工程師，主要從事嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究、機(jī)載實(shí)時(shí)容錯(cuò)分布式系統(tǒng)的研究。