民用飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)研究

王健

摘 要：飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于民用大型飛機(jī)上，美國(guó)波音公司以及歐洲空客公司均在其最新機(jī)型上使用了該技術(shù)。飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)能夠幫助航空公司實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)健康狀態(tài)，降低飛機(jī)維修成本，提高飛機(jī)運(yùn)營(yíng)效率。該文通過分析國(guó)內(nèi)外飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，提出了民用飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮，包括機(jī)上機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及地面支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)健康監(jiān)控 AHM 機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0098-02

在民用航空領(lǐng)域，飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控是通過機(jī)載電子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)載電子設(shè)備持續(xù)對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并將與飛機(jī)健康狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行分析處理，以保障飛機(jī)能夠正常運(yùn)營(yíng)和及時(shí)維修。

為提高航空公司的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)工作效率，優(yōu)化航空公司的維修模式，提升機(jī)型競(jìng)爭(zhēng)力，大力發(fā)展飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)是現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展中的重要研究?jī)?nèi)容和迫切需求。

1 飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展

自“十五”以來在軍用飛機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)對(duì)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，研制了飛機(jī)故障預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)（PHMS，Prognostic Health and Monitoring System）、直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS，Health and Using Monitoring System）、遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)等。目前在某型號(hào)直升機(jī)上，飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)已投入陸航部隊(duì)使用，該系統(tǒng)改變了以往直升機(jī)地面維修只依靠人工操作的現(xiàn)狀，使維修工作更加科學(xué)化、智能化。

在民用飛機(jī)領(lǐng)域，由于我國(guó)客機(jī)基本依靠進(jìn)口，故在健康實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)研究方面起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后。目前我們正處于大型客機(jī)的研制階段，對(duì)國(guó)外飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了跟蹤研究，正在建立適用于國(guó)產(chǎn)“大飛機(jī)”的飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)國(guó)外發(fā)展

20世紀(jì)90年代初期，國(guó)外在飛行數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了飛機(jī)健康監(jiān)控的概念和技術(shù)。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已發(fā)展出具備空地一體化、飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷等特點(diǎn)的飛機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)。目前，主要的航空技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家均十分重視該系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

歐洲Airbus公司的A400M 上的機(jī)載綜合監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)（AIMDS，Aircraft Integrated Monitoring and Diagnostic System）是從A380 客機(jī)上衍化而來，AIMDS能對(duì)飛機(jī)上每個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行集中控制，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助動(dòng)力裝置以及其它飛機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄和分析。除此之外，AIMDS可以選擇記錄飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷，包括過載、強(qiáng)行著陸和總的循環(huán)累計(jì)數(shù)，使用戶能跟蹤飛機(jī)疲勞方面的真實(shí)使用情況。

地勤人員可以使用便攜式維護(hù)訪問終端（PMAT，Portable Maintenance Access Terminal）通過飛機(jī)內(nèi)、外的接連點(diǎn)訪問機(jī)載綜合監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，查看并下載相關(guān)故障數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)還可下載到A400M地面支持工作站中進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)。A400M在執(zhí)行任務(wù)之前，可利用機(jī)載綜合監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)查詢機(jī)上各系統(tǒng)、設(shè)備的狀態(tài)趨勢(shì)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)出在未來的無維護(hù)使用周期（長(zhǎng)達(dá)l5天）內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)的故障，提前將“故障隱患”消除掉。對(duì)于某些故障，即便在運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)出現(xiàn)了故障，A400M也可以“帶故障”安全飛行，而將排故工作“推延”至該周期后再進(jìn)行。

美國(guó)Boeing公司已將健康管理技術(shù)應(yīng)用到B747、B777、B787等相關(guān)大型客機(jī)上。在最新的B787上，Boeing研制出飛機(jī)健康管理系統(tǒng)（AHM，Aircraft Health Management），AHM包含機(jī)上機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)（OMS，Onboard Maintenance System）以及地面健康管理系統(tǒng)，如圖1所示。

據(jù)波音的初步估計(jì)，通過使用AHM 可使航空公司節(jié)省約25%的因航班延誤而導(dǎo)致的費(fèi)用。此外AHM通過幫助航空公司識(shí)別重復(fù)出現(xiàn)的故障和發(fā)展趨勢(shì)持機(jī)隊(duì)長(zhǎng)期可靠性計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)。

另外，航空無線電通信公司（ARINC）也在與NASA蘭利研究中心合作，研制了與AHM類似的原型機(jī)系統(tǒng)——飛機(jī)狀態(tài)分析與管理系統(tǒng)，如圖2所示。飛機(jī)狀態(tài)分析與管理系統(tǒng)的功能已在B757飛機(jī)上成功地進(jìn)行了飛行試驗(yàn)演示驗(yàn)證。

3 民用飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮

現(xiàn)代大型客機(jī)均采用了機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)和地面支持系統(tǒng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)收集成員系統(tǒng)發(fā)出的維護(hù)信息并生成故障消息，同時(shí)機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)捕獲成員系統(tǒng)重要參數(shù)數(shù)據(jù)，飛行中通過飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS，Aircraft Communication Addressing and Reporting System）或無線WIFI將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，地面支持系統(tǒng)利用對(duì)接收的信息進(jìn)行處理、分析，為飛機(jī)航線維護(hù)和車間維護(hù)提供解決方案。

3.1 機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)

機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)主要包括中央維護(hù)計(jì)算功能和飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控功能。

3.1.1中央維護(hù)計(jì)算功能

按照飛機(jī)對(duì)成員系統(tǒng)的要求，成員系統(tǒng)應(yīng)具備故障檢測(cè)能力，將檢測(cè)到的故障數(shù)據(jù)報(bào)告給中央維護(hù)功能，中央維護(hù)功能通過故障模型分別對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生故障消息。

故障模型是一個(gè)獨(dú)立的可加載的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，是中央維護(hù)計(jì)算功能的核心部分。故障模型一般包括以下6個(gè)處理步驟。

（1）輸入處理：識(shí)別和標(biāo)注故障報(bào)告、駕駛艙故障效應(yīng)或離散信息中有效信息，濾除無效輸入信息，將有效信息輸入到下一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。駕駛艙故障效應(yīng)直接輸入到駕駛艙效應(yīng)和維護(hù)信息關(guān)聯(lián)的步驟進(jìn)行處理。

（2）抑制和特殊事件自檢：由于飛機(jī)在特定工作階段而錯(cuò)誤產(chǎn)生的故障信息，被認(rèn)定為虛假信息并進(jìn)行抑制，以免誤導(dǎo)維護(hù)人員；對(duì)于數(shù)據(jù)類輸入（非故障報(bào)告），將使用診斷規(guī)則中預(yù)先設(shè)置方法進(jìn)行處理，當(dāng)探測(cè)到故障，將被視為特殊事件，由故障處理模塊產(chǎn)生特殊事件故障報(bào)告并輸入到下一步進(jìn)行處理。

（3）連鎖效應(yīng)去除：所謂連鎖效應(yīng)引起的故障報(bào)告是指在某一個(gè)航段中同一時(shí)間，某個(gè)故障出現(xiàn)在設(shè)備鏈的第一級(jí)設(shè)備中，且多次報(bào)告。連鎖效應(yīng)去除利用預(yù)先設(shè)定好的診斷規(guī)則判斷該故障處在源設(shè)備還是下游設(shè)備，下游故障將被處理為無效故障，并進(jìn)行抑制。

（4）合并與隔離：對(duì)于一個(gè)故障引起的多次報(bào)告的處理，在同一系統(tǒng)內(nèi)部，采用連鎖效應(yīng)去除方法可實(shí)現(xiàn)，而在多個(gè)系統(tǒng)交聯(lián)狀態(tài)下，則需由合并和隔離方法來實(shí)現(xiàn)。

（5）駕駛艙故障效應(yīng)和維護(hù)信息關(guān)聯(lián)：故障處理模塊接收駕駛艙效應(yīng)和各種故障報(bào)告，并與維護(hù)信息相關(guān)聯(lián)。這樣維護(hù)人員可以按照維護(hù)信息去排除飛行過程中出現(xiàn)的故障。

（6）駕駛艙故障效應(yīng)和維護(hù)信息存儲(chǔ)：維護(hù)信息和相關(guān)事件在維護(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)（包括歷史數(shù)據(jù)）可以用來顯示或者報(bào)告。診斷規(guī)則定義了維護(hù)信息可存儲(chǔ)的飛行階段，存儲(chǔ)模塊將確定該階段是否可以進(jìn)行存儲(chǔ)。

波音公司的故障模型被稱為可加載診斷信息（LDI， Loadable Diagnostic Information），是波音公司利用霍尼韋爾公司研制的診斷模型開發(fā)工具“SAIFR”（System Aide for Integration and Fault Reporting）的工具獲取單個(gè)子系統(tǒng)故障響應(yīng)模型，然后SAIFR分析這些子系統(tǒng)模型，并確定與BITE不一致并予以修正。最后生成一個(gè)全機(jī)級(jí)故障診斷模型，用于全機(jī)故障診斷。

SAIFR采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)開放式接口，不同軟件模型可由供應(yīng)商負(fù)責(zé)技術(shù)開發(fā)，這種方式允許第三方供應(yīng)商將各自的技術(shù)融入故障診斷技術(shù)中，有利于技術(shù)的吸納和改進(jìn)。波音公司再對(duì)SAIFR包含的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析和修正并對(duì)涉及多個(gè)系統(tǒng)故障的隔離關(guān)系進(jìn)行定義，消除故障合并和故障級(jí)聯(lián)效應(yīng)，建立飛機(jī)級(jí)故障模型。

3.1.2飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控功能

飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控功能監(jiān)控和記錄與飛機(jī)維修、性能、故障定位、超限和趨勢(shì)等重要信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過邏輯分析，對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控功能產(chǎn)生ACARS報(bào)文，通過ACARS傳輸?shù)降孛?。這種方式對(duì)提高航班準(zhǔn)點(diǎn)率非常關(guān)鍵，因?yàn)楫?dāng)飛機(jī)仍在空中飛行時(shí)，就能將相關(guān)信息傳輸給地勤人員，從而延長(zhǎng)了其準(zhǔn)備的時(shí)間，例如通過提前3.5 h向地勤人員發(fā)出通知，使地面維修的可用時(shí)間從30 min延長(zhǎng)到4 h。

3.2 地面支持系統(tǒng)

地面支持系統(tǒng)應(yīng)具備通過有線和無線的方式與飛機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)飛機(jī)飛行中傳輸?shù)慕】禒顟B(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推理，在飛機(jī)沒有著陸之前，定位故障，預(yù)測(cè)飛機(jī)性能，以保證飛機(jī)的派遣率和經(jīng)濟(jì)性。

目前國(guó)外很多航空公司開發(fā)出具有管理整隊(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)的地面支持系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于大型客機(jī)上，其對(duì)于航空公司來說提高運(yùn)營(yíng)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本有極其重要的意義。該文通過分析國(guó)內(nèi)外飛機(jī)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的狀況，提出了民用飛機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] Gautham Ramohalli THE HONEYWELL ON-BOARD DIAGNOSTIC& MAINTENANCE SYSTEM FOR THE BOEING777， Honeywell ATSD Gautham Ramohalli，波音777機(jī)載診斷和維護(hù)系統(tǒng)，霍尼韋爾公司.

[2] ARINC624-1，DESIGN GUIDANCE FOR ONBOARD MAINTENANCE SYSTEM ARINC624-1，機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南.