飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)PHM技術(shù)方案研究

王景霖，林澤力，鄭　國， 何　泳

（1.故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海　201601；2.上海航空測控技術(shù)研究所，上?！?01601）

飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)PHM技術(shù)方案研究

王景霖1，2，林澤力1，2，鄭國2， 何泳1

（1.故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201601；2.上海航空測控技術(shù)研究所，上海201601）

針對目前飛機(jī)PH M系統(tǒng)難以精確設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸，并為了滿足提高飛機(jī)故障診斷與健康管理技術(shù)能力的目標(biāo)要求，文章在大量調(diào)研并參考國內(nèi)外飛機(jī)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)針對PH M設(shè)計(jì)的特殊背景，通過對飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行了深入分析與研究，提出了一種針對飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)PHM總體方案架構(gòu)思想；文章給出了機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路及機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設(shè)計(jì)，開展機(jī)電系統(tǒng)aFMECA分析，明確了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想、功能和組成，并著重論述了各主要功能模塊的設(shè)計(jì)方案，最后形成了飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)PHM技術(shù)方案，對于促進(jìn)國內(nèi)PHM技術(shù)的發(fā)展具有重要作用，同時也為其他武器裝備的PH M技術(shù)的研究具有一定的指導(dǎo)作用。

飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)；故障診斷；區(qū)域級；PHM

0　引言

隨著對飛機(jī)系統(tǒng)可靠性要求越來越高，飛機(jī)預(yù)測與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術(shù)的研究越來越受到人們的歡迎。飛機(jī)PHM技術(shù)綜合采用各種信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等領(lǐng)域的技術(shù)手段，對飛機(jī)進(jìn)行故障診斷與健康管理，以強(qiáng)大的測試與診斷能力及非常低的虛警率確保飛機(jī)完成各種既定任務(wù)或者以最短的時間完成各種任務(wù)準(zhǔn)備［1］。

飛機(jī)PHM技術(shù)不僅具有各種故障診斷、預(yù)測、及監(jiān)測等功能，而且其還能結(jié)合智能信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自主綜合保障［2］。據(jù)美國聯(lián)邦 （FAA）和國家運(yùn)輸委員會 （NTSB）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在飛機(jī)上應(yīng)用故障診斷與健康管理技術(shù)，可顯著提高飛機(jī)的架次出動率，極大提升飛機(jī)的使用效能和完成既定任務(wù)的能力，減少地面維護(hù)和修理的停機(jī)時間，節(jié)約維修費(fèi)用［3］。

1　機(jī)電系統(tǒng)PHM設(shè)計(jì)總要求

以飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)為例，開展機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器架構(gòu)設(shè)計(jì)，建立機(jī)電系統(tǒng)區(qū)域管理器設(shè)計(jì)方法。

1.1功能要求

機(jī)電系統(tǒng)區(qū)域管理器接收成員系統(tǒng)信息，在機(jī)電系統(tǒng)層次上進(jìn)一步綜合診斷分析成員系統(tǒng)診斷結(jié)果，得出系統(tǒng)的工作狀態(tài)及故障對系統(tǒng)功能影響程度，發(fā)送相關(guān)信息給飛機(jī)級管理器進(jìn)行全機(jī)診斷決策，主要實(shí)現(xiàn)。

1）成員系統(tǒng)診斷綜合、集成：

集成成員系統(tǒng)診斷模型，實(shí)現(xiàn)對成員系統(tǒng)的故障診斷。2）系統(tǒng)關(guān)聯(lián)診斷分析：

解決因飛機(jī)其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)的變化或機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部成員之間的相互影響引起的成員系統(tǒng)故障的誤判。

3）系統(tǒng)健康評估及信息管理：

對成員級給出的故障信息進(jìn)行管理，根據(jù)綜合診斷分析的結(jié)果，去除誤報的故障信息；根據(jù)診斷結(jié)果評估系統(tǒng)當(dāng)前何種健康狀態(tài)，綜合給出當(dāng)前狀態(tài)對系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的影響分析結(jié)果［4］。

1.2機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)電系統(tǒng)通常由十一個成員系統(tǒng)組成，分別為液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、環(huán)控與熱管理系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、機(jī)外照明系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)、座艙蓋系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、武器艙門驅(qū)動系統(tǒng)以及生命保障供氣系統(tǒng)［5］，同時機(jī)電系統(tǒng)與飛機(jī)附件機(jī)匣有著緊密的聯(lián)系（飛機(jī)附件機(jī)匣通過液壓泵、燃油增壓泵、交流發(fā)電機(jī)、回油泵以及燃?xì)鉁u輪起動機(jī)傳動與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)），機(jī)電系統(tǒng)組成見圖1。

圖1　機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器結(jié)構(gòu)

2.1OSA-CBM體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的ISO-13374狀態(tài)監(jiān)視指南，綜合監(jiān)視系統(tǒng)的功能由6個功能模塊組成（見圖2），分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、健康評估、預(yù)測評估、咨詢生成，執(zhí)行該指南的一個范例為基于狀態(tài)維修的開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) （OSA-CBM）［6］，結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖2　綜合監(jiān)視系統(tǒng)功能模塊

圖3　OSA-CBM結(jié)構(gòu)圖

飛機(jī)系統(tǒng)PHM中成員系統(tǒng)、區(qū)域管理器、飛機(jī)管理器之間的關(guān)系。

2.2接口關(guān)系

飛機(jī)PH M成員系統(tǒng)、區(qū)域管理器以及飛機(jī)管理器的接口交聯(lián)關(guān)系見圖4（以機(jī)電系統(tǒng)為例）。

圖4　飛機(jī)PH M系統(tǒng)各級交聯(lián)關(guān)系

機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器與機(jī)電綜合管理系統(tǒng)交聯(lián)；機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器接收飛機(jī)管理系統(tǒng)區(qū)域管理器傳來的飛機(jī)工作狀態(tài)信息，發(fā)送健康評估信息給飛機(jī)管理系統(tǒng)區(qū)域管理器，為飛機(jī)級綜合決策提供依據(jù)［7］。機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5　機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器結(jié)構(gòu)

機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器由三大模塊組成，分別是成員系統(tǒng)診斷綜合集成模塊、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)診斷分析模塊以及系統(tǒng)健康評估及信息管理模塊。

3　機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設(shè)計(jì)

機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設(shè)計(jì)實(shí)施流程見圖6。主要分為以下幾個步驟。

圖6　機(jī)電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設(shè)計(jì)實(shí)施流程

1）機(jī)電系統(tǒng)建模：根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)的工作機(jī)理和形成機(jī)制，構(gòu)建機(jī)電系統(tǒng)模型；

2）完成機(jī)電系統(tǒng)aFMECA分析；

3）建立機(jī)電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)及影響知識庫；

4）完成軟件的接口設(shè)計(jì)工作，如系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)接口等；

5）完成機(jī)電系統(tǒng)綜合診斷及功能評估軟件設(shè)計(jì)工作，主要實(shí)現(xiàn)各種推理機(jī)的設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則的設(shè)計(jì)以及建立機(jī)電系統(tǒng)功能影響規(guī)則；

6）在完成以上工作的基礎(chǔ)上，還要對機(jī)電系統(tǒng)aFME-CA分析、接口軟件設(shè)計(jì)及機(jī)電系統(tǒng)綜合診斷及功能評估軟件設(shè)計(jì)等在仿真環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1系統(tǒng)功能建模

分析飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)中的各成員系統(tǒng)的組成以及各成員系統(tǒng)間的功能依存關(guān)系，建立起機(jī)電系統(tǒng)的功能模型（見圖7）。

圖7　機(jī)電系統(tǒng)成員系統(tǒng)功能建模分析

3.2開展機(jī)電系統(tǒng)aFMECA分析

在機(jī)電系統(tǒng)功能建模的基礎(chǔ)上開展aFMECA（擴(kuò)展的故障模式影響、危害度分析），即在傳統(tǒng)的aFMECA之外，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、預(yù)測和健康管理的需要，分別對傳感器采集策略、監(jiān)測參數(shù)、故障征兆信號等相關(guān)信息進(jìn)行全面分析。aMECA表需要描述故障征兆與故障模式及其影響、應(yīng)測參數(shù)、應(yīng)布傳感器及其采集策略之間的大部分因果聯(lián)系，并將上述關(guān)聯(lián)因素之間的映射關(guān)系鏈以表格的形式 （如表1）表達(dá)出來。aFMECA表的建立是做好PH M的基礎(chǔ)，需要大量的歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)支持。根據(jù)各子系統(tǒng)aFMECA結(jié)果，基于共有的監(jiān)測參數(shù)及機(jī)電系統(tǒng)功能模型，找出因果關(guān)系中的上下位對象，從而確定機(jī)電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析的子系統(tǒng)對象。并將于關(guān)聯(lián)分析相關(guān)的故障模式、故障原因、監(jiān)測參數(shù)、關(guān)聯(lián)關(guān)系等信息反映在機(jī)電系統(tǒng)aFMECA表（見表2）中。

表1　子系統(tǒng)aFMECA分析表

表2　機(jī)電系統(tǒng)aFMECA分析表

3.3機(jī)電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析

在機(jī)電系統(tǒng)aFMECA分析的基礎(chǔ)上，分析成員系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)與外部因素（發(fā)動機(jī)、飛行狀態(tài)）的關(guān)系，采用多變量回歸分析建立起各監(jiān)測參數(shù)與外部因素的關(guān)系模型，明確監(jiān)測參數(shù)隨外部因素的變化規(guī)律。

3.4建立成員系統(tǒng)關(guān)聯(lián)及功能影響知識庫

根據(jù)aFMECA分析結(jié)果，建立機(jī)電系統(tǒng)成員系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)知識庫。關(guān)聯(lián)知識庫的主要內(nèi)容為：

1）機(jī)電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)的功能關(guān)聯(lián) （相互聯(lián)系、因果）；

2）機(jī)電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)之間部件的關(guān)聯(lián)；

3）機(jī)電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)的關(guān)聯(lián)（相互聯(lián)系、因果）；

4）機(jī)電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)功能故障下監(jiān)測參數(shù)的關(guān)聯(lián) （相互聯(lián)系、因果）；

5）機(jī)電系統(tǒng)故障狀態(tài)、監(jiān)測參數(shù)與系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)水平的關(guān)系。

3.5機(jī)電系統(tǒng)故障綜合診斷及功能影響分析（基于規(guī)則的推理機(jī)）

1）基于規(guī)則的推理機(jī)設(shè)計(jì)：

基于規(guī)則的推理機(jī)主要與知識庫一起進(jìn)行診斷工作，在推理機(jī)中，領(lǐng)域知識被提取到規(guī)則集，由知識庫管理，系統(tǒng)使用這些規(guī)則和工作中的內(nèi)存信息來求解問題，當(dāng)規(guī)則的IF部分與工作內(nèi)存中的信息相匹配時，系統(tǒng)執(zhí)行規(guī)則THEN部分所指定的行為，判斷出出現(xiàn)何種故障。

2）關(guān)聯(lián)分析規(guī)則的設(shè)計(jì)：

在關(guān)聯(lián)分析中關(guān)鍵的是關(guān)聯(lián)規(guī)則的建立，方案中根據(jù)aFMECA分析結(jié)果和機(jī)電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)知識庫內(nèi)容建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

3）機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)分析規(guī)則：

設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)分析規(guī)則，解決機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部成員系統(tǒng)之間的相互影響而引起的成員系統(tǒng)故障誤判的問題。

4）機(jī)電系統(tǒng)與外系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析規(guī)則：

設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)與外系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析規(guī)則，解決因飛機(jī)其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)的變化引起的成員系統(tǒng)故障的誤判問題。

5）機(jī)電系統(tǒng)故障對功能影響分析規(guī)則設(shè)計(jì)：

設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)功能影響分析規(guī)則，實(shí)現(xiàn)根據(jù)綜合診斷分析的結(jié)果對機(jī)電系統(tǒng)功能的影響評估，給出對機(jī)電系統(tǒng)功能影響結(jié)果。

6）診斷分析流程：

診斷分析的流程如圖8所示。

圖8　診斷分析流程

4　結(jié)論

本文在對國內(nèi)飛機(jī)PH M系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考資料進(jìn)行調(diào)研與深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外飛機(jī)PH M系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)為具體研究對象，開展了飛機(jī)PHM系統(tǒng)區(qū)域管理器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案研究，及系統(tǒng)功能模塊研究等，在此基礎(chǔ)上，提出了飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)PHM總體可行性方案，并詳細(xì)講述了各主要功能模塊的設(shè)計(jì)方法。因此，通過本文中相關(guān)技術(shù)的研究，飛機(jī)PHM系統(tǒng)在未來的發(fā)展中，隨著各種先進(jìn)算法的研究與發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時故障診斷、預(yù)測以及健康管理等活動，從而實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的自主綜合和保障活動，提高飛機(jī)的完成既定任務(wù)的能力。

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Research on PHM Technology for Aircraft Electrical and Mechanical System

Wang Jinglin1，2，Lin Zeli1，2，Zheng Guo2，He Yong1
（1.Key Lab.of Aviation Fault Diagnosis and Health Management Technology，Shanghai201601，China；2.AVIC Shanghai Aero Measurement&Control Technology Research Institute，Shanghai201601，China）

Aiming at the technical bottleneck of the PH M system，which is difficult to be accurately designed，and to meet the requirements of improving the technical capability of aircraft fault diagnosis and health management.In this paper，based on a large number of research and reference to the domestic and foreign aircraft PH M system design experience，combined with the specific background of domestic PHM design.Through in-depth analysis and Research on the mechanical and electrical system of the aircraft，a new method for the PHM system of the aircraft mechanical and electrical system is proposed.In this paper，the design idea of the structure of mechanical and electrical system PHM and the design of the mechanical and electrical system PH M is presented.The aFMECA analysis of the mechanical and electrical system is carried out.The guiding ideology，function and composition of the system are defined，and the design scheme of the main functional modules is discussed.At last，the PH M technology scheme of the electromechanical system is formed，which has important function for promoting the development of PH M technology in China，and it has some guidance for the research of PHM technology.

mechanical electronic system of aircraft；fault diagnosis；regional level；PH M

1671-4598（2016）05-0163-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.047

TP277

A

2015-10-08；

2015-12-04。

王景霖（1984-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事飛行器智能維護(hù)方向的研究。