航空裝備PHM技術(shù)發(fā)展及需求應(yīng)用分析

施小弟

摘要：本文介紹了航空裝備PHM技術(shù)的結(jié)構(gòu)組成，探討了PHM技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了航空裝備PHM技術(shù)發(fā)展需求，總結(jié)了航空裝備PHM技術(shù)發(fā)展所存在的難題，為學(xué)者研究航空裝備PHM技術(shù)提供部分研究方向。

關(guān)鍵詞：PHM；故障預(yù)測；健康管理

中圖分類號：TH165.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0211-02

眾所周知，故障診斷與健康管理技術(shù)（Prognostics and health management， PHM）作為航空裝備上的新一代測試與診斷技術(shù)，不僅能夠最大限度的保障航空裝備的運(yùn)行安全，完成既定任務(wù)，提高完成任務(wù)的能力，而且對于新型號的航空裝備適應(yīng)二級維修體制需要，減少全壽命周期維護(hù)費(fèi)用，具有重要的作用[1]。

隨著PHM技術(shù)的不斷深入研究與應(yīng)用，針對PHM技術(shù)中的多方向，均獲得了突破性的發(fā)展，并根據(jù)型號的發(fā)展，PHM技術(shù)在多種型號上得到了廣泛的應(yīng)用[2]。根據(jù)目前PHM技術(shù)的發(fā)展情況，國內(nèi)外眾多科研單位在較為成熟的故障診斷和健康管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對航空裝備PHM技術(shù)的功能需求和技術(shù)體系進(jìn)行擴(kuò)展研究，獲得了大量的具有實(shí)際效果的技術(shù)方法，如數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、健康評估技術(shù)、故障預(yù)測和系統(tǒng)集成等技術(shù)，從而大大提高了航空裝備PHM技術(shù)的應(yīng)用需求[3]。

1 航空裝備PHM技術(shù)

研究航空裝備PHM技術(shù)，其主要分為幾個(gè)步驟：（1）采用分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采集航空裝備各系統(tǒng)的性能狀態(tài)信息；（2）采用智能數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，對獲取到的信息進(jìn)行預(yù)處理，從而捕獲表征系統(tǒng)性能狀態(tài)的特征信息；（3）采用多類智能算法或技術(shù)來監(jiān)控和管理航空裝備的健康狀態(tài)，并對可能或即將發(fā)生的故障進(jìn)行檢測或者預(yù)測，最后得到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高的安全性能。PHM技術(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4]。

一般地，PHM技術(shù)按功能劃分，主要劃分為：傳感器采集系統(tǒng)、區(qū)域級管理系統(tǒng)、平臺級管理系統(tǒng)3個(gè)層次。各部分主要功能分析如下。

（1）傳感數(shù)據(jù)采集傳輸。傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要依據(jù)安裝在不同部位或系統(tǒng)上的傳感器，檢測和采集航空裝備中不同部件或系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效信息轉(zhuǎn)換以及信息傳輸?shù)萚5]。（2）信息處理與特征提取。航空裝備PHM技術(shù)區(qū)域級管理系統(tǒng)接受來自傳感器的信號輸入和原始數(shù)據(jù)信息，采用合適的信號處理算法對所接受到的原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，消除信號中的白噪聲或者雜質(zhì)信息的干擾，同時(shí)通過合適的信號處理方法，提取出這些數(shù)據(jù)的有效特征信息，如信號的頻譜、功率譜、特征值等，然后將它們傳輸?shù)胶罄m(xù)功能模塊中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷、故障預(yù)測、壽命預(yù)測及健康評估等功能[6]。（3）健康管理。健康管理功能模塊主要是接受來自傳感器數(shù)采模塊獲取到的原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊捕獲到的特征信息成分，依據(jù)健康評估、故障檢測等智能算法對系統(tǒng)進(jìn)行健康評估和故障診斷，從而來監(jiān)測系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)[7]。

2 PHM技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對PHM技術(shù)研究，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究，并且部分研究成果已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在具體型號上的應(yīng)用。國外早在上個(gè)世紀(jì)60年代，已開始了PHM技術(shù)的研究。從1961年以來，美國在執(zhí)行阿波羅太空計(jì)劃時(shí)發(fā)生了重要事故，因此，NASA和美國ONR主持開展了一系列對機(jī)械故障預(yù)防的研究性工作，這標(biāo)志著故障診斷的開端[8]。上世紀(jì)90年代，美國軍方在針對某具體型號的飛機(jī)計(jì)劃中正式系統(tǒng)地提出了PHM技術(shù)的概念。2000年，PHM技術(shù)被列入《軍用關(guān)鍵技術(shù)》報(bào)告[9]。英國首先將PHM技術(shù)應(yīng)用在直升機(jī)上，經(jīng)過英國各部門的研究，逐漸演變成為針對直升機(jī)這一飛行器的健康與使用健康系統(tǒng)（HUMS）。美國波音公司推出了以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的飛機(jī)健康管理模塊（AHM），已經(jīng)應(yīng)用于B777，B747-400、A320、A330等飛機(jī)上。

國內(nèi)的航空裝備PHM技術(shù)研究正處于起步階段，產(chǎn)品還無法達(dá)到工程化應(yīng)用程度。時(shí)旺、孫宇鋒等人提出了一種基于擴(kuò)展FMEA的PHM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，引入模糊綜合評判方法建立了飛機(jī)起落架系統(tǒng)的故障預(yù)測模型。呂琛等人從體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用功能兩方面進(jìn)行了初步健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證中缺少設(shè)計(jì)要求驗(yàn)證技術(shù)的問題，提出了設(shè)計(jì)要求的方法和程序，以及用于健康管理系統(tǒng)的診斷與預(yù)測算法性能度量方法，并設(shè)計(jì)了飛行器PHM系統(tǒng)演示驗(yàn)證平臺。張莉、袁海文采用Multi-agent技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)飛機(jī)電源故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。

綜上，國外已在PHM技術(shù)研究的過程中，開展了大量的工程應(yīng)用性研究，部分研究成果已經(jīng)能夠應(yīng)用到具體型號上。與國外相比，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究僅處于起步階段，多數(shù)技術(shù)無法應(yīng)用到具體型號上。

3 航空裝備PHM技術(shù)發(fā)展需求

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)往往集多種復(fù)雜系統(tǒng)和高新技術(shù)于一體，性能不斷提高，功能不斷完善。但是也導(dǎo)致了飛機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備愈趨復(fù)雜，測試和診斷愈趨困難，給飛機(jī)的維護(hù)保障和使用安全帶來嚴(yán)重的問題。由于缺少綜合的系統(tǒng)診斷和預(yù)測能力，現(xiàn)役飛機(jī)在使用中普遍存在虛警率高、不能復(fù)現(xiàn)（CND）和重測合格（RTOK）等問題，導(dǎo)致其故障診斷工時(shí)和平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）過長，測試設(shè)備種類繁雜、計(jì)劃維修次數(shù)過多，從而使飛機(jī)使用保障費(fèi)用高、維修人力不足、使用完好性較差，影響了飛機(jī)的再次出動能力。

當(dāng)前，隨著我國航空裝備的大力發(fā)展，對飛機(jī)的可靠性、安全性、測試性、維修性和保障性提出了很高的要求，同時(shí)也突顯出型號工程研制對飛機(jī)PHM技術(shù)發(fā)展的重要意義。隨著越來越多的新型號工程研制的開展，強(qiáng)有力的需求牽引將極大地促進(jìn)飛機(jī)PHM技術(shù)的應(yīng)用研究逐步走向深入。

4 航空裝備PHM技術(shù)發(fā)展存在的幾點(diǎn)問題

當(dāng)前國內(nèi)外開展航空裝備PHM技術(shù)研究的單位或機(jī)構(gòu)較多，并取得了一定的成就，但研究成果沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的平臺，PHM技術(shù)研究成果無法同步滿足新型航空裝備安全性和維修保障要求。現(xiàn)有的PHM技術(shù)常常只是針對某個(gè)特定的系統(tǒng)而言是有效的，不具有普適性。同時(shí)，由于受到傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)的影響，現(xiàn)有PHM技術(shù)本身也存在諸多局限，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）現(xiàn)有PHM技術(shù)，對健康評估的研究不夠深入，對系統(tǒng)的故障預(yù)測及健康管理技術(shù)的研究較少。（2）目前PHM故障診斷率不高。由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性難以了解系統(tǒng)的內(nèi)部故障機(jī)理，導(dǎo)致無法建立其準(zhǔn)確的故障樹；再加上早期故障特征表現(xiàn)不明顯，測點(diǎn)有限或不可及的情況下使得獲取的信息常常是不完備。（3）現(xiàn)有預(yù)測技術(shù)具有較大的不確定性。不確定性是故障預(yù)測的固有屬性，它主要來源于兩方面：一方面是對象故障機(jī)理本身就是一個(gè)隨機(jī)過程，另一方面預(yù)測過程本身產(chǎn)生的誤差。（4）缺乏客觀性。由于系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中存在了“人為”的因素，而且故障現(xiàn)象、部位和原因之間的關(guān)系非常復(fù)雜，導(dǎo)致得到的故障狀態(tài)信息不能充分反映系統(tǒng)本身的運(yùn)行情況。

5 結(jié)語

從國內(nèi)外PHM技術(shù)研究的發(fā)展趨勢可以看出，PHM技術(shù)正在成為新一代的飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)重要組成部分，也是新一代戰(zhàn)斗機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)作戰(zhàn)飛機(jī)的重要標(biāo)志，大力開展PHM技術(shù)的研究，解決目前制約航空裝備PHM技術(shù)的各種技術(shù)瓶頸，提升航空裝備技術(shù)的可靠性，為其他武器裝備的診斷、監(jiān)測及管理提供技術(shù)支撐。

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Abstract：This paper introduces the structure of PHM technology for aeronautical equipment， discusses the research status of PHM technology at home and abroad， analyzes the development requirements of PHM technology for aviation equipment， summarizes the problems existing in the development of aviation equipment PHM technology， and provides some research directions for scholars to study the PHM technology of Aeronautical equipment.

Key words：PHM； failure prediction； health management