一種民機PHM頂層架構(gòu)仿真驗證平臺的設(shè)計和研究

(中航工業(yè)集團上海航空測控技術(shù)研究所 故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點實驗室，上海 201601)

0 引言

在民用航空領(lǐng)域中，大型客機實時健康監(jiān)控一般是通過機載設(shè)備來實現(xiàn)，飛機通過自身的監(jiān)控設(shè)備對飛機健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測，如地面人員不能及時得到飛行故障信息，對于飛行中特殊情況的應(yīng)急處理無法操作，嚴重影響飛行的安全性和資源的操控性。

為飛機訂制一套合理可行的健康管理系統(tǒng)，使航空公司的飛機維修和資源管理更全面、更完善，不僅能提高飛機的安全性、環(huán)保性，還可控制燃油成本、節(jié)約資源，是現(xiàn)代飛機發(fā)展中的重要內(nèi)容和迫切需求。然而面對民機不同架構(gòu)的PHM系統(tǒng)，需要選擇合適的評判準則來驗證，所以首要問題是選擇合適的仿真軟件和設(shè)備來搭建仿真驗證平臺。

文中基于燃油系統(tǒng)和客艙系統(tǒng)開發(fā)的一套民機PHM頂層架構(gòu)的仿真驗證平臺，提出民機不同PHM架構(gòu)，配置不同的機載系統(tǒng)和監(jiān)控參數(shù)，實現(xiàn)地面對機載數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，地面完成故障診斷與健康管理，然后根據(jù)評判準則(費效性和功能完整性)進行PHM架構(gòu)驗證，評判架構(gòu)是否具有合理性和可行性。

1 國內(nèi)外在民機PHM系統(tǒng)上的發(fā)展

1.1 國外民機PHM技術(shù)發(fā)展

20世紀90年代初期，國外在飛行數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入飛機故障預(yù)測與健康管理的概念和技術(shù)。經(jīng)過20多年的發(fā)展，已實現(xiàn)具備空地一體化、飛機實時診斷等特點的飛機維護支持系統(tǒng)。美國、歐洲的主要航空發(fā)達國家十分重視PHM的研究與應(yīng)用，PHM技術(shù)正朝著更加綜合化、信息化、標準化和智能化的方向發(fā)展[1]。

目前在國外已開發(fā)了相關(guān)PHM 設(shè)計軟件，進行PHM 的輔助設(shè)計和仿真分析，主要以下3種：

1)PHM DesignTM：PHM DesignTM 是由Impact-tec公司開發(fā)的一種創(chuàng)新的軟件工具，專門致力于設(shè)計，開發(fā)、評估和部署預(yù)測和健康管理(PHM)或基于狀態(tài)的維修(CBM)系統(tǒng)。PHM 的設(shè)計模型是構(gòu)造系統(tǒng)級設(shè)計布使用傳感器、算法(BIT，診斷和預(yù)測后)、失效模式、癥狀影響和維護任務(wù)，充分表現(xiàn)PHM 系統(tǒng)的功能。

2)MADe PHM：MADe PHM是PHMTechnology提供的一款PHM 輔助設(shè)計工具，用于工程師執(zhí)行或分析CBM、HUMS、診斷、健康管理和PHM 對于任務(wù)和安全關(guān)鍵系統(tǒng)的功能、作用。使用MADe 的系統(tǒng)模型和故障數(shù)據(jù)，MADe PHM 能使用戶為新的或遺留系統(tǒng)相結(jié)合傳感器集進行設(shè)計，比較每種設(shè)計下的財政和工程參數(shù)(如：費用、可靠性等)。

3)波音IVHM技術(shù)的發(fā)展：波音公司預(yù)研部門開發(fā)的IVHM技術(shù)可轉(zhuǎn)化為應(yīng)用到實際飛行中的成熟產(chǎn)品，其產(chǎn)品的重點是在于系統(tǒng)集成與信息集成[2]。 為實現(xiàn)這一目標，“鬼怪”工作室開發(fā)一個健康管理工程環(huán)境，包括項目分析與建模環(huán)境、開發(fā)環(huán)境和使用環(huán)境，這3個設(shè)計環(huán)境為波音公司IVHM項目開發(fā)提供了一組過程與工具，促進集成與完善IVHM所必需的各項關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 國內(nèi)在民機PHM系統(tǒng)上的發(fā)展

國內(nèi)自“十二五”以來，在飛機PHM領(lǐng)域已經(jīng)開展廣泛的研究，如飛機故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)(PHMS)、直升機健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)(HUMS)、遠程故障診斷系統(tǒng)等，并在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷技術(shù)研究等領(lǐng)域有了較大突破。

由于國內(nèi)民機發(fā)展比較晚，C919大飛機目前處于研制試飛階段，民航相關(guān)部門認識到研制民機PHM系統(tǒng)的重要性和緊迫性，組織國內(nèi)專家進行PHM的評估和驗證工作。

代京等人詳細描述NASA的 AHMS的驗證與評估測試環(huán)境和評估指標體系[3]，Impact公司的PHM驗證與評估虛擬測試臺、驗證與評估數(shù)據(jù)源和驗證與評估指標體系，波音公司的健康管理工程環(huán)境的項目分析與建模環(huán)境、開發(fā)環(huán)境、操作運行環(huán)境等國外研究情況，并針對國內(nèi)的開展PHM驗證與評價研究的提出了一些重要的建議。

馬寧等人針對機電液壓系統(tǒng)構(gòu)建了PHM仿真驗證框架結(jié)構(gòu)[4]，對基于混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測方法等關(guān)鍵技術(shù)展開研究，最后利用液壓泵殼體的虛擬仿真信號對算法進行了驗證。

吳明強等人分析了國內(nèi)外飛行器故障預(yù)測與健康管理集成工程環(huán)境研究[5]，提出了構(gòu)建PHM 的通用化支撐平臺和驗證環(huán)境的設(shè)計思路，詳細闡述了PHM開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境和驗證環(huán)境等功能模塊。

王志鵬等人提出了基于仿真試驗驗證技術(shù)的PHM演示驗證平臺的設(shè)計方法[6]、PHM系統(tǒng)評價技術(shù)和平臺架構(gòu)，用于對PHM產(chǎn)品的性能評價。

樊旭斌對國內(nèi)外PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了調(diào)研分析[7]，對通用PHM功能結(jié)構(gòu)進行了基于UML的建模，建立不同功能層的驚天數(shù)據(jù)模型，最后使用LabVIEW和MATLAB建模技術(shù)對旋轉(zhuǎn)接卸轉(zhuǎn)子的相關(guān)故障進行了模擬和驗證。

楊洲、景博等人從設(shè)計過程的角度分析了PHM驗證與評價中的不足[8]，并詳細闡述的3種驗證模式，包括基于分析評估的方法、基于仿真(全系統(tǒng)仿真和半實物仿真)的方法和基于試驗的方法，最后對現(xiàn)有性能評價指標進行了分類，給出了相應(yīng)的使用范圍。并指出這3種方法只有相互補充、相互驗證，才能構(gòu)成完善的驗證體系，確保AHMS的設(shè)計功能得以完全實現(xiàn)。

馬小駿等人介紹了C919大型客機的健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，劃分了功能模塊，分析了實現(xiàn)該系統(tǒng)的地面實時監(jiān)控技術(shù)、趨勢分析及預(yù)測方法、剩余壽命預(yù)測方法、故障診斷算法、維修決策方法以及系統(tǒng)研制仿真技術(shù)等6個關(guān)鍵技術(shù)和方法，并搭建了半物理仿真平臺[9]，驗證系統(tǒng)的功能。

1.3 民機PHM頂層架構(gòu)的仿真需求

民機PHM系統(tǒng)涉及范圍廣泛，包括機載、地面、航空公司、通信、客服等方面，頂層架構(gòu)仿真需要集成機載各子系統(tǒng)的功能[10]，根據(jù)民機PHM系統(tǒng)的特點，從使用、功能的角度進行劃分，民機PHM系統(tǒng)可分為5個部分：

1)機上PHM系統(tǒng)；

2)空地數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；

3)地面健康管理平臺；

4)航空公司的地面運營管理系統(tǒng)；

5)地面健康管理平臺/航空公司的地面運營管理系統(tǒng)-使用狀態(tài)實時監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

2 民機PHM頂層架構(gòu)仿真驗證設(shè)計過程

2.1 民機PHM頂層架構(gòu)的仿真系統(tǒng)組成

仿真驗證平臺由4臺仿真計算機和1臺打印機組成，4臺仿真計算機包括機載PHM仿真系統(tǒng)、地面健康管理仿真系統(tǒng)、配置管理系統(tǒng)及驗證仿真系統(tǒng)。機載PHM仿真系統(tǒng)主要包括仿真任務(wù)驅(qū)動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、維護模塊以及通訊模塊；地面PHM仿真系統(tǒng)包括實時監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、故障診斷、健康評估、機隊管理模塊等；配置管理計算機用于PHM頂層架構(gòu)選擇、機載子系統(tǒng)選擇，故障類型選擇等模塊；驗證仿真系統(tǒng)完成PHM頂層架構(gòu)評估驗證模塊。 仿真系統(tǒng)中各設(shè)備通過以太網(wǎng)和無線WIFI方式進行連接。

民機PHM仿真驗證系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 民機PHM頂層架構(gòu)仿真驗證平臺設(shè)計流程圖

2.2 機載PHM仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計

機載PHM仿真系統(tǒng)采用LabView和Matlab 兩款軟件作為主要開發(fā)工具，LabView用于界面的顯示以及各層靜態(tài)數(shù)據(jù)模型的搭建，Matlab用于算法，并集成到LabView 搭建的機載仿真框架中。

圖2為機載PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)圖，外部的CMC/IMA配置管理系統(tǒng)發(fā)送啟動指令使主程序框架內(nèi)的各個功能模塊開始運行，將航班配置和故障類型信息傳入空地通信模塊。在主程序運行的過程中，飛行狀態(tài)監(jiān)控模塊通過讀取飛行仿真數(shù)據(jù)實時地顯示飛行參數(shù)。同時，空地通信模塊每隔一秒鐘就給地面PHM系統(tǒng)發(fā)送事件&監(jiān)控&故障報文。如果出現(xiàn)故障，故障告警模塊根據(jù)空地通信模塊發(fā)送的故障碼顯示不同的故障類型。

圖2 機載PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

機載子系統(tǒng)選擇燃油系統(tǒng)和客艙系統(tǒng)為例進行仿真設(shè)計，圖3為機載子系統(tǒng)-多功能告警顯示器的仿真界面，仿真界面完成飛行信息顯示和告警信息顯示兩個功能，飛行信息信息顯示主要包括飛機強制顯示的參數(shù)，如飛行高度、飛行速度、俯仰角、左右發(fā)動機N1/N2、油溫EGT、油壓、日期和時間等。

圖3以仿真燃油系統(tǒng)的1#油箱的相關(guān)狀態(tài)告警為例，通過不同顏色區(qū)分告警信息的危險程度。同時仿真系統(tǒng)實時顯示故障碼，并通過故障報(ACMF)形式發(fā)送到地面PHM仿真系統(tǒng)。

圖3 機載仿真系統(tǒng)界面(燃油系統(tǒng))

2.3 地面PHM仿真系統(tǒng)設(shè)計

地面PHM系統(tǒng)提供與外部系統(tǒng)通信的接口，并管理各子模塊的應(yīng)用，其功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 地面PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

PHM地面系統(tǒng)軟件與外部交互主要通過數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)，數(shù)據(jù)通信模塊的功能是收發(fā)地面系統(tǒng)軟件與外界交互的信息，包括航班信息、飛參數(shù)據(jù)、故障信息及狀態(tài)評估信息等。

其中地面分析中與故障分析、維護保障系統(tǒng)相關(guān)的定義如表1所示。

表3 傳感器主要技術(shù)指標

地面PHM仿真平臺完成的功能包括實時監(jiān)控、地面分析、故障診斷和健康評估等功能，圖5是地面PHM仿真系統(tǒng)接收機載PHM各類數(shù)據(jù)報信息后，進行解析并實時顯示，實時監(jiān)控界面包括實時監(jiān)測飛機飛行狀態(tài)、燃油情況、故障信息等。

圖5 地面系統(tǒng)實時監(jiān)視系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)驗證設(shè)計

仿真驗證系統(tǒng)在功能和性能上采用多角度對PHM頂層架構(gòu)的評估，如信號采集、異常監(jiān)測、故障診斷、故障檢測率、隔離率、虛警率等，全面定量、定性對架構(gòu)進行評估。

3.1 系統(tǒng)驗證方法

PHM架構(gòu)驗證計算機主要包含以下幾方面功能：

1)接收地面數(shù)據(jù)：從地面監(jiān)控計算機接收監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括檢測到的飛機運行時的故障和地面分析評估的系統(tǒng)健康度；

2)統(tǒng)計分析：針對仿真運行數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計注入的故障激勵數(shù)據(jù)在實際運行中的結(jié)果，對運行數(shù)據(jù)進行收集和統(tǒng)計分析，得出故障檢測率、隔離率、虛警率等參數(shù)；

3)費效性評價：完成基于統(tǒng)計分析結(jié)果和基于PHM帶來的維修時間、維修成本、機隊簽派率等參數(shù)的分析得出維修時間/成本的減少量、簽派率提高帶來的運營收益等參數(shù)，按照給定的評價算法得出所選架構(gòu)設(shè)計的費效性結(jié)果。

圖6為PHM架構(gòu)評價模塊的功能架構(gòu)圖。

圖6 PHM架構(gòu)評價模塊的功能架構(gòu)圖

驗證評價系統(tǒng)接收地面PHM發(fā)送的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算出仿真系統(tǒng)故障檢測率、隔離率、虛警率等參數(shù)；基于統(tǒng)計分析結(jié)果和基于PHM帶來的維修時間、維修成本、機隊簽派率等參數(shù)的分析得出維修時間/成本的減少量、簽派率提高帶來的運營收益等參數(shù)，根據(jù)評價算法得出所選架構(gòu)設(shè)計的費效性結(jié)果。

3.2 費效性評價模塊設(shè)計

PHM系統(tǒng)費效性表征實現(xiàn)PHM系統(tǒng)故障診斷、預(yù)測和狀態(tài)健康管理能力節(jié)省的費用與實現(xiàn)PHM系統(tǒng)代價之間的權(quán)衡。其度量模型為：

式中,VTOTAL為PHM系統(tǒng)總技術(shù)價值，是所欲故障模式技術(shù)價值的總和；TV為針對某一個故障模式，采用PHM系統(tǒng)技術(shù)的技術(shù)價值；FM為故障模式數(shù)；Bcost為PHM系統(tǒng)實現(xiàn)代價。

根據(jù)任務(wù)計算機中PHM系統(tǒng)架構(gòu)的評價算法，開發(fā)評價軟件模塊。通過輸入給定PHM系統(tǒng)架構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)(加載可靠性、維修性和測試性等參數(shù)，如圖7)，評價軟件可以計算出每個系統(tǒng)的PHM費效比。

圖7 費效性分析數(shù)據(jù)輸入

3.3 系統(tǒng)評價結(jié)果

系統(tǒng)綜合各子系統(tǒng)的費效性，計算飛機級費效性，結(jié)合功能完整性，從而得出驗證結(jié)論(如圖8所示)。仿真驗證平臺以客艙子系統(tǒng)和燃油子系統(tǒng)為例，建立民機PHM頂層架構(gòu)仿真驗證平臺，構(gòu)建若干類型PHM頂層架構(gòu)，從費效性和功能完整性可驗證不同架構(gòu)的優(yōu)劣。

圖8 費效性分析結(jié)果

4 結(jié)束語

針對于民機PHM技術(shù)發(fā)展，文中提出一種民機PHM頂層架構(gòu)仿真驗證平臺的設(shè)計思路和方法。通過實驗表明，此仿真驗證平臺可完成民機PHM功能仿真，包括民機狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、健康評估、健康管理等功能，可實現(xiàn)對不同民機PHM架構(gòu)進行驗證評價，獲取更適合的飛機PHM頂層架構(gòu)。平臺下一步工作可通過航空公司或者飛機試飛院等部門，獲取民機的各子系統(tǒng)的參數(shù)、故障模式、以及歷史飛行數(shù)據(jù)等信息[11]，突破PHM關(guān)鍵技術(shù)研究，實現(xiàn)適合我國民用飛機的PHM體系結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用的目標。