航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)

吳云鋒 陳潔

摘要：當(dāng)前，隨著航空系統(tǒng)的發(fā)展，其復(fù)雜性和智能化程度逐漸提升，集合程度、融合程度也隨之提高，但隨著而來(lái)的維護(hù)成本也水漲船高。另外，各部分的組成相互影響程度也不斷增加，航空機(jī)電產(chǎn)品故障率也居高不下。針對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品的在穩(wěn)定、可靠和安全等方面的特殊要求，故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)也受到了越來(lái)越多的重視和研究，逐漸成為航空機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)中的核心技術(shù)之一。本文主要介紹了故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的發(fā)展，分析了航空機(jī)電產(chǎn)品中故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的應(yīng)用，期望能夠?yàn)楹娇諜C(jī)電產(chǎn)品故障的預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的發(fā)展提供參考和借鑒，促進(jìn)航空運(yùn)行的安全、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：航空機(jī)電產(chǎn)品;故障預(yù)測(cè);健康管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）31-0234-02

故障檢測(cè)和健康管理技術(shù)的主要功能是對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和狀態(tài)的預(yù)測(cè)，主要包括剩余壽命和故障預(yù)測(cè)等。大量的研究和實(shí)踐表明，故障預(yù)測(cè)和健康管理能夠降低維護(hù)成本，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，確保設(shè)備穩(wěn)定、安全完成任務(wù)。本文即針對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)開(kāi)展了探討，期望能夠?yàn)楹娇諜C(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供有益的參考和借鑒。

1故障預(yù)測(cè)和健康管理的含義

國(guó)內(nèi)外關(guān)于故障預(yù)測(cè)和健康管理（Prognostics and HealthManagement，PHM）的研究很多，但關(guān)于其概念還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，在PHM中容易混淆的概念有以下幾對(duì)：

一是損傷和退化。損傷和退化都能夠用于描述電子設(shè)備的非正常的狀態(tài)，但損傷多描述的是器件、電路等設(shè)備的物理?yè)p壞程度，而退化多用于描述器件、電路等設(shè)備的能力衰退程度?？梢?jiàn)，從一定意義上講電子設(shè)備的損傷可能是導(dǎo)致設(shè)備退化的原因。

二是故障預(yù)測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)。它們都能夠描述設(shè)備的健康狀態(tài)的未來(lái)變化。但故障預(yù)測(cè)是指以歷史數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)某個(gè)特定故障的演化進(jìn)行的推測(cè)，以預(yù)測(cè)這一故障的發(fā)生時(shí)間，而剩余壽命預(yù)測(cè)是指以歷史數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用相應(yīng)的壽命預(yù)報(bào)模型對(duì)設(shè)備的剩余使用壽命進(jìn)行的確定。可以看出，故障預(yù)測(cè)的對(duì)象是特定的故障，而剩余使用壽命的預(yù)測(cè)對(duì)象是設(shè)備本身，前者是局部，后者是整體。

三是損傷狀態(tài)、退化狀態(tài)、健康狀態(tài)和使用狀態(tài)。在PHM中，狀態(tài)一詞十分常見(jiàn)，主要有損傷狀態(tài)、退化狀態(tài)、健康狀態(tài)和使用狀態(tài)等。通過(guò)前文對(duì)“損傷”和“退化”兩個(gè)屬于的解釋我們能夠很清晰地分辨損傷狀態(tài)和退化狀態(tài)的不同，損傷狀態(tài)是指設(shè)備物理層面的損壞程度，退化狀態(tài)是設(shè)備物理層面某功能的衰退程度。一般來(lái)說(shuō)，電子設(shè)備的退化狀態(tài)越多，健康狀態(tài)就越差。

2航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)的模式

1）航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)的建設(shè)理念

在航空機(jī)電產(chǎn)品中，輔助動(dòng)力系統(tǒng)的性能衰退是一種常見(jiàn)的故障。轉(zhuǎn)速、排氣溫度等能夠引起動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的變化，然后就可以根據(jù)參數(shù)的變化對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷。完整PHM模型的建立包括傳感器數(shù)據(jù)采集模型、數(shù)據(jù)預(yù)處理模型、健康狀態(tài)預(yù)報(bào)模型等。

2）特征提取模型

當(dāng)前，常用小波變換提取信息，其能夠細(xì)化被測(cè)信號(hào)的頻率成分，并能夠提取到游泳頻率。在小波變化的提取過(guò)程中通常能夠根據(jù)信號(hào)的任意細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)，以提高分辨率。

3）健康預(yù)測(cè)和診斷系統(tǒng)

健康預(yù)測(cè)和診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率應(yīng)使用集成形式提升，同時(shí)也能夠讓各個(gè)模塊都能夠共享信息，使整個(gè)系統(tǒng)能夠得到益處。輔助動(dòng)力系統(tǒng)的健康預(yù)測(cè)和診斷系統(tǒng)能夠通過(guò)集成的形式滿(mǎn)足不同功能、不同配置體系的要求。由于輔助動(dòng)力系統(tǒng)使用的是全數(shù)字電子控制系統(tǒng)，其健康預(yù)測(cè)和診斷系統(tǒng)也與數(shù)字電控系統(tǒng)的關(guān)系緊密聯(lián)系，多數(shù)參數(shù)也是相同的。兩者的不同在于，健康預(yù)測(cè)和診斷系統(tǒng)對(duì)超限的檢測(cè)多以向機(jī)組和地勤人員告警的方式進(jìn)行，而數(shù)字電控系統(tǒng)則是以輔助動(dòng)力系統(tǒng)的健康狀態(tài)為依據(jù)對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，以降低異常狀態(tài)的影響，保障工作的穩(wěn)定性。

4）健康狀態(tài)預(yù)報(bào)和剩余壽命預(yù)測(cè)

健康狀態(tài)預(yù)報(bào)和剩余壽命預(yù)測(cè)應(yīng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的健康狀態(tài)進(jìn)行劃分歸類(lèi)，并以正常與否、性能狀態(tài)等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，并通過(guò)特征提取的方式對(duì)狀態(tài)的進(jìn)行識(shí)別。通常將其劃分為以模型為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)法、以知識(shí)為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)法、以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)法。其中，以模型為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)通過(guò)輔助動(dòng)力系統(tǒng)中的數(shù)字模型和部件實(shí)效模型為基礎(chǔ);以知識(shí)為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)法對(duì)精確數(shù)學(xué)模型的要求不高;以數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)就不需要數(shù)學(xué)模型和物理模型。

5）輔助動(dòng)力系統(tǒng)的故障與壽命的預(yù)測(cè)過(guò)程

常規(guī)來(lái)講，預(yù)測(cè)的主要步驟主要分三步：一是將HMM的參數(shù)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)參數(shù);第二是在HMM中的參數(shù)估計(jì)中轉(zhuǎn)換為概率密度函數(shù)，然后計(jì)算平均值和偏差;第三步是通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析健康狀態(tài);第四步是通過(guò)迭代運(yùn)算對(duì)剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中，應(yīng)充分重視輔助動(dòng)力健康預(yù)測(cè)和診斷數(shù)據(jù)的重要性，全面提升輔助動(dòng)力系統(tǒng)的監(jiān)視、診斷等功能，以實(shí)現(xiàn)效益最大化。

3航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理面臨的挑戰(zhàn)和對(duì)策

1）航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理中面對(duì)的主要挑戰(zhàn)

第一，機(jī)電產(chǎn)品的健康損耗的規(guī)律不明確。機(jī)電產(chǎn)品中有大量的電子元器件，受工作環(huán)境和工作應(yīng)力的影響，其健康退化機(jī)理也千差萬(wàn)別，而多數(shù)退化或?qū)嵭Ｐ瓦€不完善，它們很難進(jìn)行定量和準(zhǔn)確描述，健康損耗規(guī)律也難以掌握，同時(shí)也導(dǎo)致PHM技術(shù)發(fā)展緩慢。

第二，機(jī)電產(chǎn)品的健康狀態(tài)的表征難度大。機(jī)電設(shè)備由電路板、功能電路等組合而成，其健康狀態(tài)是由這些層級(jí)綜合反映出來(lái)的。當(dāng)前，多數(shù)電子元器件的退化的征兆狠不明顯，進(jìn)而也導(dǎo)致機(jī)電產(chǎn)品功能電路、電路板的退化也很難直接觀測(cè)到。而當(dāng)機(jī)電產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)，其電信號(hào)的變化也很突然，間隔時(shí)間短，因此，電子設(shè)備的故障被分為突發(fā)性故障，預(yù)測(cè)難度大。當(dāng)前，關(guān)于電子設(shè)備故障的發(fā)生還沒(méi)有明確的外在征兆，表征難度極大。

第三，機(jī)電產(chǎn)品PHM特征參數(shù)獲取難度高。當(dāng)前，機(jī)電產(chǎn)品復(fù)雜程度和密集程度越來(lái)越高，但其在設(shè)計(jì)過(guò)程中很少考慮機(jī)電產(chǎn)品的PHM需求，沒(méi)有預(yù)測(cè)特征參數(shù)的測(cè)試接口，使產(chǎn)品中能夠用于PHM中的參數(shù)很難被獲取。

第四，機(jī)電產(chǎn)品故障發(fā)生的隨機(jī)性強(qiáng)。機(jī)電產(chǎn)品元器件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中也有很多缺陷，同時(shí)在復(fù)雜的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力下，機(jī)電產(chǎn)品的各種缺陷也被激發(fā)，所發(fā)生的故障的隨機(jī)性也較強(qiáng)，這也導(dǎo)致了設(shè)備從健康到退化的隨機(jī)性。

2）航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理的提升對(duì)策

針對(duì)上述機(jī)電產(chǎn)品面對(duì)的挑戰(zhàn)，同時(shí)結(jié)合機(jī)電產(chǎn)品的特點(diǎn)和前沿研究成果，本文提出了一下對(duì)策。

針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品健康損耗規(guī)律不明確、健康狀態(tài)表征難度大的問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)一步挖掘和觀測(cè)能夠反映電子設(shè)備退化的特征，并以其為基礎(chǔ)研究電子設(shè)備的健康損耗規(guī)律和表征技術(shù)。近年的研究成果表明，電子設(shè)備的間歇故障特征能夠較好地表征電子設(shè)備的健康狀態(tài)。對(duì)PHM特征參數(shù)獲取難度高的問(wèn)題，應(yīng)在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)充分考慮PHM對(duì)參數(shù)的要求。針對(duì)當(dāng)前航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的發(fā)展需求，以PHM為基礎(chǔ)的復(fù)雜電子設(shè)備測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)有利于解決PHM對(duì)特征參數(shù)的問(wèn)題。針對(duì)機(jī)電設(shè)備故障發(fā)生隨機(jī)性大的問(wèn)題，不僅要提高機(jī)電產(chǎn)品的可靠性，避免設(shè)計(jì)和制造缺陷的產(chǎn)生，而且還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注間歇故障特征，全面分析狀態(tài)信息、環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力等綜合評(píng)估機(jī)電產(chǎn)品的健康狀態(tài)。但不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為間歇故障的次數(shù)越多退化就越嚴(yán)重。

4結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)具有穩(wěn)定、安全、可靠等的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在航空機(jī)電產(chǎn)品的狀態(tài)維護(hù)方面發(fā)揮了重要作用，已成為應(yīng)用廣泛的軍民航空維護(hù)技術(shù)之一。但其技術(shù)還面對(duì)著諸多挑戰(zhàn)，如耗損規(guī)律不明確、PHM特征難度表征難度大、故障發(fā)生隨機(jī)強(qiáng)等，因此，應(yīng)加強(qiáng)研究，積極開(kāi)發(fā)面相PHM的機(jī)電產(chǎn)品，進(jìn)一步發(fā)揮PHM的作用，保障航空機(jī)電產(chǎn)品穩(wěn)定性、安全性。