航空設(shè)備故障預(yù)測與管理研究

喻甲其，韓娟，劉坤

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610091）

進(jìn)入新的發(fā)展時期，現(xiàn)代武器裝備整體上朝著智能化的趨勢前行，作戰(zhàn)方式也轉(zhuǎn)變成聯(lián)合作戰(zhàn)模式以及網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)斗模式，這就要求武器裝備的性能更加優(yōu)良，可以針對特殊情況做出快速響應(yīng)并能夠持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。所以，全球范圍內(nèi)各個國家都將研究重心轉(zhuǎn)移到綜合程度更高的故障檢測以及PHM 技術(shù)等方面。PHM 技術(shù)突破傳統(tǒng)監(jiān)測時單一的狀態(tài)監(jiān)控模式，逐漸形成了智能化的健康管理體系，同時，也融入了故障監(jiān)測服務(wù)，利用故障監(jiān)測能夠及時準(zhǔn)確地設(shè)計維護(hù)方案并確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，有助于優(yōu)化武器系統(tǒng)的維護(hù)成本，保證系統(tǒng)安全性能、可靠性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

1 PHM 的內(nèi)涵和原理

故障監(jiān)測以及PHM 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中扮演的角色越來越重要，逐步成為當(dāng)前飛機(jī)系統(tǒng)以及車船系統(tǒng)中不可獲取的組成環(huán)節(jié)。故障檢測服務(wù)，可以自主監(jiān)測系統(tǒng)中各個模塊的工況，同時，給出預(yù)測報告；PHM 技術(shù)，也就是健康管理，能夠基于故障監(jiān)測服務(wù)給出的系統(tǒng)報告，針對其中的資源配比以及功能指標(biāo)進(jìn)行分析，為后期系統(tǒng)維護(hù)提供參考意見。

PHM 技術(shù)是一種以智能化系統(tǒng)為核心的預(yù)測服務(wù)。通過性能優(yōu)良、靈敏程度較高的傳感設(shè)備采集系統(tǒng)中各個模塊的實(shí)際工況指標(biāo)，借助高效的數(shù)學(xué)分析算法，諸如傅里葉級數(shù)和Gabor 變換等，配合搭建完成的人工數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)做出相應(yīng)的預(yù)估評判，完成對飛機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行情況的實(shí)時監(jiān)測和管控。PHM 技術(shù)融入實(shí)際系統(tǒng)中，將原本出現(xiàn)故障后的維修模式以及定期維護(hù)的模式轉(zhuǎn)變成按照系統(tǒng)狀態(tài)的維護(hù)模式，英文簡稱為CBM。

PHM 技術(shù)從本質(zhì)來說是利用人工智能技術(shù)搭建起相應(yīng)的系統(tǒng)模型，比如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、蟻群算法等。能夠針對系統(tǒng)的工況參數(shù)以及故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確的推測和判別。

2 PHM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

PHM 系統(tǒng)的整體架構(gòu)屬于區(qū)域管理器的類型，該類型的系統(tǒng)架構(gòu)是把區(qū)域管理器作為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)劃分成三層：首層為傳感器層，通過飛機(jī)搭載的傳感設(shè)備和基于算法搭建的模擬傳感裝置共同構(gòu)成，主要作用是采集系統(tǒng)中初始的數(shù)據(jù)資料，也就是同系統(tǒng)運(yùn)行異常相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)；中間層是由若干個區(qū)域管理器構(gòu)建完成，主要任務(wù)是分析上一層傳遞過來的數(shù)據(jù)信息，從而判別飛機(jī)系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的健康狀況。區(qū)域管理器主要是由兩部分軟件結(jié)構(gòu)組成，分別為功能軟件和推理機(jī)。內(nèi)部技術(shù)綜合有大數(shù)據(jù)分析、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)高新技術(shù)。通過匹配系統(tǒng)異常指標(biāo)和對應(yīng)信息，基于相關(guān)算法和數(shù)學(xué)模型完成推演、預(yù)估以及監(jiān)測管控等功能，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合化分析，最終完成針對飛機(jī)系統(tǒng)健康等級的評定。PHM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有以下幾種：（1）測定并隔離異常的功能；（2）預(yù)估指定模塊異常情況的功能；（3）追蹤并評定模塊剩余生命周期的功能；（4）將資源管理同推理機(jī)有效交互，從而實(shí)現(xiàn)輔助決策的功能；（5）異常情況的選擇性匯報。也就是在合適階段通過正確方式提供給不同操作人員相應(yīng)的異常信息。

3 PHM 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 故障預(yù)測技術(shù)

故障監(jiān)測的方式較多，一般可以從實(shí)際應(yīng)用分類，根據(jù)具體選擇的監(jiān)測模式、技術(shù)組成等能夠劃分為以下幾個方面：

（1）基于模型的故障預(yù)測技術(shù)。此技術(shù)可以直接對系統(tǒng)內(nèi)部情況進(jìn)行仿真，針對其中的異常問題完成實(shí)時評測。此外，該技術(shù)還能夠基于原有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷調(diào)整系統(tǒng)中的異常仿真，進(jìn)而提升未來故障評測的準(zhǔn)確程度。

（2）基于知識的故障預(yù)測技術(shù)。該技術(shù)核心是借助對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行研究的技術(shù)人員給出的經(jīng)驗(yàn)和理論，配合模糊推演以及專業(yè)系統(tǒng)完成對系統(tǒng)的定性預(yù)測。

（3）基于數(shù)據(jù)的故障預(yù)測技術(shù)。此系統(tǒng)將歷史的工作資料作為基礎(chǔ)，架構(gòu)出相應(yīng)的系統(tǒng)預(yù)估方式，核心原理是利用先進(jìn)的智能算法不斷訓(xùn)練期望目標(biāo)對象，包括期望獲取參數(shù)信息的系統(tǒng)和出現(xiàn)異常的指標(biāo)等，從而建立起智能化的預(yù)估模型，有效地將系統(tǒng)中各種工況對應(yīng)的信息進(jìn)行判定。最為典型的算法就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（4）復(fù)合預(yù)測模型。搭建出以物理參數(shù)為核心的隨機(jī)模型，可以準(zhǔn)確地預(yù)估機(jī)械系統(tǒng)中各個模塊的剩余生命周期；針對系統(tǒng)中異常指標(biāo)進(jìn)行整合通過智能判定，架構(gòu)出以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的異常預(yù)估模型，有效評定出機(jī)械系統(tǒng)中各個模塊的實(shí)際工況；借助信息整合的算法，將上述模型綜合化，對目標(biāo)系統(tǒng)的健康情況和未來發(fā)展進(jìn)行深度剖析，綜合化預(yù)估模型的輸入端是由外部傳感設(shè)備以及積累的經(jīng)驗(yàn)共同構(gòu)成。

3.2 多傳感器融合技術(shù)

多傳感設(shè)備的綜合化技術(shù)，本質(zhì)上是將諸多差異化的傳感裝置搭建起能夠協(xié)同配合并相互競爭的傳感器組，按照特定標(biāo)準(zhǔn)完成智能化分析以及對數(shù)據(jù)的處理，這樣獲取的參數(shù)指標(biāo)相比單一信息更加準(zhǔn)確，同時，評定過程也更加完善。由于決策分析和評定環(huán)節(jié)均采用綜合化的數(shù)據(jù)處理，所以系統(tǒng)的狀態(tài)更加精準(zhǔn)。

3.3 PHM 系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)

因?yàn)楫a(chǎn)品在結(jié)構(gòu)指標(biāo)、組成材料的性能以及外部條件等方面具有差異性，造成數(shù)據(jù)難以確定，致使系統(tǒng)的故障監(jiān)測出現(xiàn)不確定情況，由此便出現(xiàn)了PHM 技術(shù)的適用性問題。當(dāng)前，較為常見的驗(yàn)證方式有以下幾種：（1）通過實(shí)際使用完成驗(yàn)證；（2）快速實(shí)驗(yàn)完成驗(yàn)證；（3）理論分析完成驗(yàn)證；（4）仿真實(shí)驗(yàn)完成驗(yàn)證。以上四類方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，能夠相互彌補(bǔ)不足。

4 民用飛機(jī)健康管理系統(tǒng)(AHM)發(fā)展現(xiàn)狀

一般來說，民用飛機(jī)中安全系數(shù)的要求較為嚴(yán)格，同時，也需要優(yōu)化成本投入和后期的維護(hù)消耗。民用飛機(jī)系統(tǒng)屬于復(fù)雜系統(tǒng)中的一員，主要的子系統(tǒng)包括有動力動能系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)中還可以繼續(xù)劃分出多個子系統(tǒng)，各個基礎(chǔ)的子系統(tǒng)均是通過基本的元件組成。民用飛機(jī)的端口較為煩瑣，包括不同的模擬量、數(shù)字量以及開關(guān)量，同時，還有多樣化的信號種類。因此，各個系統(tǒng)的接口均選擇標(biāo)準(zhǔn)化接口模式，確保各個系統(tǒng)間能夠完成信號的交互。

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)的飛機(jī)市場由兩大企業(yè)所占據(jù)，為了進(jìn)一步穩(wěn)定市場份額，均投入較高的成本進(jìn)行健康管理系統(tǒng)的研制，并將其逐步應(yīng)用于新式飛機(jī)中。這些先進(jìn)的健康系統(tǒng)能夠優(yōu)化相關(guān)技術(shù)人員的工作，進(jìn)一步提高運(yùn)行效率，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)收益。雖然各個企業(yè)研發(fā)的健康管理系統(tǒng)存在不同的名稱，但本質(zhì)上的原理和內(nèi)容較為相似。

民用飛機(jī)上的健康管理系統(tǒng)能夠有效地采集工況參數(shù)，并將關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示，地面系統(tǒng)的操作人員可以深入分析實(shí)時參數(shù)，評定出飛機(jī)的健康等級，對可能影響飛機(jī)運(yùn)行的異常情況及時監(jiān)測，并分析出現(xiàn)原因，給出相應(yīng)的解決措施，由此可以進(jìn)一步優(yōu)化維護(hù)服務(wù)，提升工作效率，確保飛機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低飛機(jī)延誤問題的發(fā)生概率。

AHM 技術(shù)通過半個世紀(jì)的發(fā)展，在民用航空領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，搭建起能夠?qū)崟r監(jiān)測的管理體系，實(shí)時采集飛機(jī)工況，及時評測健康等級，合理規(guī)劃飛機(jī)系統(tǒng)的生命周期，保證航空公司提供更加優(yōu)質(zhì)的飛行服務(wù)，為航空領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

總之，PHM 已經(jīng)成為國外新一代武器裝備研制的一項(xiàng)核心技術(shù)，是未來降低復(fù)雜系統(tǒng)的生命周期費(fèi)用，以及提高系統(tǒng)“五性”（安全性、可靠性、測試性、維護(hù)性、保障性）的一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)前，PHM 技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以系統(tǒng)集成應(yīng)用為牽引，提高故障診斷與預(yù)測精度和擴(kuò)展健康監(jiān)控的應(yīng)用對象范圍，支持基于狀態(tài)的維修（CMB）與自主式保障（AL）等方面。