飛機(jī)PHM技術(shù)發(fā)展近況及在F-35應(yīng)用中遇到的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

張寶珍 王萍

摘要：近年來(lái)，預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)作為降低成本、實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修和自主式保障的核心技術(shù)之一日益獲得世界各國(guó)軍方、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。代表目前世界軍機(jī)領(lǐng)域最高水平的美軍F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）的PHM系統(tǒng)目前仍處于研制成熟階段，技術(shù)成熟度依然不高，特別是與PHM配套使用的自主式保障信息系統(tǒng)（ALIS）進(jìn)度延遲、問(wèn)題不斷，已經(jīng)成為影響F-35項(xiàng)目研制進(jìn)度的一個(gè)重要問(wèn)題，美國(guó)國(guó)防部已正在構(gòu)建新的運(yùn)行數(shù)據(jù)集成網(wǎng)絡(luò)（ODIM）替代ALIS。本文梳理總結(jié)了國(guó)外飛機(jī)PHM技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了F-35 PHM系統(tǒng)及與其密切相關(guān)的ALIS系統(tǒng)近年的研制進(jìn)展、遇到的問(wèn)題與挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）；診斷；預(yù)測(cè)；發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀；F-35 PHM系統(tǒng)；問(wèn)題與挑戰(zhàn)

中圖分類號(hào)：V240.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.003

過(guò)去20年來(lái)，國(guó)外在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面取得了重大進(jìn)展，并正在向預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）系統(tǒng)方向發(fā)展。如今已廣泛部署在民機(jī)和軍機(jī)上的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為使維修和使用成為可預(yù)測(cè)和可控的活動(dòng)提供了重要的潛能。最新航空裝備的PHM系統(tǒng)正在集成最底層的機(jī)械、電氣和電子傳感器的數(shù)據(jù)，提供對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的近實(shí)時(shí)準(zhǔn)確評(píng)估。PHM系統(tǒng)根據(jù)傳感器參數(shù)和使用情況的變化，確定系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)，并利用這些診斷和預(yù)測(cè)知識(shí)，確定執(zhí)行任務(wù)以及加強(qiáng)和支持維修和保障的最佳方式。這種根據(jù)系統(tǒng)健康狀況修改任務(wù)計(jì)劃的能力有助于在系統(tǒng)功能退化的情況下確保任務(wù)成功。PHM系統(tǒng)還能夠根據(jù)當(dāng)前和預(yù)測(cè)的系統(tǒng)健康狀況來(lái)計(jì)劃器材保障、預(yù)先定位備件和安排維修，從而創(chuàng)建一個(gè)更加高效和有效的環(huán)境，促成增強(qiáng)型基于狀態(tài)的維修（CBM+）/預(yù)測(cè)性維修的開(kāi)發(fā)和實(shí)施。

然而，PHM仍然是一個(gè)新興領(lǐng)域，許多已公布的工作有的還處于探索階段，有的雖已開(kāi)始工程應(yīng)用，但成熟度滿足不了要求，有的應(yīng)用范圍有限。例如，美軍F-35的PHM系統(tǒng)從功能上代表了目前世界軍機(jī)領(lǐng)域的最高水平，但是其仍處于研制改進(jìn)過(guò)程中，技術(shù)成熟度依然不高，特別是與 PHM配套使用的自主保障信息系統(tǒng)（ALIS）進(jìn)度延遲、問(wèn)題不斷，已經(jīng)成為影響F-35項(xiàng)目研制進(jìn)度的一個(gè)重要問(wèn)題。未來(lái)武器裝備體系和智能制造系統(tǒng)將要求PHM系統(tǒng)能夠基于以往實(shí)現(xiàn)診斷和預(yù)測(cè)的最佳實(shí)踐來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)前挑戰(zhàn)，同時(shí)滿足未來(lái)需求。

1飛機(jī)PHM技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）PHM相關(guān)技術(shù)在軍、民機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，成效顯著[1-3]

近十年來(lái)，PHM技術(shù)作為提高軍用飛機(jī)戰(zhàn)備完好性、降低持續(xù)保障費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修（CBM/CBM+）和自主保障的一項(xiàng)核心技術(shù)，已獲得世界各國(guó)廣泛重視，相關(guān)技術(shù)在軍用直升機(jī)、固定翼飛機(jī)上已有比較廣泛的應(yīng)用，并取得顯著成效。如美陸軍AH-64“阿帕奇”、UH-60“黑鷹”和CH-47“支奴干”直升機(jī)安裝健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）后，使直升機(jī)任務(wù)完好率提高了10%，2010財(cái)年節(jié)約2億美元，2014年起全部裝備了HUMS。2017年，美陸軍認(rèn)定其UH-60L“黑鷹”上安裝的飛行器綜合健康管理系統(tǒng)（IVHMS）比未裝備IVHMS的直升機(jī)出動(dòng)率高27%，非計(jì)劃維修減少52%，總維修量減少17%。英國(guó)國(guó)防部目前最成熟的HUMS是GenHUMS系統(tǒng)，該系統(tǒng)最初是傳統(tǒng)的“海王”和“支奴干”直升機(jī)的一個(gè)“售后服務(wù)”安裝版本，現(xiàn)在其設(shè)計(jì)已融入新交付的AW159“野貓”直升機(jī)中。此外，HUMS在加拿大、荷蘭、新加坡、南非、以色列等國(guó)的軍用直升機(jī)中也得到廣泛應(yīng)用。

PHM/HUMS不僅應(yīng)用于直升機(jī)上，在歐美各種四代、五代固定翼飛機(jī)上也有不少應(yīng)用，如“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)、A400M運(yùn)輸機(jī)、B-2轟炸機(jī)、“全球鷹”無(wú)人機(jī)、“鷹”教練機(jī)、C-130“大力神”運(yùn)輸機(jī)、RQ-7A/B“影子”200戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、P-8A多任務(wù)海上飛機(jī)等都配備了PHM/HUMS類似系統(tǒng)。以波音公司為首的研究隊(duì)伍為美國(guó)海軍開(kāi)展了一項(xiàng)飛機(jī)綜合健康管理（IAHM）研究，以F/A-18、C-17和波音737為主要研究對(duì)象，重點(diǎn)研究對(duì)軍、民用飛機(jī)都適用的一種可互操作的多平臺(tái)飛機(jī)健康管理數(shù)據(jù)處理與分析方法，旨在顯著提高飛機(jī)系統(tǒng)可靠性、安全性、維修性、可用性和經(jīng)濟(jì)可承受性，從而改進(jìn)任務(wù)性能和作戰(zhàn)使用能力。該項(xiàng)目生成的IAHM數(shù)據(jù)庫(kù)方案、數(shù)據(jù)接口方法和算法對(duì)新飛機(jī)、衍生飛機(jī)和現(xiàn)有飛機(jī)都適用。

目前，所有上述PHM/HUMS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)的增強(qiáng)故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和部分剩余壽命估計(jì)功能，尚未真正實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)中的預(yù)測(cè)能力。代表當(dāng)今軍機(jī)領(lǐng)域功能最全、最高技術(shù)水平的F-35 PHM系統(tǒng)也正處于成熟階段，虛警問(wèn)題尚未較好解決，且只在自主保障信息系統(tǒng)（ALIS）（駐留地面PHM系統(tǒng)）中納入了少部分預(yù)測(cè)算法。

作為一項(xiàng)軍民兩用技術(shù)，PHM技術(shù)在民用航空領(lǐng)域的研究和應(yīng)用尤其突出，近年來(lái)，波音公司開(kāi)發(fā)的飛機(jī)健康管理（AHM）系統(tǒng)已經(jīng)擴(kuò)大應(yīng)用于40家國(guó)際民航客運(yùn)和貨運(yùn)公司的波音777、波音747-400、A320、A330和A340等飛機(jī)上，為這些飛機(jī)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和決策支持服務(wù)，大大減少了航班延誤，節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本，并支持民航機(jī)隊(duì)長(zhǎng)期可靠性計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)。PHM在民機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。從以往主要集中在民用大中型飛機(jī)、重型直升機(jī)領(lǐng)域，擴(kuò)展到通用飛機(jī)和輕型直升機(jī)領(lǐng)域，研究范圍也從原來(lái)僅考慮保障飛機(jī)自身的安全性、經(jīng)濟(jì)性方面，進(jìn)一步向考慮世界反恐的獨(dú)立監(jiān)視系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部環(huán)境（如火山灰等）的影響等方面擴(kuò)展，成為整個(gè)航空安全保障體系的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖1是2015年7月美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、美國(guó)空軍和美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）共同開(kāi)展的一種驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吹入火山灰影響的一次重要試驗(yàn)活動(dòng)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為此引入的新型傳感器布局情況。

近年來(lái)，霍尼韋爾公司推出了一系列新型自診斷傳感器：一體化健康監(jiān)測(cè)（IHM）系列接近傳感器，可用來(lái)改善飛機(jī)系統(tǒng)性能，降低維護(hù)成本。該傳感器可以檢測(cè)某個(gè)傳感器何時(shí)受損或者受到其他影響。該接近傳感器是可配置、非接觸的密封裝置，可以用來(lái)感應(yīng)在惡劣的飛機(jī)應(yīng)用環(huán)境中某個(gè)目標(biāo)物體的接近或遠(yuǎn)離，如確定反推力裝置是否完全閉合。該傳感器可以檢測(cè)某個(gè)傳感器何時(shí)受損或者受到其他影響，可以探測(cè)大多數(shù)內(nèi)部故障，并向飛行員或者維護(hù)人員顯示，這有助于減少飛機(jī)維護(hù)時(shí)間和成本。

霍尼韋爾公司還推出了一款線位移傳感器（LVDT），可用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械裝置、飛行員操縱裝置和前機(jī)輪操縱裝置上。這種傳感器可以為下一代飛機(jī)提供連續(xù)位置監(jiān)測(cè)能力，并可應(yīng)用在惡劣環(huán)境中。該LVDT已經(jīng)安裝在某些霍尼韋爾研制的系統(tǒng)中，并可以支持其他的組件和系統(tǒng)制造商。

（2）人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)推動(dòng)飛機(jī)PHM技術(shù)發(fā)展[4-6]

近年來(lái)，為了進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)展PHM系統(tǒng)的能力，進(jìn)而幫助實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型基于狀態(tài)的維修，即預(yù)測(cè)性維修（CBM+）和航空裝備80%的戰(zhàn)備完好性目標(biāo)，美軍大力推動(dòng)人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等高新技術(shù)在飛機(jī)PHM領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)國(guó)防部國(guó)防創(chuàng)新試驗(yàn)小組（DIUx）與工業(yè)界合作，將人工智能、自動(dòng)化和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)上，作為預(yù)測(cè)潛在故障、實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修的一種新方法。合作方包括美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)空軍以及C3 IoT公司。按照合作要求，C3 IoT公司正在向F-16和E-3“哨兵”AWACS監(jiān)視飛機(jī)整合AI驅(qū)動(dòng)軟件，爭(zhēng)取在6個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)上運(yùn)行。據(jù)悉，C3 IoT平臺(tái)使美國(guó)防部能夠在網(wǎng)絡(luò)上統(tǒng)一的基于云的數(shù)據(jù)鏡像中匯集和保存大量不同的數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集。人工智能可以利用所有可用信息并評(píng)估機(jī)載系統(tǒng)，以了解某個(gè)部件可能發(fā)生故障或需要更換的時(shí)間，從而帶來(lái)后勤保障優(yōu)勢(shì)以及節(jié)省成本和提高飛行安全。根據(jù)飛機(jī)中航空電子設(shè)備的種類，機(jī)載傳感器可以收集重要的維修數(shù)據(jù)，并在飛機(jī)著陸或飛行過(guò)程中下傳遙測(cè)信息。

在美軍軍用直升機(jī)HUMS系統(tǒng)使用期間，也曾出現(xiàn)過(guò)虛警（錯(cuò)報(bào)）等問(wèn)題，引起過(guò)維修人員的不信任。但經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和成熟，如綠色能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（GPMS）公司的HUMS采用了一種專利的信號(hào)過(guò)濾方法，可以減少誤報(bào)，并采用了專有的云計(jì)算算法，改進(jìn)了系統(tǒng)的故障檢測(cè)能力，如今的直升機(jī)HUMS已經(jīng)成為飛行員和維修人員有力的助手。

英國(guó)皇家海軍正尋求一種新的健康管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)使用數(shù)據(jù)科學(xué)和分析模型來(lái)預(yù)測(cè)潛在的缺陷或故障，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。該模型使用的是兩階段遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由一家名叫DecisionLab的公司開(kāi)發(fā)，由英國(guó)聯(lián)合部隊(duì)司令部發(fā)起，并由國(guó)防部國(guó)防創(chuàng)新基金資助。起初該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是為民用航空市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在該模型經(jīng)二次開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。該模型能及時(shí)對(duì)未來(lái)活動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可使維修工程師提前一天、一星期甚至兩星期掌握系統(tǒng)的狀態(tài)和健康狀況。

民用飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)在技術(shù)和概念上也在迅速發(fā)展。航空公司和飛機(jī)原始設(shè)備制造商、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、傳感器供應(yīng)商和軟件公司都在以互聯(lián)方式開(kāi)展工作，以創(chuàng)建更加數(shù)字化的物聯(lián)網(wǎng)和基于云計(jì)算的飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)方法。

2017年巴黎航展上，空客公司和加利福尼亞州的軟件服務(wù)公司Palantir Technologies宣布建立合作伙伴關(guān)系，讓航空公司開(kāi)始以新的方式監(jiān)測(cè)機(jī)身的健康狀況，實(shí)現(xiàn)從反應(yīng)型向預(yù)測(cè)型飛機(jī)維修模式的轉(zhuǎn)變。這兩家公司合作推出新的航空數(shù)據(jù)平臺(tái)“智慧天空”（Skywise）。Skywise的愿景是成為數(shù)據(jù)分析的獨(dú)特接入點(diǎn)，將多個(gè)信息源整合到一個(gè)安全的云平臺(tái)中，包括工作訂單、備件消耗、零部件數(shù)據(jù)、飛機(jī)/機(jī)隊(duì)技術(shù)狀態(tài)、機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)和航班時(shí)刻表?？湛凸具€宣布已選擇羅克韋爾-柯林斯公司為空客A320系列飛機(jī)提供飛行操作和維護(hù)交換機(jī)（FOMAX）計(jì)劃。從2018年開(kāi)始，所有新的生產(chǎn)型A320都配備了羅克韋爾-柯林斯SSR-7000安全服務(wù)器路由器和“緊湊型連接單元”，可收集飛機(jī)維修和性能數(shù)據(jù)并自動(dòng)傳送到地面操作系統(tǒng)。此前，這些技術(shù)是通過(guò)ACARS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給航空公司的地面運(yùn)營(yíng)和維護(hù)團(tuán)隊(duì)。羅克韋爾-柯林斯的路由器為飛機(jī)上的機(jī)組人員連接提供了一個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是蜂窩和終端Wi-Fi設(shè)備，并且能夠連接所有主要的衛(wèi)星通信設(shè)備。FOMAX提供空客飛機(jī)系列（A320/A330 ）的全系列傳感器數(shù)據(jù)：便于訪問(wèn)超過(guò)40倍的機(jī)載傳感器，以實(shí)現(xiàn)更好的預(yù)測(cè)性維修、更豐富的地面操作視圖以及最佳的飛行操作。之前，A320運(yùn)營(yíng)商只能捕獲400個(gè)健康參數(shù)（或者可用數(shù)據(jù)的2%）。根據(jù)空客公司的說(shuō)法，支持FOMAX的A320可以捕獲24000多個(gè)健康參數(shù)或100%的可用數(shù)據(jù)。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)原始設(shè)備制造商（OEM）正在通過(guò)引入云計(jì)算，采用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生和新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)來(lái)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)和維修方式，促進(jìn)預(yù)測(cè)性維修的實(shí)現(xiàn)。利用大量的智能數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)工具和工程專家知識(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)OEM幫助航空公司降低油耗，更有效地飛行，確保正確的團(tuán)隊(duì)和設(shè)備就位，以便更快速地維修，并保持較高的可視性。通過(guò)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集和分析方式，OEM努力實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的最大化。

數(shù)字孿生是一個(gè)已經(jīng)構(gòu)建的完整物理系統(tǒng)的數(shù)字化副本，指針對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物體，在數(shù)字世界構(gòu)建一模一樣的實(shí)體，借此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的理解、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)的精細(xì)程度遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的數(shù)字模型，將虛擬世界中的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于物理世界，可以更好地診斷故障。數(shù)字孿生可以將飛機(jī)平臺(tái)或子系統(tǒng)的整個(gè)生命周期聯(lián)系在一起，從設(shè)計(jì)到MRO到報(bào)廢處置。制造的時(shí)候，裝備的物理實(shí)體與數(shù)字孿生是綁定的。一套新裝備交付時(shí)，裝備實(shí)體及其數(shù)字孿生也一起交付，每次對(duì)裝備的物理實(shí)體進(jìn)行改裝和維修，也會(huì)體現(xiàn)在數(shù)字孿生上。

目前，通用電氣公司已為部分發(fā)動(dòng)機(jī)制造了數(shù)字孿生部件。此外，通用電氣公司還幫助開(kāi)發(fā)了世界上第一項(xiàng)用于飛機(jī)起落架的數(shù)字孿生技術(shù)，其將傳感器放置在物理設(shè)備的典型故障點(diǎn)上，如液壓和制動(dòng)的溫度節(jié)點(diǎn)，用以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幫助預(yù)測(cè)早期故障或起落架的剩余壽命。數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)發(fā)的另一個(gè)公司是西門子公司，該公司已經(jīng)為諸如載人和無(wú)人飛行器的電推進(jìn)裝置等部件實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生功能。

發(fā)動(dòng)機(jī)OEM改進(jìn)其數(shù)據(jù)收集方法的一種方式是通過(guò)傳統(tǒng)航空公司和非傳統(tǒng)航空公司之間的合作來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，羅羅公司與微軟公司合作，利用微軟的Azure云平臺(tái)和Azure物聯(lián)網(wǎng)組件來(lái)收集和聚合數(shù)據(jù)；通用電氣公司同Avionica合作，為其CF34-3發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)實(shí)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)能力。Avionica可為通用電氣公司的龐巴迪挑戰(zhàn)者600系列飛機(jī)帶來(lái)快速訪問(wèn)記錄器（QAR）技術(shù)。該公司將為其分布在全球70多個(gè)國(guó)家的200多架采用CF34-3發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)公司提供可用的預(yù)測(cè)健康管理服務(wù)。

（3）CBM+和協(xié)作維修推動(dòng)PHM技術(shù)呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢(shì)[7-9]

維修方式自20世紀(jì)以來(lái)發(fā)生了重大變化，重點(diǎn)從技術(shù)轉(zhuǎn)向技術(shù)+經(jīng)濟(jì)考慮。如今，各種維修策略是根據(jù)裝備（設(shè)備）的重要性和成本效益，以綜合方式加以應(yīng)用。這些維修策略包括但不限于：修復(fù)性維修、預(yù)防性維修、預(yù)測(cè)性維修/ CBM+、自維修、靈巧維護(hù)、電子維修和協(xié)作維修等。這些策略還在不斷發(fā)展，隨著設(shè)備和運(yùn)行條件的日益復(fù)雜，新的需求也在不斷產(chǎn)生，目前可見(jiàn)的最終目標(biāo)是智能維修。

美國(guó)國(guó)防部要求所有武器裝備都應(yīng)推廣應(yīng)用CBM +。該方案的重點(diǎn)是在各不同軍事部門的平臺(tái)上應(yīng)用PHM，這是CBM +能力的一個(gè)子集。2020年第1季度，美國(guó)空軍快速保障辦公室（RSO）已將CBM+軟件部署到美國(guó)空軍機(jī)隊(duì)的700多架飛機(jī)上，在CBM+上培訓(xùn)了66個(gè)維修單位，部署了178種算法（并在不斷增長(zhǎng)），在故障前更換了105個(gè)部件，節(jié)省了5000h的排故時(shí)間，并開(kāi)始對(duì)179多個(gè)部件進(jìn)行早期故障評(píng)估，還在三個(gè)新平臺(tái)（F-15、B-52和C-17）上啟用CBM+[2]。

為了更有效、更高效地進(jìn)行維護(hù)，降低能源消耗和增加產(chǎn)能，使飛機(jī)更可靠和更健壯，需要在軍、民機(jī)整個(gè)協(xié)作社區(qū)中大力推進(jìn)應(yīng)用PHM技術(shù)。PHM不是孤立發(fā)展的，在數(shù)據(jù)科學(xué)、工程和協(xié)同工業(yè)中，有幾個(gè)重要的概念正在發(fā)展。這些進(jìn)展可以在PHM系統(tǒng)中發(fā)揮作用，促進(jìn)其增長(zhǎng)。

在工業(yè)4.0中，必須改進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)，包括自我意識(shí)和自我學(xué)習(xí)。資產(chǎn)已經(jīng)可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）框架、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）、機(jī)器對(duì)機(jī)器通信和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相互“交談”或“學(xué)習(xí)”，也就是說(shuō)，將復(fù)雜的物理機(jī)械與網(wǎng)絡(luò)化的傳感器和軟件集成在一個(gè)協(xié)作領(lǐng)域中。然而，有關(guān)智能數(shù)據(jù)分析的知識(shí)以及創(chuàng)造資產(chǎn)自我意識(shí)和自我學(xué)習(xí)的能力仍然有限，許多數(shù)據(jù)未得到充分利用。這些阻礙資產(chǎn)協(xié)作效率的因素限制了向智能維修的最終目標(biāo)邁進(jìn)。

應(yīng)用PHM技術(shù)的關(guān)鍵是將高可靠性和精確的傳感器技術(shù)，診斷、預(yù)測(cè)和健康管理的算法和軟件設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，以及定義和開(kāi)發(fā)一種使用和成熟PHM能力的集成環(huán)境，最終結(jié)果是一個(gè)使用可靠性和效費(fèi)比更高的系統(tǒng)[5]。最近，在成功開(kāi)發(fā)和實(shí)施此類PHM項(xiàng)目方面出現(xiàn)了一些新的趨勢(shì)：首先，有一種新的需求，即運(yùn)行技術(shù)（OT）、信息技術(shù)（IT）與工程技術(shù)（ET）的融合；其次，純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或物理模型驅(qū)動(dòng)的方法可能無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)中資產(chǎn)的情況；相反，上下文驅(qū)動(dòng)的方法越來(lái)越被接受，它將有效地利用所有相關(guān)信息（包括機(jī)載數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備機(jī)理、上下文數(shù)據(jù)等）進(jìn)行診斷、預(yù)測(cè)；最后，從產(chǎn)品全生命管理（PLM）的角度，從部件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)，再到系統(tǒng)體系（SoS）級(jí)開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)PHM項(xiàng)目。

（4）飛機(jī)PHM系統(tǒng)的全面成功仍需克服多方挑戰(zhàn)

目前，飛機(jī)PHM系統(tǒng)要全面成功地實(shí)現(xiàn)其功能，仍需要克服4方面挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)采集、診斷、預(yù)測(cè)和健康管理（見(jiàn)表1）。而數(shù)據(jù)是根本的挑戰(zhàn)。對(duì)于高度復(fù)雜的系統(tǒng)，很難建立具有預(yù)測(cè)性和持續(xù)維修能力的PHM項(xiàng)目。這些平臺(tái)經(jīng)常監(jiān)視和解釋成千上萬(wàn)的傳感器狀態(tài)和錯(cuò)誤代碼。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，人類使用者很快會(huì)陷入信息過(guò)載的境地，僅僅應(yīng)用分析模型而不了解底層健康監(jiān)測(cè)和報(bào)告系統(tǒng)的復(fù)雜細(xì)節(jié)通常不能做出準(zhǔn)確的健康預(yù)測(cè)。

另外，在智能制造系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PHM未來(lái)需要克服的幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)（見(jiàn)表2），包括實(shí)時(shí)診斷和預(yù)測(cè)方法、PHM系統(tǒng)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)以及用戶友好型PHM系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)（來(lái)自傳感器、可編程邏輯控制器（PLC）、專家等）的集成。

2美軍F-35 PHM系統(tǒng)研制近況及存在的問(wèn)

題及挑戰(zhàn)[10-19]

2.1 F-35 PHM系統(tǒng)診斷能力有所改善

F-35 PHM系統(tǒng)收集機(jī)上性能數(shù)據(jù)來(lái)確定飛行器的工作狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到成熟時(shí)，PHM將利用從整個(gè)F-35上采集的數(shù)據(jù)以及PHM內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，基于趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)維修需求。PHM系統(tǒng)旨在提供診斷和隔離故障、跟蹤和預(yù)測(cè)部件的健康和壽命趨勢(shì)的能力，并利用飛行期間收集和存儲(chǔ)在飛機(jī)便攜式內(nèi)存裝置（PMD）中的飛行器健康報(bào)告代碼（HRC）使飛機(jī)的自主保障能力得以實(shí)現(xiàn)。

PHM監(jiān)測(cè)幾乎F-35的每個(gè)機(jī)上和機(jī)下系統(tǒng)，它必須高度一體化，能按照預(yù)期工作，并要求隨著系統(tǒng)的成熟而不斷改進(jìn)。目前，F(xiàn)-35 PHM系統(tǒng)包括三個(gè)重要部分：故障和失效管理（診斷能力）、壽命和使用管理（預(yù)測(cè)能力）以及數(shù)據(jù)管理。近年來(lái)，F(xiàn)-35 PHM診斷和數(shù)據(jù)管理能力仍在成熟中。診斷能力應(yīng)該檢測(cè)飛行器內(nèi)真實(shí)的故障并準(zhǔn)確地將故障隔離到現(xiàn)場(chǎng)可更換部件（LRC）。但是，對(duì)F-35診斷能力的驗(yàn)證一直表現(xiàn)出準(zhǔn)確性差、低檢測(cè)率和高虛警率等問(wèn)題，直到最近幾年才開(kāi)始呈現(xiàn)出一些改善的跡象。

雖然隨著各批次F-35能力的部署，故障檢測(cè)覆蓋率有所提高，但大部分性能指標(biāo)仍低于閾值要求。表3給出了美國(guó)國(guó)防部作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定局2015—2017財(cái)年三年的年度報(bào)告數(shù)據(jù)對(duì)比情況。表3數(shù)據(jù)來(lái)源于2015—2017財(cái)年美軍作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定局年報(bào)。其中，2016財(cái)年與2015財(cái)年數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，F(xiàn)-35 PHM系統(tǒng)的故障覆蓋率、故障檢測(cè)率、非電設(shè)備故障隔離到一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換部件的故障隔離率都有明顯改進(jìn)，最顯著的提升是平均安全關(guān)鍵虛警間隔飛行小時(shí)數(shù)，而平均虛警間隔飛行小時(shí)數(shù)和非電設(shè)備隔離到三個(gè)或較少LRC的故障隔離率沒(méi)有明顯改善，而電子設(shè)備隔離到一個(gè)LRC的故障隔離率較上一年年報(bào)中的數(shù)值更差。平均飛行安全關(guān)鍵虛警間隔飛行小時(shí)數(shù)和非電設(shè)備隔離至一個(gè)LRC的故障隔離率是兩個(gè)僅有的似乎朝著滿足其閾值要求方向不斷改進(jìn)的診斷指標(biāo)。自2017財(cái)年起，F(xiàn)-35項(xiàng)目報(bào)告PHM指標(biāo)已從6個(gè)月的滾動(dòng)窗口轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)月。2017財(cái)年與2016財(cái)年的年度報(bào)告數(shù)據(jù)相比，2B和3F批次每個(gè)故障檢測(cè)和隔離指標(biāo)幾乎都有所改進(jìn)，但3F批次的兩個(gè)非電子故障隔離指標(biāo)除外，該指標(biāo)下降了7%～9%。從表3可見(jiàn)，F(xiàn)-35 PHM診斷性能總體上有所改善，在這個(gè)滾動(dòng)窗口中5個(gè)度量指標(biāo)中的兩個(gè)已滿足閾值要求。

2.2 F-35 PHM系統(tǒng)在地面引入初步的預(yù)測(cè)能力

F-35 PHM系統(tǒng)的地面部分宿主在自主式保障信息系統(tǒng)（ALIS）中。ALIS是關(guān)鍵的使用與維修管理系統(tǒng)。2014年9月1日，洛馬公司發(fā)布了ALIS 2.0版，該版本增加了針對(duì)F-35的狀態(tài)趨勢(shì)分析和機(jī)隊(duì)管理能力。F-35項(xiàng)目計(jì)劃直到ALIS 2.0.2版本才集成預(yù)測(cè)能力。2.0.2版本的部署從2015年12月延遲到2016年7月底，后又推遲到2017年4月。洛馬公司于2017年4月26日宣布，美國(guó)空軍和海軍已批準(zhǔn)安裝最新型F-35戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)系統(tǒng)軟件——ALIS 2.0.2版，該軟件引入了普惠公司F135發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)。該版本軟件將于2017年底前安裝于所有裝備F-35的基地。在ALIS 2.0.2版本中增加的能力包括以下幾點(diǎn)。

（1）有壽件管理（LLPM）

有壽件管理（LLPM）具體包括推進(jìn)系統(tǒng)集成和生產(chǎn)型飛機(jī)檢測(cè)要求（PAIRs）。

以前，推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)從飛機(jī)便攜式內(nèi)存裝置中下載，并提供給普惠公司的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師進(jìn)行處理和生成維修工作規(guī)程。推進(jìn)系統(tǒng)集成將便于ALIS能像處理飛機(jī)數(shù)據(jù)一樣處理推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

ALIS 2.0.2版包括PAIR系統(tǒng)的第1階段。該項(xiàng)目在取消了大部分最初計(jì)劃的預(yù)測(cè)算法后，增加了多個(gè)PAIR作為PHM的組成部分。項(xiàng)目計(jì)劃在ALIS 2.0.2版和ALIS 3.0版中各包括8種預(yù)測(cè)算法，而最初計(jì)劃在系統(tǒng)研制與驗(yàn)證（SDD）階段納入128種算法。

（2）分中隊(duì)報(bào)告

便于飛機(jī)即使在其遠(yuǎn)離部隊(duì)部署時(shí)，也能向其大本營(yíng)所在中隊(duì)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行單元（SOU）報(bào)告其狀態(tài)。

（3）SOU與SOU之間的通信

新能力將允許在特定的情況下在SOU之間進(jìn)行文件的針對(duì)性傳送。增加這種能力主要是使飛機(jī)部署效率更高。

（4）部署性的改進(jìn)

包括改進(jìn)部署規(guī)劃和一次性成批轉(zhuǎn)移所有部署資產(chǎn)。

（5）商用現(xiàn)貨（COTS）硬件替代品

便于項(xiàng)目對(duì)硬件過(guò)時(shí)淘汰做好計(jì)劃，隨著時(shí)間的推移用更新的硬件替代。

（6）ALIS就緒檢查

改善ALIS過(guò)程的健康監(jiān)測(cè)。

2017財(cái)年F-35項(xiàng)目的一項(xiàng)主要工作是試驗(yàn)并部署ALIS 2.0.2.4軟件。ALIS 2.0.2.4包含PHM中的前7種預(yù)測(cè)算法，涉及燃油、滑油和液壓油的監(jiān)測(cè)。最初使用這些算法的人員將負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，用于未來(lái)成熟服役壽命預(yù)測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)（算法）。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一些缺陷，針對(duì)其中一部分缺陷，已經(jīng)在部署之前采取了糾正措施。在4個(gè)使用站點(diǎn)部署了ALIS 2.0.2.4之后，暴露出了ALIS不能正確地追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)部件的壽命使用問(wèn)題，為此2017年6月海軍陸戰(zhàn)隊(duì)航空站終止了飛行試驗(yàn)。9月開(kāi)始了ALIS 2.0.2.4.4版本的試驗(yàn)，ALIS 2.0.2.4.4版本解決了之前發(fā)現(xiàn)的一些缺陷，但這次試驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)了其他的缺陷，導(dǎo)致空軍一度停止了ALIS 2.0.2.4.4版本的部署，直至2017年11月該項(xiàng)目糾正了這些缺陷，空軍重新啟動(dòng)了ALIS 2.0.2.4.4版的部署。

該項(xiàng)目在2017財(cái)年年底還完成了2.0.2.5版的研發(fā)，該版本主要解決ALIS內(nèi)部的一些現(xiàn)有的缺陷和使用性問(wèn)題，并將瀏覽器更新到Internet Explorer 11。這個(gè)版本包括一個(gè)用于降低預(yù)測(cè)健康管理系統(tǒng)虛警的濾波功能，不包含其他新的功能。

F-35具備全面作戰(zhàn)能力所必需的ALIS 3.0版本是系統(tǒng)研制與演示驗(yàn)證（SDD）階段發(fā)布的最后一個(gè)增量，于2018年9月開(kāi)始部署使用。ALIS 3.0開(kāi)始全面跟蹤剩余時(shí)間，以更換使用壽命有限的F-35部件，并增加防雷功能、提高網(wǎng)絡(luò)安全性，改進(jìn)低可觀測(cè)健康評(píng)估系統(tǒng)（LOHAS）等。ALIS 3.1允許合作伙伴國(guó)家獨(dú)立管理其數(shù)據(jù)。ALIS 3.5（稱為“穩(wěn)定”版本）目的是解決ALIS長(zhǎng)期存在的用戶問(wèn)題，滿足網(wǎng)絡(luò)安全閾值要求（包括使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議），改進(jìn)低可觀測(cè)性健康評(píng)估系統(tǒng)（LOHAS），并為ALIS管理提供初始的集中化功能。該版本原計(jì)劃在2019年10月發(fā)布，但由于一些缺陷被推遲到2020年1月。部署完畢后，ALIS 3.5將有助于改進(jìn)F-35隱身涂層的評(píng)估，并降低生產(chǎn)飛機(jī)檢查報(bào)告系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。

在該項(xiàng)目之前的計(jì)劃中，2020年之后還會(huì)發(fā)布另外兩個(gè)版本：ALIS 3.6和ALIS 3.7。ALIS 3.6計(jì)劃解決Windows 10、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全、改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行單元（SOU）之間的數(shù)據(jù)傳輸能力以及分散的維修能力等問(wèn)題，允許在沒(méi)有完整的ALIS硬件套件的情況下進(jìn)行部署。ALIS 3.7的目標(biāo)是通過(guò)增強(qiáng)訓(xùn)練管理系統(tǒng)來(lái)提高任務(wù)保障能力，提高部署的備件保障能力、部分中隊(duì)保障能力、腐蝕管理能力以及對(duì)頭盔和其他飛行員飛行設(shè)備的保障能力。但2019年9月，F(xiàn)-35項(xiàng)目宣布不再按照原計(jì)劃發(fā)布新的ALIS軟件版本，而是將其分解成更小、更頻繁的軟件服務(wù)包。2020年1月，美國(guó)國(guó)防部宣布將用新的“運(yùn)行數(shù)據(jù)集成網(wǎng)絡(luò)”（ODIN）替代ALIS系統(tǒng)。

2.3 F-35 PHM遇到的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

2.3.1 F-35 PHM虛警問(wèn)題

最近三份年度報(bào)告中指示的虛警指標(biāo)中的微小改進(jìn)表明該項(xiàng)目將不能滿足虛警閾值要求。

不良的診斷性能增加了維修停機(jī)時(shí)間。維修人員通常運(yùn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試來(lái)判斷診斷檢測(cè)到的故障代碼是否是真實(shí)的故障。虛警導(dǎo)致軍職人員開(kāi)展不必要的維修活動(dòng)，通常只能依賴承包商的支持才能更準(zhǔn)確地診斷系統(tǒng)故障。這些活動(dòng)增加每飛行小時(shí)的維修工時(shí)，并進(jìn)而降低了飛機(jī)可用度和出動(dòng)架次率。診斷工具的準(zhǔn)確性差還可能導(dǎo)致維修人員對(duì)真實(shí)故障不敏感。

ALIS中記錄的虛警數(shù)可以人為減少。因?yàn)閷?duì)于一名合格的維修監(jiān)督員，如果他知道某個(gè)健康報(bào)告代碼（HRC）對(duì)應(yīng)一次虛警，可以阻止或?qū)⒅∠瑥亩粫?huì)產(chǎn)生工作單，并不計(jì)入虛警指標(biāo)。但如果維修人員簽署了一份工作單，而HRC中描述的問(wèn)題其實(shí)并沒(méi)有發(fā)生，該項(xiàng)目將把HRC算作一次虛警。由于PHM尚不成熟，而這種做法為維修人員節(jié)省時(shí)間，所以，在外場(chǎng)出現(xiàn)這種情況是正常的。不過(guò)，這就意味著所記錄的虛警數(shù)并非總是HRC虛警率的準(zhǔn)確反映。

截至2016年4月，F(xiàn)-35飛機(jī)中最可能導(dǎo)致漏檢、錯(cuò)誤的故障隔離和虛警的系統(tǒng)：（1）漏檢：綜合核心處理器（ICP）、通信-導(dǎo)航-識(shí)別（CNI）機(jī)架模塊、全景駕駛艙顯示器、電力和熱管理系統(tǒng)（PTMS）和飛行器系統(tǒng)處理能力。（2）錯(cuò)誤的隔離：ICP、PTMS、電子戰(zhàn)、電源、液壓系統(tǒng)。（3）虛警：推進(jìn)系統(tǒng)、CNI系統(tǒng)、電子戰(zhàn)、ICP、顯示器和指示器。

為此，F(xiàn)-35項(xiàng)目辦公室在2015年曾啟動(dòng)了一個(gè)PHM成熟計(jì)劃，以改進(jìn)PHM三個(gè)主要部分中每部分的性能。（1）改進(jìn)BIT的功能性：PHM軟件對(duì)BIT結(jié)果、機(jī)下過(guò)濾器清單和故障隔離指示的處理；還聚焦已識(shí)別的高故障主宰因素，按照優(yōu)先順序開(kāi)發(fā)能對(duì)故障檢測(cè)和隔離、虛警性能、不必要維修、高維修工時(shí)、飛機(jī)可用性和過(guò)高費(fèi)用產(chǎn)生最大影響的異常和故障辨識(shí)系統(tǒng)（AFRS）解決方案。（2）基于使用和修理反饋來(lái)改進(jìn)生產(chǎn)型飛機(jī)檢測(cè)要求（PAIRS）的功能性和裝備狀態(tài)評(píng)估算法：基于機(jī)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)潛在增加新的壽命跟蹤項(xiàng)目。（3）改進(jìn)或增加飛機(jī)的數(shù)據(jù)收集：改進(jìn)數(shù)據(jù)從飛機(jī)到ALIS的下載和處理，改進(jìn)數(shù)據(jù)的分發(fā)和存儲(chǔ)，以更好地支持用戶需求。

另?yè)?jù)2017年度作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定局年度報(bào)告中透露，F(xiàn)-35項(xiàng)目已開(kāi)發(fā)并在測(cè)試一種先進(jìn)的過(guò)濾器和相關(guān)（AFC）1.0功能，作為F-35 PHM系統(tǒng)的組成部分。AFC 1.0旨在減少HRC的虛警數(shù)；減少派生的HRC，因其導(dǎo)致單一故障生成多個(gè)HRC工作訂單；減少條件性的不良HRCs，它是僅由飛機(jī)某些非工作的代表性技術(shù)狀態(tài)、諸如在一種特殊（即由生產(chǎn)和研制并行引起的）的技術(shù)狀態(tài)下測(cè)試飛機(jī)或維護(hù)飛機(jī)而觸發(fā)的虛警。F-35項(xiàng)目期望AFC 1.0能改善PHM的虛警性能，但是DOT&E估計(jì)此改進(jìn)對(duì)于項(xiàng)目符合要求而言將是不充分的。

2.3.2 F-35結(jié)構(gòu)PHM出現(xiàn)的問(wèn)題

結(jié)構(gòu)PHM（SPHM）是整個(gè)機(jī)體壽命周期管理的一個(gè)關(guān)鍵元素，它包括過(guò)大g值、硬著陸、超速和過(guò)載狀態(tài)等狀態(tài)事件檢測(cè)和分析，計(jì)劃提供腐蝕監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性建模能力。飛機(jī)上目前有兩種腐蝕傳感器：一種安裝在天線罩隔框的前表面，另一種裝在燃油/熱交換器艙壁上。ALIS 2.0.0包括一個(gè)對(duì)這些腐蝕傳感器的記錄功能。2015年11月項(xiàng)目辦公室完成的一項(xiàng)研究確定機(jī)隊(duì)中27%的腐蝕傳感器已經(jīng)失效，因此該項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)新的傳感器。

2.3.3 F-35離機(jī)PHM及PMA當(dāng)前的問(wèn)題

F-35飛機(jī)的維修人員要開(kāi)展大部分維修活動(dòng)，必須將便攜式維修輔助（PMA）筆記本電腦與飛機(jī)進(jìn)行物理連接。維修人員借助PMA能夠從飛機(jī)上獲得狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)信息，同時(shí)控制飛機(jī)功能，開(kāi)展其他維修，諸如打開(kāi)容納冷卻空氣容器的彈艙門，以便在地面運(yùn)行航電設(shè)備時(shí)使用空調(diào)裝置。維修人員還通過(guò)PMA訪問(wèn)異常故障辨識(shí)系統(tǒng)（AFRS）（屬于離機(jī)PHM工具），該系統(tǒng)對(duì)機(jī)載PHM系統(tǒng)產(chǎn)生的HRC進(jìn)行自動(dòng)故障排查，并訪問(wèn)聯(lián)合技術(shù)文件（JTD），它能告訴維修人員如何對(duì)AFRS識(shí)別的故障進(jìn)行修理。最后，維修人員利用PMA記錄其工作情況。

然而，F(xiàn)-35項(xiàng)目使PMA與飛機(jī)保持同步以開(kāi)展維修一直比較困難耗時(shí)。在許多情況下，維修人員必須試圖同時(shí)將多個(gè)PMA與一架飛機(jī)連接，以便找到一臺(tái)能與飛機(jī)成功連接的PMA。這些連接被稱作維修人員與飛機(jī)接口（MVI）會(huì)議。偶爾，這些PMA在一次MVI會(huì)議期間斷開(kāi)連接，也妨礙了高效率維修。

2016年，F(xiàn)-35項(xiàng)目引入了改進(jìn)的MVI電纜適配器來(lái)預(yù)防意外的物理斷開(kāi)連接，已見(jiàn)成效。還有一些軟件相關(guān)的問(wèn)題，諸如PMA與飛機(jī)連接需要幾秒到數(shù)分鐘。這偶爾導(dǎo)致維修人員因誤認(rèn)為未能連上而斷開(kāi)PMA，直到ALIS管理員重置它來(lái)解決問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)。

2.3.4ALIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的問(wèn)題

自主保障信息系統(tǒng)（ALIS）也是困擾F-35項(xiàng)目已久的一個(gè)重要軟件問(wèn)題，進(jìn)度不斷延遲（完成F-35研制試驗(yàn)所需的ALIS版本直到最初計(jì)劃的8年后（2018年）才發(fā)布），存在大量系統(tǒng)缺陷，高虛警率和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤影響管理人員對(duì)飛機(jī)健康狀況的正確判斷，零部件管理混亂增加了維修保障人員的負(fù)擔(dān)，已成為影響F-35飛機(jī)戰(zhàn)備完好性的重要因素。

提供的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不完整的問(wèn)題成為ALIS首要的一個(gè)使用問(wèn)題。ALIS提供的數(shù)據(jù)往往不完整或完全錯(cuò)誤。如在飛機(jī)沒(méi)有問(wèn)題時(shí)給出錯(cuò)誤提示，造成飛機(jī)停飛。ALIS系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生HRC追蹤機(jī)隊(duì)中飛機(jī)的維修狀態(tài)，如果該軟件檢測(cè)到某架飛機(jī)上的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，它將建立一個(gè)否定的健康報(bào)告，并依據(jù)該問(wèn)題的嚴(yán)重程度將飛機(jī)判定為不具備任務(wù)能力。這將使飛機(jī)停飛，直至健康報(bào)告中的問(wèn)題得到診斷和修復(fù)，如果報(bào)告的健康問(wèn)題是虛假的，管理員將中斷該系統(tǒng)。外場(chǎng)報(bào)告表明ALIS報(bào)告的問(wèn)題有80%是虛假的，這為F-35本來(lái)已經(jīng)超負(fù)荷的維修團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了大量額外負(fù)擔(dān)。此外，ALIS軟件的設(shè)計(jì)使得管理員難以中斷該系統(tǒng)、阻止飛機(jī)停飛。這個(gè)問(wèn)題從2012年就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為此項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了多個(gè)軟件補(bǔ)丁。

由于ALIS中數(shù)據(jù)的不可靠性，F(xiàn)-35站點(diǎn)的用戶都在收集和跟蹤系統(tǒng)外部的信息，一個(gè)站點(diǎn)估計(jì)每年平均花費(fèi)5000～10000h手動(dòng)跟蹤應(yīng)該在ALIS中自動(dòng)獲得的信息。許多設(shè)計(jì)為自動(dòng)的功能需要手動(dòng)完成，帶來(lái)人力和時(shí)間浪費(fèi)。

2020年1月，美國(guó)國(guó)防部宣布將用新的“運(yùn)行數(shù)據(jù)集成網(wǎng)絡(luò)”（ODIN）替代ALIS系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建基于云的系統(tǒng)，采用敏捷開(kāi)發(fā)模式。美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃將于2020年9月交付第一臺(tái)新設(shè)備，2021年底首次投入使用，2022年12月前在所有F-35中隊(duì)全面投入運(yùn)行。

總之，F(xiàn)-35的PHM和ALIS的研制不是一蹴而就的，需較長(zhǎng)的成熟過(guò)程，而且二者密不可分。PHM如果不與ALIS整合，PHM就不能充分發(fā)揮作用，因此，徹底地落實(shí)ALIS（或未來(lái)的ODIN）才是萬(wàn)全之策。

3結(jié)論

PHM技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷、故障預(yù)測(cè)、系統(tǒng)集成三個(gè)日益完善的階段。雖然軍民用飛機(jī)領(lǐng)域PHM技術(shù)的發(fā)展十分迅速，但是距離全面成熟應(yīng)用還有一定距離，主要在以下方面存在較大困難：（1）航電設(shè)備失效數(shù)學(xué)模型難以建立；（2）設(shè)備剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估精度不高；（3）間歇性故障預(yù)測(cè)方法還很不成熟等。當(dāng)前PHM技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以系統(tǒng)級(jí)集成應(yīng)用為牽引，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)（建模仿真、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等）、人工智能技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù)，提高故障診斷與預(yù)測(cè)精度、擴(kuò)展健康管理的應(yīng)用對(duì)象范圍，支持增強(qiáng)型基于狀態(tài)的維修（CBM+）/預(yù)測(cè)性維修等方面。

人們普遍認(rèn)為，PHM/IVHM技術(shù)目前雖然仍在成熟中，有許多問(wèn)題尚待解決，但它代表了未來(lái)的一種重要發(fā)展趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯王昕）

作者簡(jiǎn)介

張寶珍（1967-）女，碩士，研究員。主要研究方向：通用質(zhì)量特性及試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)情報(bào)研究。

Tel：010-57827746

E-mail：baozhenznew@163.com

王萍（1981-）女，碩士，副研究員。主要研究方向：試驗(yàn)與測(cè)試及綜合保障技術(shù)情報(bào)研究。

Tel：010-57827744E-mail：towangping@163.com

Recent Development of Aircraft PHM Technology and Problems and Challenges Encountered in the Application on F-35

Zhang Baozhen*，Wang Ping

Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100029，China

Abstract： In recent years， prognostics and health management （PHM） technology， as one of the core technologies to reduce costs， realize condition-based maintenance and autonomous logistics， has been paid more and more attention by the military， industry and academia all over the world. At present， the PHM system of the U.S. F-35 Joint strike aircraft （JSF）， which represents the highest level in the field of military aircraft in the world， is still in the stage of development and maturation and the technical maturity is still not high enough， especially the progress delay and problems of the autonomous logistics information system （ALIS）， which is used with PHM， have become an important issue affecting the development progress of the F-35 program. The U.S. Department of Defense is building a new ODIM instead of ALIS.This paper summarizes the development and application of foreign aircraft PHM technology， focusing on the F-35 PHM system and its closely related ALIS system in recent years， the development progress， problems and challenges encountered and countermeasures.

Key Words： PHM； diagnostics； prognostics； current development and application； F-35 PHM system； problems and challenges