民機故障預測與健康管理系統(tǒng)頂層架構設計技術研究

(1.上海交通大學 航空航天學院，上海 200240; 2.第一飛機設計研究院，西安 710089)

0 引言

民機故障預測與健康管理(簡稱PHM)技術是保證飛機運營安全、實現(xiàn)飛機基于狀態(tài)維修和降低飛機運營經濟性的關鍵技術，在技術層次上涉及總體技術、系統(tǒng)技術、基礎技術等領域，在應用上又涉及機載、地面、航空公司運營管理/維護支持、工業(yè)部門客服等。因此，民機PHM技術設計跨專業(yè)、跨部門的協(xié)同，因此需要詳細規(guī)劃、系統(tǒng)研究[1-3]。

既往國內對PHM技術的研究多集中于PHM基礎技術方面，如故障預測與健康管理的模型如何建立、以及建模工具等方面；在“十二五”期間，工信部組織專家按6個專業(yè)方向編制了民機科研的規(guī)劃，其中涉及PHM技術的有4個專業(yè)組。各專業(yè)的先行研究使得目標和結果表現(xiàn)得沖突且重疊，最終的成果形式難以在飛機的工程研制中得以應用。主要原因是在頂層設計，PHM技術研究缺乏成體系的頂層架構、功能定義、指標體系、功能組成等技術方面的研究，造成具體技術的研究目標不清晰。為此，需先行研究飛機PHM的頂層架構設計技術[4-5]。

1 總體思路及研究內容

1.1 總體思路

現(xiàn)在PHM的技術研究五花八門，各成體系但卻沒有實質性進展，主要是因為缺少PHM系統(tǒng)的頂層架構。頂層架構是PHM系統(tǒng)技術研究的基礎，可以依此來規(guī)范和指導飛機PHM系統(tǒng)的設計。

在基于模型的系統(tǒng)工程中, 最基本的要素是要滿足使用的需求。因此，PHM頂層架構技術研究也從需求開始，通過使用需求來確定架構的功能，再由功能分析來確定實現(xiàn)構型，將功能構型進行綜合確定總體架構。通過仿真驗證，架構又能涵蓋功能，功能又能滿足使用，就證明這是一個工程實用的頂層架構。

因此，我們需要在使用結構的基礎上，確定系統(tǒng)的功能要求，按照功能要求逐項對每個功能進行實現(xiàn)構型分析，然后將每個構型進行綜合，形成民機PHM系統(tǒng)的頂層架構。然后，與功能進行反復疊代、不斷完善，最終確定民機PHM系統(tǒng)的頂層架構?？偟难芯克悸啡鐖D1所示。

圖1 研究思路

1.2 PHM的使用場景及需求分析

PHM系統(tǒng)的使用場景：PHM連續(xù)監(jiān)控裝備的使用、健康和安全，檢測部件或分系統(tǒng)的性能降級情況，然后隔離故障，預計失效時間，并計劃需要完成的必要維修工作。在裝備返回基地之前，把需要進行的維修活動信息通過數(shù)據(jù)鏈傳給后勤，使其提前做好準備。

PHM系統(tǒng)的通常組成分為機上健康檢測和地面維護管理系統(tǒng)兩個部分。根據(jù)PHM系統(tǒng)的特殊性，按照使用/維護場景進行劃分，其通常包括6個節(jié)點：

1)客服的使用狀態(tài)實時監(jiān)控平臺和產品支援、設計/支持團隊的熟化工具等；

2)機上PHM系統(tǒng):連接機上-地面PHM系統(tǒng)的數(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;

6)地面運營管理系統(tǒng)-使用狀態(tài)實時監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。

在飛機的飛行過程中，通過機載PHM系統(tǒng)節(jié)點2)對飛機的狀態(tài)進行監(jiān)控，并對所有系統(tǒng)的故障信息自動進行相互關聯(lián)，確認并隔離故障，最終形成維修信息和供飛行員使用的知識信息，通過節(jié)點4)傳送給地面航路點的數(shù)據(jù)站點，由航路點網(wǎng)絡系統(tǒng)傳送給地面健康管理平臺(節(jié)點3))，地面健康管理平臺(節(jié)點3))和航空公司的地面運營管理系統(tǒng)(節(jié)點4))據(jù)此來判斷飛機的安全性，安排飛行任務，實施技術狀態(tài)管理，更新飛機的狀態(tài)記錄，調整使用計劃，生成維修工作項目，以及分析整個機群的狀態(tài)。而客服團隊(節(jié)點1))則根據(jù)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)絡通信系統(tǒng)(節(jié)點f))所傳的使用狀態(tài)信息，提供產品支援和產品熟化(節(jié)點1))。

1.3 研究內容

以總體思路為牽引，根據(jù)飛機的維護使用場景及需求分析，PHM頂層架構設計技術主要涉及以下5項研究內容：

1)PHM系統(tǒng)適航技術研究；

2)PHM系統(tǒng)頂層架構研究及功能定義技術研究；

3)機載PHM系統(tǒng)架構及功能布局研究；

4)PHM地面支持系統(tǒng)架構定義及參數(shù)定義技術研究；

5)PHM系統(tǒng)頂層架構仿真技術研究。

2 技術方案

2.1 民機PHM系統(tǒng)適航技術

雖然PHM技術近年來得到了快速發(fā)展，但目前還沒有完全統(tǒng)一的標準來規(guī)定PHM在飛機上的使用[5-8]。在適航方面，PHM需要解決兩個問題：

1)PHM功能合格審定或批準的方式；

2)PHM如何影響飛機、系統(tǒng)或機體的合格審定，從初始適航到持續(xù)適航。

由于PHM的功能目前仍作為咨詢系統(tǒng)來考慮，所以PHM不涉及飛行安全，研制功能以研制保證等級(DAL)E級來審定；PHM對飛機系統(tǒng)和機體合格審定的影響目前還沒有相應的規(guī)章，主要參數(shù)是結構或系統(tǒng)安全性評估的影響。

初始適航方面，PHM對系統(tǒng)的影響需要關注的標準主要是有PHM功能的CS.25 1309 解釋材料、涉及到PHM的系統(tǒng)研制的ARP的使用以及PHM功能研制ARP的使用；PHM對機體的影響需關注的標準主要是有PHM功能機體的CS25.302解釋材料、有PHM功能機體的CS25.571 解釋材料、與PHM相對的MSG3 過程。

持續(xù)適航方面，PHM需要關注事件報告相應的標準，需要對事件報告、糾正措施及事件報告信任水平三個方面進行關注；同時應關注PHM對使用限制的影響，關注ALS的第1到第4部，以及可能的第6部分；再次，PHM也應關注與維修相關的145部標準，所有地面設備145部要求定義的將是PHM地面設備的最低要求。

2.2 民機PHM系統(tǒng)頂層架構研究及功能定義技術研究

PHM系統(tǒng)從結構組成上來說包括三個部分：

1)機載PHM系統(tǒng)部分；

2)數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)部分；

3)地面PHM系統(tǒng)部分。

其功能的實現(xiàn)依賴于三個組成部分的相互協(xié)調配合，三個組成部分各自實現(xiàn)的總體功能如下：

1)機載PHM系統(tǒng)部分：通過有限的傳感器收集飛機相關系統(tǒng)和結構的信息，能夠進行故障檢測和初步故障診斷。

2)數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)部分：通過空地實時數(shù)據(jù)鏈路，在飛行過程中實時傳輸關鍵參數(shù)和信息；通過地面無線網(wǎng)絡，在飛機落地后傳輸大量數(shù)據(jù)信息。

3)地面PHM系統(tǒng)部分：在機上系統(tǒng)進行初步的故障診斷的基礎上，利用接收到的數(shù)據(jù)和信息，進行實時監(jiān)控與健康管理應用。地面PHM系統(tǒng)屬實時和事后處理系統(tǒng)，負責完成對機載PHM系統(tǒng)提交的數(shù)據(jù)、信息和結論進行綜合、仿真、評估、決策和優(yōu)化。對于機載PHM系統(tǒng)所需的與維修管理、備件供應和人員培訓等有關的需求做出恰當?shù)摹⒓皶r的和決策性的響應，并同時將有用的信息通過聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)向飛機設計系統(tǒng)反饋，并在同型號飛機之間共享。

民機PHM系統(tǒng)頂層架構研究及功能定義技術研究主要明確了民機PHM系統(tǒng)的使用結構、功能定義及與之配套的頂層架構，包括其組成、大致的連接關系等，使民機PHM系統(tǒng)研制、民機PHM技術研究及應用有一個總體的框架，為形成規(guī)范體系奠定了基礎，如圖2所示。

圖2 民機PHM系統(tǒng)的頂層架構圖

PHM能使飛機診斷自身的健康狀況，在事故發(fā)生前預測故障，并且給出使飛機維修時間最少的解決辦法。傳統(tǒng)上，空客、波音等國外民機公司主要依靠其供應商提供飛機健康維護系統(tǒng)以及其他集成商要求的性能參數(shù)/對象。一般系統(tǒng)的OMS被其作為一個黑盒子被集成在飛機層面，一般具有CMS和狀態(tài)監(jiān)控功能。對于更特殊的PHM，并無具體要求，現(xiàn)代PHM的概念通常是指利用傳感器來采集飛機及系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)信息，借助各種數(shù)據(jù)處理技術來診斷飛機及系統(tǒng)的健康狀態(tài)，因此，結合國內外民機相關PHM系統(tǒng)分析，根據(jù)民機PHM使用需求和功能需求，它應具有狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、預測以及健康管理4大能力，如圖3所示。

圖3 民機PHM系統(tǒng)功能圖

PHM系統(tǒng)指標體系再加上一些定性描述,基本涵蓋了PHM系統(tǒng)的4大功能，其中，數(shù)據(jù)采集頻率、誤報與漏報率、數(shù)據(jù)存儲容量分別對應狀態(tài)監(jiān)控功能中的數(shù)據(jù)采集功能、在線告警功能和數(shù)據(jù)存儲與管理子功能；故障檢測率和故障隔離率分別對應故障診斷功能中的故障檢測和隔離子功能；預測精度是PHM預測功能的度量單位；最后，用數(shù)據(jù)加卸載時間和使用可用度來反映健康管理功能。

2.3 民機機載PHM系統(tǒng)架構及功能布局研究

民機機載PHM系統(tǒng)架構及功能布局研究是參照空客、波音民機機載PHM系統(tǒng)的布局，研究民機機載PHM系統(tǒng)架構及功能布局，定義以ATA章節(jié)為對象背景的機載PHM系統(tǒng)架構及功能模塊，進而定義監(jiān)控參數(shù)及設計流程。

本研究內容是通過對國外典型民機型號(B747、A380等)的機載PHM系統(tǒng)基本結構和原理進行深入研究，采用共性技術提取、兼容民機機載功能系統(tǒng)的固有測試性設計，使機載PHM系統(tǒng)做到功能相對獨立，解決了機載PHM系統(tǒng)的技術架構問題[6-9]。

機載PHM系統(tǒng)的組成主要分布在ATA章節(jié)中，其中主要有23章通信、31章指示和記錄系統(tǒng)、42章集成模塊化航空電子、45章中央維護系統(tǒng)、46章信息系統(tǒng)。機載PHM系統(tǒng)的組成如圖4所示。

圖4 機載PHM系統(tǒng)組成圖

2.4 PHM地面支持系統(tǒng)架構定義技術研究

民機運行地面PHM系統(tǒng)的最終目的是要實現(xiàn)對飛機健康狀況及時、有效、準確的把握，以此為基礎實現(xiàn)預防性維護和視情維修。各相關模塊系統(tǒng)主要完成實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、高級診斷、數(shù)據(jù)加卸載及技術狀態(tài)管理以及預測、機隊健康管理、維修決策等基本功能，具體功能架構如圖5所示。

圖5 PHM地面支持系統(tǒng)功能架構圖

2.5 PHM系統(tǒng)頂層架構仿真技術研究

為了減少風險、提高可靠性、降低系統(tǒng)成本，需要先建立一個民機PHM架構的研究仿真平臺，有效驗證系統(tǒng)PHM架構的合理性、可行性和擴展性[10-11]。

通過對PHM功能組成(狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、診斷、壽命分析、機隊管理)和功能布局(機載PHM系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)、地空數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、機場維護保障系統(tǒng))，實現(xiàn)了對PHM頂層結構的仿真；仿真驗證平臺通過仿真運行數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計注入的故障激勵數(shù)據(jù)在實際運行中的結果，得出故障檢測率、隔離率、虛警率、健康度等性能指標和費效比評價的方法，實現(xiàn)了對PHM頂層架構的驗證評價；通過對飛行過程仿真、PHM功能仿真和驗證評價軟件模塊的集成調試和任務激勵，實現(xiàn)了PHM功能使用過程的演示。仿真驗證系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 民機PHM系統(tǒng)仿真驗證平臺

仿真驗證演示平臺將通過3臺計算機、若干顯示器和一臺無線路由組成。其中三臺計算機分別仿真任務配置和評價系統(tǒng)、仿真機上狀態(tài)監(jiān)控和地面健康管理系統(tǒng)；顯示器包括多功能告警顯示器、狀態(tài)監(jiān)控顯示器和維修控制中心顯示器；PHM仿真系統(tǒng)各個設備之間通過以太網(wǎng)和無線WIFI方式進行連接。

通過飛機PHM總體架構仿真技術研究，可實現(xiàn)如下技術指標：

1)飛機PHM系統(tǒng)頂總體構仿真可模仿飛機PHM系統(tǒng)的使用或應用流程，包括機載子系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)、地空數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、機場維護保障系統(tǒng)等；

2)實現(xiàn)飛機故障預測與健康管理系統(tǒng)主要功能仿真，完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、診斷、壽命分析、機隊管理等環(huán)節(jié)；

3)在架構確定的情況下，參照系統(tǒng)定義和系統(tǒng)參數(shù)類型完成對飛機故障預測與健康管理系統(tǒng)使用架構的仿真；在任務的驅動下，模擬飛機的使用、維修和保障過程，實現(xiàn)對整個架構系統(tǒng)組成的驗證演示；仿真驗證平臺通過仿真運行數(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、健康度等性能指標的設計來驗證PHM頂層架構的是否合理；

4)仿真驗證平臺通過配置管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對架構、子系統(tǒng)及參數(shù)的加載替換功能實現(xiàn)可擴展性，同時仿真驗證平臺友好界面可隨時查詢相關的參數(shù)信息，具有開放性。

通過飛機PHM總體架構仿真驗證平臺的研制可驗證故障預測與健康管理總體架構具有合理性、適用性和工程可實現(xiàn)性。

3 結束語

本文的研究內容突破了民機PHM系統(tǒng)頂層架構設計技術，初步確定我國民機PHM系統(tǒng)頂層架構、機載PHM系統(tǒng)架構、PHM地面支持系統(tǒng)架構等，初步形成民機PHM系統(tǒng)頂層架構的適航建議，能夠為我國民機廣泛采用PHM系統(tǒng)技術應用提供技術基準，為國內民機PHM系統(tǒng)技術的其他相關研究提供指導。

本文的研究成果和經驗應用將使民機PHM系統(tǒng)相關技術研究有了指導性的框架和范圍，建立國內民機PHM技術應用、工程研制的體系，保證架構能夠在持續(xù)適航的支持下發(fā)展，對民機PHM總體架構、功能分配以及定義的規(guī)范進行閉環(huán)仿真模擬，確定架構的適用性、合理性、可行性，形成的相關技術成果可以直接用于民用飛機PHM系統(tǒng)的設計研制。