航空裝備故障預(yù)測與健康管理的數(shù)據(jù)體系研究

曲昌琦 周銳 杜寶 隆金波

摘要：故障預(yù)測與健康管理（prognostic health management，PHM）是一種利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，針對(duì)航空裝備的當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測、診斷以及預(yù)測從而得到智能決策的技術(shù)。PHM能最大限度地保障航空裝備的運(yùn)行安全，提高保障任務(wù)的能力。在PHM的整個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，目前已有部分國內(nèi)外機(jī)構(gòu)針對(duì)PHM數(shù)據(jù)體系進(jìn)行了研究與構(gòu)建，然而大部分的數(shù)據(jù)僅僅是針對(duì)PHM數(shù)據(jù)的管理維護(hù)方面做了探討，并不能清晰地、深入地梳理出現(xiàn)役航空裝備的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，所以構(gòu)建一套完整的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)成為當(dāng)前極為重要的工作。本文以航空裝備PHM技術(shù)為背景，貫穿裝備生產(chǎn)制造全生命周期時(shí)間線，基于PHM系統(tǒng)的設(shè)備級(jí)、區(qū)域級(jí)、平臺(tái)級(jí)數(shù)據(jù)的構(gòu)建、融合為主線，補(bǔ)全PHM數(shù)據(jù)管理維護(hù)數(shù)據(jù)，形成一套具有航空裝備特色的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，完善PHM不同數(shù)據(jù)要素之間的邏輯關(guān)系。

關(guān)鍵詞：航空裝備；故障預(yù)測；健康管理；數(shù)據(jù)體系

中圖分類號(hào)：V37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.008

隨著我國航空裝備的大力發(fā)展，對(duì)航空裝備的通用質(zhì)量特性提出很高的要求，故障預(yù)測與健康管理（PHM）作為航空裝備的診斷預(yù)測技術(shù)，能最大程度地保障航空裝備的運(yùn)行和使用安全，完成既定的任務(wù)，并且能降低全生命周期的維護(hù)費(fèi)用。PHM技術(shù)利用盡可能少的傳感器采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助智能算法（如物理模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等）評(píng)估系統(tǒng)對(duì)象的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修[1-2]。PHM可以降低維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性，優(yōu)化維修決策機(jī)制，并為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和建議決策[3-4]。

數(shù)據(jù)作為PHM中的輸入尤為重要，數(shù)據(jù)的不全面以及不準(zhǔn)確將導(dǎo)致航空裝備在維修保障中不能有效地降低維修成本，同樣也不能正確地指導(dǎo)航空裝備的正向設(shè)計(jì)，不能為正向設(shè)計(jì)帶來指導(dǎo)作用。目前國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)、高校大多在研究PHM的數(shù)學(xué)模型算法，很少有學(xué)者在PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)上做深入的研究和探討。

隨著航空裝備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、飛行任務(wù)的多樣化，在飛行過程中，決策的重要性就日益突出。決策的正確與否會(huì)關(guān)系到飛行的安全，而進(jìn)行決策的基礎(chǔ)是依靠在執(zhí)行任務(wù)過程中采集到的數(shù)據(jù)，針對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合，利用決策樹和決策方法來判斷航空裝備的狀態(tài)，并且提出相應(yīng)的建議[5-6]。但是進(jìn)行正確決策的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，因此，在現(xiàn)代航空裝備的健康管理體系中，數(shù)據(jù)是被擺在第一位的，如果不能明確哪些數(shù)據(jù)作為輸入部分應(yīng)用到PHM技術(shù)中，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)整合程度低等問題，使得PHM技術(shù)不能完全發(fā)揮其實(shí)際意義[7-8]。因此需要構(gòu)建出一套完整的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，確保數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、研制以及使用過程中的完整性，并將這一類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、使用時(shí)機(jī)和產(chǎn)生時(shí)機(jī)進(jìn)行深入梳理，從而最大程度地發(fā)揮數(shù)據(jù)在航空裝備健康管理體系中的價(jià)值。

本文以航空裝備PHM技術(shù)為背景，貫穿航空裝備生產(chǎn)制造全生命周期時(shí)間線，基于PHM系統(tǒng)的設(shè)備級(jí)、區(qū)域級(jí)、平臺(tái)級(jí)數(shù)據(jù)的構(gòu)建、融合為主線，補(bǔ)全航空裝備PHM數(shù)據(jù)管理維護(hù)數(shù)據(jù)，形成一套具有航空裝備特色的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，完善航空裝備PHM不同數(shù)據(jù)要素之間的邏輯關(guān)系。

1航空裝備健康管理數(shù)據(jù)

1.1數(shù)據(jù)類型

航空裝備在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及使用的過程中會(huì)產(chǎn)生很多的數(shù)據(jù)，一是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要來自于基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的業(yè)務(wù)系統(tǒng)或按二維表結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯表達(dá)的數(shù)據(jù)；二是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如圖片、音頻、視頻、報(bào)告、文檔等形式的數(shù)據(jù)；三是半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如XML、HTML文件等。

航空裝備的數(shù)據(jù)從收集使用的角度可按以下幾種類型劃分：（1）航空裝備定義數(shù)據(jù)：航空裝備的基本組成結(jié)構(gòu)特征、性能技術(shù)指標(biāo)、固有質(zhì)量特性的一組數(shù)據(jù)，包括如航空裝備、子系統(tǒng)和組部件的基本配置關(guān)系，設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)報(bào)告，可靠性。（2）航空裝備健康評(píng)估數(shù)據(jù)：運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、操作狀態(tài)數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果、預(yù)測結(jié)果、模型算法數(shù)據(jù)等。（3）航空裝備健康決策數(shù)據(jù)：任務(wù)數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)、備件數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等。（4）其他數(shù)據(jù)：成本數(shù)據(jù)、履歷數(shù)據(jù)、技術(shù)資料等。

1.2數(shù)據(jù)來源

航空裝備的健康管理的數(shù)據(jù)來源主要從以下幾個(gè)階段來考慮。首先是針對(duì)航空裝備的設(shè)計(jì)階段，包括航空裝備的設(shè)計(jì)規(guī)范報(bào)告，其次是針對(duì)航空裝備的使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如傳感器采集的數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)信息，最后通過智能算法產(chǎn)生的決策信息指導(dǎo)維修航空裝備：（1）航空裝備的設(shè)計(jì)規(guī)范報(bào)告、性能技術(shù)指標(biāo)等輸入數(shù)據(jù)；（2）用來設(shè)計(jì)航空裝備所要求的通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)；（3）航空裝備的層級(jí)之間的數(shù)據(jù)；（4）航空裝備組件級(jí)別的交聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)；（5）航空裝備的所有傳感器的采集數(shù)據(jù)；（6）所有航空裝備的故障信息、狀態(tài)信息數(shù)據(jù)；（7）發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組警告系統(tǒng)（engine indication and crew alerting system，EICAS）生成的所有的有關(guān)航空裝備的警告信息；（8）其他數(shù)據(jù)信息。

1.3數(shù)據(jù)特點(diǎn)

航空裝備數(shù)據(jù)本身具備以下的一些特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量大，類型眾多，管理難度大；數(shù)據(jù)使用周期長，對(duì)共享程度要求高；數(shù)據(jù)按批/架次管理；存在數(shù)據(jù)集成的問題；數(shù)據(jù)應(yīng)長期保存，數(shù)據(jù)安全性要求高。

健康管理的數(shù)據(jù)在航空裝備的數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上有一些大數(shù)據(jù)固有的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，不僅對(duì)正常使用的數(shù)據(jù)要做到記錄，同時(shí)也要對(duì)故障數(shù)據(jù)、衰退曲線做到記錄；不僅對(duì)系統(tǒng)之間的功能數(shù)據(jù)做好記錄，也要能及時(shí)梳理出數(shù)據(jù)之間的傳遞和關(guān)聯(lián)關(guān)系，而且數(shù)據(jù)要做到實(shí)時(shí)性強(qiáng)，不然達(dá)不到監(jiān)測、診斷以及預(yù)測的能力。主要有以下特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)量龐大

初期裝備的數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)規(guī)模較少，使用過程中隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)體量會(huì)愈發(fā)龐大，其中包含了大量的正常使用數(shù)據(jù)，僅有少部分的故障數(shù)據(jù)以及衰退曲線數(shù)據(jù)，如何從龐大的數(shù)據(jù)體量中對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選成為PHM數(shù)據(jù)需求的一個(gè)難點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)的多樣性

數(shù)據(jù)的多樣性體現(xiàn)在復(fù)雜裝備中的系統(tǒng)較多，系統(tǒng)之間的關(guān)系非常復(fù)雜，耦合性強(qiáng)。采集的數(shù)據(jù)類型豐富（振動(dòng)、壓力、電壓、電流、溫度、噪聲等）；數(shù)據(jù)的維度多樣：運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制狀態(tài)數(shù)據(jù)、可靠性數(shù)據(jù)、備件數(shù)據(jù)；如何通過多樣的數(shù)據(jù)來表征當(dāng)前裝備的健康狀況以及壽命曲線成為PHM數(shù)據(jù)的另一個(gè)難點(diǎn)。

（3）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性

PHM的功能有狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及壽命預(yù)測，如果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性差，監(jiān)測的狀態(tài)就會(huì)有偏差從而導(dǎo)致誤報(bào)信息，甚至在發(fā)生故障的時(shí)候不能做出相應(yīng)的決策從而導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。

（4）數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性在PHM技術(shù)體系中也是至關(guān)重要的，數(shù)據(jù)作為PHM的輸入部分，其真實(shí)性不能得到保障會(huì)造成后端輸出結(jié)果以及決策支持的誤導(dǎo)，所以PHM的數(shù)據(jù)需要確保其準(zhǔn)確有效。

1.4數(shù)據(jù)格式

航空裝備的健康管理數(shù)據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)格式做標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化航空電子測試數(shù)據(jù)采集和記錄機(jī)制是保證飛機(jī)安全、提高出勤率和訓(xùn)練效果、支持飛機(jī)有效使用的基礎(chǔ)，有著重要的意義：

（1）隨著飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與交聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜，規(guī)范化航空裝備健康管理數(shù)據(jù)采集和記錄機(jī)制可以將飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)信息快速、有效、全面地獲取并且存儲(chǔ)下來，保證飛機(jī)安全和支持飛機(jī)有效地使用。

（2）規(guī)范化航空裝備健康管理數(shù)據(jù)采集和記錄機(jī)制，會(huì)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析飛機(jī)的飛行狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)故障，會(huì)報(bào)警并且確定故障級(jí)別及提供應(yīng)對(duì)措施。

（3）規(guī)范化航空裝備數(shù)據(jù)采集和記錄機(jī)制進(jìn)行深入的“信息挖掘”，可以為飛機(jī)的地面維護(hù)、故障分析、訓(xùn)練效果與作戰(zhàn)性能評(píng)估等提供有效的分析手段和決策支持。

對(duì)航空裝備的數(shù)據(jù)規(guī)范化可分別從以下幾個(gè)角度進(jìn)行考慮。

（1）基本數(shù)據(jù)字典

基本數(shù)據(jù)字典是對(duì)所有各類數(shù)據(jù)的規(guī)范化文件要求，具體包含基礎(chǔ)編碼和數(shù)據(jù)的規(guī)范要求，包括數(shù)據(jù)編碼及數(shù)據(jù)類型等。上述數(shù)據(jù)字典應(yīng)該包括相關(guān)數(shù)據(jù)的字段名稱、屬性名稱、數(shù)據(jù)類型等說明。

（2）關(guān)系數(shù)據(jù)信息

采用數(shù)據(jù)表單形式存儲(chǔ)的裝備、保障系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)等規(guī)定的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)列出關(guān)系模式。

（3）電子文件數(shù)據(jù)

對(duì)描述具體功能、原理或結(jié)構(gòu)所涉及的電子文件，使用相對(duì)路徑存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，利用表格存儲(chǔ)文件信息。

2傳統(tǒng)PHM相關(guān)的數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

2.1民機(jī)PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

圖1是某民機(jī)故障診斷、預(yù)測與健康管理（diagnosis prognosis and health management，DPHM）支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖，每個(gè)核心業(yè)務(wù)體現(xiàn)DPHM健康管理支持系統(tǒng)與民機(jī)運(yùn)營支持核心業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換關(guān)系，其中涉及的運(yùn)營支持主要業(yè)務(wù)職能域包括：服務(wù)構(gòu)型管理、技術(shù)支援、工程支援、維修支援、航材工程、技術(shù)出版物、飛行運(yùn)行支援等，外部相關(guān)包括供應(yīng)商、第三方航材維修機(jī)構(gòu)（maintenance， repair & operations，MRO）、航空公司等[9]。

DPHM健康管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來源主要體現(xiàn)在飛機(jī)自動(dòng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、電子化手冊(cè)的數(shù)據(jù)、在役飛機(jī)的構(gòu)型管理、維修支援信息以及備件的信息，通過DPHM的模型進(jìn)行處理后將故障信息、預(yù)測信息等關(guān)鍵信息上報(bào)到供應(yīng)商，將運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息上報(bào)到航空公司。民機(jī)健康管理應(yīng)用的大數(shù)據(jù)層涉及飛機(jī)健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)種類多、量級(jí)大、格式復(fù)雜，包括機(jī)載監(jiān)控傳感器機(jī)組數(shù)據(jù)、故障報(bào)告、維護(hù)數(shù)據(jù)、服務(wù)通告等，業(yè)務(wù)邏輯層通過對(duì)各類健康數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合收集和管理，分析典型系統(tǒng)故障特點(diǎn)及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，應(yīng)用預(yù)測模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、識(shí)別、推理、預(yù)測等處理，對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障定位、趨勢分析以及健康狀況評(píng)估；決策輸出層形成健康分析報(bào)告與維修派遣決策，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為航空公司可直接識(shí)別與應(yīng)用的維修保障工作指令，與運(yùn)行控制、維修控制、機(jī)務(wù)維修等主要業(yè)務(wù)流程高度融合，提高航空公司運(yùn)營效率，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。其中，供應(yīng)商和MRO從DPHM系統(tǒng)中得到故障信息，得到數(shù)據(jù)后可以安排排故維修的流程。

然而該民機(jī)數(shù)據(jù)體系架構(gòu)缺少設(shè)計(jì)時(shí)健康管理數(shù)據(jù)的展現(xiàn)過程，同時(shí)各階段的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系梳理得不夠明確。

2.2試驗(yàn)裝備保障大數(shù)據(jù)管理體系架構(gòu)

參考文獻(xiàn)[10]提出了一個(gè)試驗(yàn)裝備保障大數(shù)據(jù)管理體系總體架構(gòu)，針對(duì)當(dāng)前試驗(yàn)裝備保障數(shù)據(jù)建設(shè)方面存在的問題及其數(shù)據(jù)量巨大、來源分散、格式多樣等特點(diǎn)，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)概念及核心技術(shù)，提出了一種試驗(yàn)裝備保障大數(shù)據(jù)管理體系的構(gòu)建思路，并對(duì)其總體架構(gòu)、功能及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，為研究新形勢下試驗(yàn)裝備保障體系建設(shè)提供有益的參考價(jià)值，提高試驗(yàn)裝備保障決策的科學(xué)性，使試驗(yàn)裝備保障更加智能化、精確化、快速化。

如圖2所示，該體系主要是針對(duì)裝備保障大數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的管理，該數(shù)據(jù)體系包括兩個(gè)部分：安全防護(hù)體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。安全防護(hù)體系分別從數(shù)據(jù)的采集端到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的接口部分均給出了數(shù)據(jù)在不同層級(jí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是一個(gè)自底向上的傳遞過程，最終通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理后給出試驗(yàn)裝備的各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，如試驗(yàn)裝備保障業(yè)務(wù)管理、試驗(yàn)裝備保障綜合信息展現(xiàn)、試驗(yàn)裝備管理保障能力分析、試驗(yàn)裝備發(fā)展趨勢分析、試驗(yàn)任務(wù)保障能力評(píng)估。

然而該架構(gòu)并沒有從需求分析入手，沒有優(yōu)化數(shù)據(jù)采集的過程，另外該架構(gòu)也僅僅是針對(duì)裝備試驗(yàn)階段的大數(shù)據(jù)管理體系，并沒有考慮到整個(gè)航空裝備的全壽命周期階段，同時(shí)并沒有將數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及處理過程關(guān)聯(lián)起來，導(dǎo)致數(shù)據(jù)體系的各個(gè)模塊呈現(xiàn)出孤島行為。

3航空裝備PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

本文的PHM數(shù)據(jù)體系分別從航空裝備的全生命周期的維度以及航空裝備健康管理的物理架構(gòu)的維度對(duì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)之間的接口進(jìn)行了描述（見圖3）。

3.1基于生命周期維度

在方案階段，以需求為牽引，收集類似航空裝備型號(hào)PHM覆蓋情況，確定PHM數(shù)據(jù)需求，并對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別、篩選；方案階段制訂好適合PHM技術(shù)開發(fā)的各數(shù)據(jù)方案；研制階段的FMEA數(shù)據(jù)體系，通過使用階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行清洗，針對(duì)診斷和預(yù)測進(jìn)行校驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（1）論證階段

在論證階段首先搜集類似型號(hào)的設(shè)計(jì)規(guī)范報(bào)告、設(shè)計(jì)要求報(bào)告，搜集性能要求指標(biāo)，并根據(jù)類似型號(hào)的PHM覆蓋情況，確定PHM的數(shù)據(jù)需求，完成需求的轉(zhuǎn)化，最終將需求進(jìn)行分配，充分論證數(shù)據(jù)需求的必要性。

（2）方案階段

方案階段應(yīng)明確監(jiān)測對(duì)象，明確診斷層級(jí)以及診斷指標(biāo)，確定預(yù)測的對(duì)象，最終確認(rèn)傳感器的安裝位置，明確好需要的數(shù)據(jù)類型，制訂好數(shù)據(jù)的傳輸方案、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案以及數(shù)據(jù)融合方案，最終明確頂層數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系，建立好數(shù)據(jù)的采集機(jī)制。

（3）研制階段

航空裝備的研制階段應(yīng)針對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，根據(jù)需求得到的性能指標(biāo)對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、傳輸，以及監(jiān)測模型、診斷模型、預(yù)測模型的構(gòu)建，并形成能指導(dǎo)綜合保障的決策信息。

（4）使用階段

所有的數(shù)據(jù)要能做到可追溯，并在使用過程中對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、正確性以及適用性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)診斷的結(jié)果以及預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

3.2基于物理架構(gòu)維度

從裝備的層級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)體系研究，從成員級(jí)、區(qū)域級(jí)到最終的平臺(tái)級(jí)的數(shù)據(jù)體系構(gòu)建，先確定好成員級(jí)所需的數(shù)據(jù)，然后確認(rèn)好傳感器的位置，并對(duì)傳感器的布局進(jìn)行優(yōu)化，制訂好數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)以及融合方案，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并形成區(qū)域級(jí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用模型，最后明確頂層的數(shù)據(jù)關(guān)系，將成員級(jí)、區(qū)域級(jí)的數(shù)據(jù)信息最終形成能表達(dá)平臺(tái)級(jí)的健康指標(biāo)。

最后從PHM不同功能進(jìn)行研究，從狀態(tài)檢測、健康評(píng)估、預(yù)測評(píng)估以及決策生成方面對(duì)數(shù)據(jù)的要求及需求進(jìn)行捕獲，對(duì)不同功能的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選以及融合，最終達(dá)到設(shè)備級(jí)的狀態(tài)監(jiān)測、區(qū)域級(jí)的故障診斷以及整個(gè)平臺(tái)的健康度評(píng)估，對(duì)關(guān)鍵部件、關(guān)鍵系統(tǒng)以及整個(gè)航空裝備的壽命進(jìn)行預(yù)測。

3.3基于功能架構(gòu)維度

（1）監(jiān)測

在論證階段和方案階段先確定好設(shè)備級(jí)監(jiān)測對(duì)象，在設(shè)計(jì)階段根據(jù)應(yīng)用場景構(gòu)建監(jiān)測的模型，并在最終的使用階段對(duì)監(jiān)測模型進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）診斷

在論證階段和方案階段確定好區(qū)域級(jí)的診斷指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)確認(rèn)好測試的傳感器以及機(jī)內(nèi)BIT等是否滿足要求，如果不能滿足，要在原有的測試基礎(chǔ)上增加測試，如人工測試或者ATE等，最終在設(shè)計(jì)階段形成區(qū)域級(jí)的診斷推理模型，在使用階段進(jìn)行診斷能力的確認(rèn)與驗(yàn)證。

（3）預(yù)測

在論證階段和方案階段確認(rèn)好關(guān)鍵設(shè)備作為預(yù)測對(duì)象，在設(shè)計(jì)階段通過采集數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)測模型，在使用階段驗(yàn)證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

PHM非常適合應(yīng)用于復(fù)雜裝備系統(tǒng)，它能夠很好地提高裝備綜合保障能力。數(shù)據(jù)在PHM中占據(jù)重要的角色，本文對(duì)當(dāng)前航空裝備的數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理，從數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)格式等進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)PHM系統(tǒng)分別從三個(gè)維度上對(duì)航空裝備PHM的數(shù)據(jù)體系架構(gòu)進(jìn)行了描述。通過研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）基于生命周期維度，從不同階段對(duì)裝備需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行了描述及匯總，將不同階段的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了描述。

（2）基于物理架構(gòu)維度，從不同的物理層級(jí)上入手對(duì)PHM的數(shù)據(jù)之間的需求分配進(jìn)行描述。

（3）基于不同功能維度，對(duì)不同功能需求的數(shù)據(jù)進(jìn)行了描述，最終完善PHM數(shù)據(jù)體系的框架，使該數(shù)據(jù)體系在不同功能上具有完整性。

通過建立航空裝備的健康管理數(shù)據(jù)體系旨在解決數(shù)據(jù)規(guī)模大、增速快、共享利用不夠等問題，介紹了航空裝備健康管理數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)來源及特點(diǎn)，通過比對(duì)傳統(tǒng)的健康管理相關(guān)的數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，分析傳統(tǒng)數(shù)據(jù)體系對(duì)于航空裝備的當(dāng)前數(shù)據(jù)體系情況提出了一種針對(duì)航空裝備健康管理數(shù)據(jù)體系的研究思路，著重從統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范采集方式、數(shù)據(jù)分析展現(xiàn)、總體架構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究分析，實(shí)現(xiàn)了航空裝備保障數(shù)據(jù)共享與利用和提高任務(wù)保障能力。

參考文獻(xiàn)

[1]宋太亮.裝備綜合保障實(shí)施指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012. Song Tailiang. Implementation guide for comprehensive equipment support[M]. Beijing： Tsinghua University， 2012.（in Chinese）

[2]單志偉.裝備綜合保障工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007. Shan Zhiwei. Equipment comprehensive support project[M] Beijing： National Defense Industry Press，2007.（in Chinese）

[3]聞化，胡志偉.裝備故障預(yù)測與健康管理能力驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2019，27（11）：260-264. Wen Hua，Hu Zhiwei. Equipment failure prediction and health management ability verification and evaluation technology.[J] Computer Measure & Control， 2019，27（11）：260-264.（in Chinese）

[4]彭宇，劉大同，彭喜元.故障預(yù)測與健康管理技術(shù)綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2010， 24（1）： 1-9. Peng Yu，Liu Datong Peng Xiyuan. A review of failure prediction and health management technology[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument， 2010， 24（1）： 1-9.（in Chinese）

[5]Jardine D，Lin D，Banjevic D. A review on machinery diagnostics and prognostics implementing condition-based maintenance [J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2006，20（7）：1483-1510.

[6]Stan O. Integrated vehicle health management for aerospace platform[J].IEEEInstrumentationandMeasurement Magazine，2002，5（3）：21-24.

[7]曾聲奎，Pecht M，吳際.故障預(yù)測與健康管理（（PHM）技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào)，2005， 26（5）： 626-632. Zeng Shengkui， Pecht M， Wu Ji. Status and perspectives of prognostics and health management technologies[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2005， 26（5）： 626-632.（in Chinese）

[8]Kan M S，Tan C. A review on prognostic techniques for nonlinear rotating systems[J]. Systems and Signal Processing，2015（62-63）：1-20，

[9]劉煜原，陳曦.基于DPHM的民用飛機(jī)地面支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2016，24（10）：28-31. Liu Yuyuan， Chen Xi.Design of civil aircraft ground support system based on DPHM[J]. Computer Measure & Control， 2016，24（10）：28-31.（in Chinese）

[10]Liu J，Wang W，Ma F，et al. A data-model-fusion prognostic framework for dynamic system state forecasting[J]. EngineeringApplications ofArtificial Intelligence，2012，25（4），814-823.

（責(zé)任編輯王昕）

作者簡介

曲昌琦（1988-）男，碩士，工程師。主要研究方向：裝備故障診斷、故障預(yù)測及裝備健康管理方向。

Tel：010-61659354E-mail：qcqdhr@sina.coom

周銳（1993-）男，碩士，工程師。主要研究方向：故障診斷與預(yù)測健康管理方向。

隆金波（1998-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：故障預(yù)測研究。

Research on PHM Data System Architecture for Aviation Equipment

Qu Changqi*，Zhou Rui，Du Bao，Long Jinbo

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Combined Environment，AVIC China Aero-Poly Technology Establishment，Beijing 100028，China

Abstract： Prognostic Health Management （PHM） is a technology that uses the collected data to perform data processing to obtain intelligent decision-making for the current state of aviation equipment monitoring， diagnosis and prediction. PHM can guarantee the operational safety of aviation equipment to the utmost extent and improve the capability of supporting tasks. A large amount of data will be generated during the entire phase of PHM. At present， some domestic and foreign institutions have conducted research and construction on the PHM data system. However， most of the data is only for the management and maintenance of PHM data， which can not clearly sort out the logical relationship between the design data， usage data， and verification data of active aviation equipment， so building a complete PHM data system architecture has become an extremely important task at present. This paper takes the PHM technology of aviation equipment as the background， runs through the entire life cycle timeline of equipment manufacturing， and based on the construction and integration of the equipment-level， regional-level， and platformlevel data of the PHM system， it complements the PHM data management and maintenance data to form a set The PHM data system architecture with aviation equipment characteristics improves the logical relationship between different data elements of PHM.

Key Words： aviation equipment； prognostic； health management； data architecture