航空電子系統(tǒng)預(yù)測與健康管理（PHM）設(shè)計(jì)研究

張海涵

摘 要：PHM技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用將成為新一代作戰(zhàn)飛機(jī)故障診斷體系的研究重點(diǎn)，必須進(jìn)行綜合、深入的研究。本文探討了航空電子系統(tǒng)PHM在驅(qū)動自主保障系統(tǒng)中的作用，研究了航空電子系統(tǒng)PHM的設(shè)計(jì)內(nèi)容，細(xì)致分析了航空電子系統(tǒng)PHM各層次的設(shè)計(jì)思路，這對最終實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)PHM的全面應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：PHM;航空電子系統(tǒng);設(shè)計(jì);維修保障

中圖分類號：V243;V267文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0043-03

Avionics System Prediction and Health Management （PHM） Design and Research

ZHANG Haihan

（Wuhu State-owned Machinery Factory， Wuhu Anhui 241000）

Abstract： The application of PHM technology in avionics systems will become the research focus of the new generation combat aircraft fault diagnosis system， and comprehensive and in-depth research must be carried out. This paper explored the role of avionics system PHM in driving autonomous support systems， studied the design content of avionics system PHM， and analyzed the design ideas of each level of avionics system PHM in detail， which could ultimately achieve the full application of avionics system PHM It is instructive.

Keywords： PHM;avionics system;design;maintenance support

預(yù)測與健康管理（PHM）系統(tǒng)具有智能檢測、故障診斷、趨勢預(yù)測、健康評估、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理和決策支持等功能。航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，與其他系統(tǒng)交聯(lián)緊密，具有多屬性、非線性等固定特征，系統(tǒng)故障的預(yù)警參數(shù)變化不夠明顯或?yàn)橥蛔冃盘枺@些因素的存在使得PHM技術(shù)在航電系統(tǒng)中的應(yīng)用更加具有挑戰(zhàn)性[1]。在這種情況下，航電系統(tǒng)的PHM設(shè)計(jì)工作顯得尤為重要，PHM技術(shù)在航電系統(tǒng)的應(yīng)用將成為新一代作戰(zhàn)飛機(jī)故障診斷體系的研究重點(diǎn)之一，人們要進(jìn)行綜合、深入的研究[2]。

1 航電系統(tǒng)PHM的重要作用

機(jī)載航空電子系統(tǒng)PHM技術(shù)將在未來飛機(jī)作戰(zhàn)中扮演非常重要的角色[3]。PHM技術(shù)的應(yīng)用可以提高飛機(jī)的戰(zhàn)備完好率，提高飛機(jī)的可支付性，縮短再次出動時(shí)間，降低后勤保障規(guī)模。飛機(jī)返航階段，PHM系統(tǒng)可以向地面系統(tǒng)發(fā)送需要進(jìn)行維修更換部件的信息，從而快速啟動后勤保障，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的快速維修。這種自主的維護(hù)方式減少了對人員和設(shè)備的要求，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)系統(tǒng)的自主后勤保障，如圖1所示。

2 航電系統(tǒng)PHM設(shè)計(jì)的內(nèi)容

航空電子PHM設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括PHM總體設(shè)計(jì)、PHM系統(tǒng)中央管理設(shè)計(jì)和PHM分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

總體設(shè)計(jì)包括：對PHM系統(tǒng)狀態(tài)檢測能力的確定與設(shè)計(jì);對PHM系統(tǒng)的故障檢測、隔離與預(yù)測能力的確定與設(shè)計(jì);確定評價(jià)指標(biāo)，確定評價(jià)系統(tǒng)監(jiān)測、故障檢測、隔離、預(yù)測能力的指標(biāo)，如故障檢測率、關(guān)鍵故障檢測率、故障覆蓋率、故障隔離率、置信度等;基于系統(tǒng)FMEA分析，確定航電產(chǎn)品的故障模式，確定狀態(tài)檢測的對象和內(nèi)容。

中央管理設(shè)計(jì)包括：確定健康基線、故障診斷和預(yù)測邏輯;設(shè)計(jì)PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)PHM系統(tǒng)軟件的功能和內(nèi)容。

PHM分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：設(shè)計(jì)PHM分層結(jié)構(gòu)各部分內(nèi)容的故障檢測、隔離與預(yù)測能力;設(shè)計(jì)PHM分層結(jié)構(gòu)間接口的通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn);設(shè)計(jì)PHM分層結(jié)構(gòu)各部分的測試內(nèi)容、方法和流程;確定底層傳感器的選型、布局和優(yōu)化。

3 航電系統(tǒng)PHM各層次的設(shè)計(jì)

為了方便集成和模塊化設(shè)計(jì)，航空電子產(chǎn)品的PHM系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)，共分為三層，分別是成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控程序、區(qū)域管理器和飛機(jī)平臺管理器。由于這三層的各自功能和特點(diǎn)不同，設(shè)計(jì)時(shí)需要對這三層分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控設(shè)計(jì)

成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控主要完成PHM系統(tǒng)的底層狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和處理功能，主要由分布于航空電子產(chǎn)品各部分的傳感器和自測試的BIT組成。BIT按電路可分為基于模擬信號的BIT和基于數(shù)字信號的BIT。各成員系統(tǒng)BIT的輸出結(jié)果均通過接口傳輸?shù)絽^(qū)域管理器中進(jìn)行處理。

3.1.1 基于模擬信號的BIT。航電產(chǎn)品中有很多模擬電路，存在很多模擬信號，如導(dǎo)航輸出的位置和姿態(tài)信號、高度表的高度值信號、雷達(dá)掃描信號等?；谀M信號的BIT就是要采取綜合手段來處理這些信號。為了充分獲取系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，保證BIT的覆蓋率和可信度，并為下一層提供足夠的輸入，基于模擬信號的BIT設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)包括電路輸出值、電源狀態(tài)、時(shí)鐘狀態(tài)、引腳交連狀態(tài)（開路、短路等）等[4-5]。

3.1.2 基于數(shù)字信號的BIT。在航電系統(tǒng)的控制和處理電路中，含有大量的CPU、DSP及其他大規(guī)模集成處理電路，這些電路中及各電路之間的數(shù)據(jù)交換均采用數(shù)字信號，航電產(chǎn)品的狀態(tài)信息離不開這些數(shù)字信號，基于數(shù)字信號的BIT就是用于監(jiān)測這些電路的數(shù)據(jù)流。數(shù)字信號的BIT可分為兩種方法。第一種是在數(shù)字電路中自主檢測設(shè)計(jì)，目前很多芯片都帶有自檢功能，可以在芯片內(nèi)部內(nèi)嵌主動測試軟件對芯片本身做測試，通過這些測試可以檢測出如芯片CPU時(shí)鐘、時(shí)序狀態(tài)等各類狀態(tài)。第二種是整機(jī)級BIT設(shè)計(jì)，一般芯片的自主檢測能力有限，并不能完成所有的功能測試，如通信狀態(tài)的持續(xù)檢測。這就需要多個(gè)電路共同做檢測，提高檢測精度，降低虛警率，最終給出電路正常與否的判斷。

3.2 區(qū)域管理器設(shè)計(jì)

航電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器的功能是完成狀態(tài)信號處理、信息融合和區(qū)域推理機(jī)的功能，是連續(xù)監(jiān)控飛機(jī)相應(yīng)分系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其包括狀態(tài)信號匯集、健康信息推理和狀態(tài)整理與輸出三部分，如圖2所示。

3.2.1 狀態(tài)信號匯集。按信號數(shù)據(jù)類型分，成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控程序可通過兩種途徑向PHM區(qū)域管理傳送信息。模擬信號通過信號接口，數(shù)字信號通過傳輸總線。

3.2.1.1 信號接口。由于成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控層的處理能力有限，有些成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控層的模擬信號需要在區(qū)域管理器進(jìn)行處理和監(jiān)控。這時(shí)通過信號接口，將成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控層的信號引入?yún)^(qū)域管理器進(jìn)行處理。為了能更準(zhǔn)確地判斷和定位子系統(tǒng)的故障，其間需要通過成員系統(tǒng)軟硬件監(jiān)控層提供相應(yīng)的狀態(tài)信號，以便在區(qū)域管理器中考慮分系統(tǒng)間的交連關(guān)系后給出檢測和隔離的結(jié)果。

3.2.1.2 傳輸總線。對于數(shù)字信號和數(shù)據(jù)，通常采用總線的形式進(jìn)行傳輸，區(qū)域管理器從總線中獲取子系統(tǒng)的健康信息，對子系統(tǒng)的故障和異常進(jìn)行監(jiān)控。

3.2.2 健康信息推理。健康信息推理主要根據(jù)匯集的狀態(tài)信號進(jìn)行區(qū)域級的故障診斷推理、預(yù)測推理，并進(jìn)行狀態(tài)評估。在推理過程中，除了考慮各子系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)外，還根據(jù)子系統(tǒng)之間的交叉關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推理。

3.2.3 狀態(tài)整理與輸出。狀態(tài)整理與輸出是對健康信息推理的結(jié)果進(jìn)行記錄和存儲，并最終輸出至飛機(jī)平臺管理器中。將區(qū)域級的健康推理結(jié)果和各子系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)以規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲在區(qū)域管理器中，并通過接口傳輸至下一層。

3.3 飛機(jī)平臺管理器設(shè)計(jì)

飛機(jī)平臺管理器宿駐在ICP（綜合核心處理機(jī)）中，通過區(qū)域管理器提供的各類狀態(tài)、故障信息，依據(jù)各區(qū)域間的互聯(lián)關(guān)系，確定并監(jiān)測和隔離故障，完成健康狀態(tài)和維修信息的報(bào)告。

飛機(jī)平臺管理器中的推理機(jī)分為預(yù)測推理機(jī)、診斷推理機(jī)及異常推理機(jī)。預(yù)測推理機(jī)依靠來自該分系統(tǒng)的所有預(yù)測輸入來預(yù)計(jì)分系統(tǒng)組成部件的剩余壽命。診斷推理機(jī)記錄來自該分系統(tǒng)的各種不同的診斷輸入，以確定故障的原因。異常推理機(jī)對非正常行為進(jìn)行分類，收集非額定數(shù)據(jù)，用于以后對診斷及預(yù)測推理機(jī)進(jìn)行更新。

4 結(jié)論

本文對航空電子系統(tǒng)PHM的設(shè)計(jì)工作內(nèi)容進(jìn)行了探討，對航空電子系統(tǒng)PHM各層次的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了細(xì)致的分析，這對最終實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)PHM的全面應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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