基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波音737NG 飛機(jī)引氣系統(tǒng)故障診斷模型

肖曉陽(yáng)/奧凱航空有限公司

0 引言

我公司波音737NG 飛機(jī)引氣系統(tǒng)具有較高的故障占比，約為6%。受高度限制和航路限制，引氣系統(tǒng)故障往往很難保留放行。眾所周知，波音737NG飛機(jī)引氣系統(tǒng)沒(méi)有計(jì)算機(jī)，因此沒(méi)有故障自檢和記錄功能，通常情況下需要通過(guò)記錄故障時(shí)的飛行階段和引氣壓力值來(lái)幫助排故，或是通過(guò)調(diào)取QAR 引氣相關(guān)參數(shù)進(jìn)行排故。即使經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，對(duì)于某些故障也無(wú)法準(zhǔn)確診斷故障部件，往往通過(guò)多次換件或串件才能確定故障部件，一方面造成了航材及人力成本的增加，另一方面因沒(méi)有準(zhǔn)確排故導(dǎo)致下次飛行時(shí)可能再次出現(xiàn)故障，影響航班運(yùn)行，這是航空公司不能接受的。

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意連續(xù)的非線性函數(shù)[1]，可以完成故障征兆空間到故障空間的映射，且相比其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更優(yōu)秀的逼近能力、分類能力和學(xué)習(xí)速度。本文提出利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)737NG 飛機(jī)引氣系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，收集我公司近兩年引氣故障數(shù)據(jù)作為工程參數(shù)，利用MATLAB 將研究方案軟件化，建立故障診斷模型，并在試驗(yàn)中取得了預(yù)期效果。

1 引氣系統(tǒng)工程參數(shù)

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的選擇對(duì)模型的建立至關(guān)重要，引氣系統(tǒng)適應(yīng)整個(gè)飛行階段，并將合適壓力與溫度的引氣供往各用戶系統(tǒng)，因此選取工程參數(shù)如下。

1）引氣管道壓力

引氣管道壓力值來(lái)自管道壓力傳感器，傳感器發(fā)送信號(hào)給駕駛艙P(yáng)5 面板的引氣管道壓力指示表，為飛行員提供壓力指示[2]。

當(dāng)使用第9 級(jí)引氣時(shí)，正常引氣壓力應(yīng)控制在32±6psi，主要涉及高壓級(jí)系統(tǒng)部件及其管路，包括高壓級(jí)活門（HSV）和高壓級(jí)調(diào)節(jié)器（HSR）[3]，管道壓力的高低反映活門及調(diào)節(jié)器的性能狀態(tài)；當(dāng)使用第5 級(jí)引氣時(shí)，正常引氣壓力應(yīng)控制在42±8psi，主要涉及預(yù)冷系統(tǒng)及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件及其管路，包括預(yù)冷器控制活門（PCCV）、壓力調(diào)節(jié)及關(guān)斷活門（PRSOV）、引氣調(diào)節(jié)器（BAR）、390°F 傳感器、450°F 恒溫器，由于PRSOV 的溫控功能，管道壓力既受壓力控制系統(tǒng)的影響，也受預(yù)冷系統(tǒng)的影響?？梢?jiàn)管道壓力是直接反應(yīng)引氣狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。

2）引氣管道溫度

引氣溫度監(jiān)控來(lái)自集成于490°F 超溫電門的溫度傳感器。由于慢車時(shí)使用高壓級(jí)系統(tǒng)，引氣溫度不超過(guò)390°F就不會(huì)觸發(fā)引氣系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)功能，因此溫度參數(shù)主要涉及預(yù)冷系統(tǒng)和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件，包括預(yù)冷器控制活門（PCCV）、壓力調(diào)節(jié)及關(guān)斷活門（PRSOV）、引氣調(diào)節(jié)器（BAR）、390°F 傳感器、450°F 恒溫器等?？梢?jiàn)管道溫度也是直接反應(yīng)引氣狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)N1 值

N1 值來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的N1 轉(zhuǎn)速傳感器。引氣系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的功率選擇第5 級(jí)高壓級(jí)引氣或第9 級(jí)高壓級(jí)引氣。5 級(jí)與9 級(jí)的轉(zhuǎn)換階段發(fā)生于N1為40%～70%區(qū)間，為了排除轉(zhuǎn)換階段的干擾，設(shè)定當(dāng)N1 值大于70%時(shí)使用第5 級(jí)引氣，此時(shí)主要涉及預(yù)冷系統(tǒng)及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件；設(shè)定當(dāng)N1 值小于40%時(shí)使用第9 級(jí)引氣，此時(shí)主要涉及高壓級(jí)系統(tǒng)部件。因此，以N1 值作為關(guān)鍵參數(shù)，可以判斷出當(dāng)前飛行階段及當(dāng)時(shí)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣。

4）輸出參數(shù)

由于引氣系統(tǒng)涉及部件數(shù)量多，故障現(xiàn)象相似，很難根據(jù)單一故障現(xiàn)象判斷出故障部件，因此對(duì)引氣系統(tǒng)進(jìn)行分類，根據(jù)引氣系統(tǒng)原理，將引氣系統(tǒng)故障分為4 個(gè)模塊：預(yù)冷系統(tǒng)故障、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障、高壓級(jí)系統(tǒng)故障、正常。

2 數(shù)據(jù)采集原則

為了達(dá)到增加故障數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)多樣化和預(yù)防維修的目的，根據(jù)引氣系統(tǒng)原理及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定如下引氣系統(tǒng)參數(shù)門限值。

1）引氣溫度

引氣溫度跳開(kāi)極限值為490°F，根據(jù)系統(tǒng)原理，390°F 傳感器的球型活門在390°F時(shí)控制預(yù)冷器控制活門（PCCV）開(kāi)啟，在440°F 控制其全部打開(kāi)；450°F恒溫器為壓力調(diào)節(jié)關(guān)斷活門提供溫度限制作用?？紤]活門的溫控功能屬于正常的工作狀態(tài)，因此設(shè)定引氣溫度門限值為470°F，當(dāng)引氣溫度超過(guò)470°F 時(shí)即判定引氣系統(tǒng)性能衰退[4]。

2）引氣壓力

由于高壓級(jí)第5 級(jí)引氣和第9 級(jí)引氣壓力標(biāo)準(zhǔn)值不同，且與發(fā)動(dòng)機(jī)N1 值息息相關(guān)，因此設(shè)定引氣壓力門限值時(shí)需增加N1 值作為參照。壓力門限值的選擇是根據(jù)實(shí)際排故經(jīng)驗(yàn)與引氣系統(tǒng)原理共同決定的，設(shè)定如下門限值。

當(dāng)N1＞70%時(shí)，使用高壓級(jí)第5 級(jí)引氣，標(biāo)準(zhǔn)壓力為42±8psi，設(shè)定門限值為28psi 和50psi；當(dāng)引氣壓力小于28psi 或大于50psi，即判定引氣系統(tǒng)性能衰退。

當(dāng)N1 為30%～40%時(shí)，使用高壓級(jí)第9 級(jí)引氣，標(biāo)準(zhǔn)壓力為32±6psi，設(shè)定門限值為22psi；小于22psi 即判定引氣系統(tǒng)性能衰退。

當(dāng)N1＜30%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力為19 ～ 32psi，呈線性，設(shè)定門限值為10psi；小于10psi 即判定引氣系統(tǒng)性能衰退。

當(dāng)N1 為40%～70%時(shí)，此時(shí)處于第5 級(jí)引氣和第9 級(jí)引氣轉(zhuǎn)換階段，為避免轉(zhuǎn)換階段突然增加或減少的壓力干擾，不采集此段N1 值下的數(shù)據(jù)。

3 基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引氣故障診斷模型

3.1 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引氣故障診斷模型

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)模型內(nèi)的各個(gè)參數(shù)，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 個(gè)，即3 個(gè)引氣系統(tǒng)參數(shù)：N1 值、引氣管道壓力值、引氣管道溫度值；輸出層節(jié)點(diǎn)為4 個(gè)，即引氣系統(tǒng)的4 個(gè)模塊：預(yù)冷系統(tǒng)故障、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障、高壓級(jí)系統(tǒng)故障、正常。輸出層通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類輸出故障診斷結(jié)果，如圖1 所示。

3.2 基于MATLAB 的引氣故障診斷仿真程序

圖1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引氣故障診斷模型

以我公司波音737NG 機(jī)隊(duì)引氣故障數(shù)據(jù)為研究樣本進(jìn)行模型的仿真診斷。機(jī)隊(duì)規(guī)模為29 架，獲取每次引氣故障或超限的飛機(jī)QAR 原始數(shù)據(jù)，經(jīng)AIRFASE 譯碼處理后提取N1 值、引氣管道壓力值、引氣管道溫度值三個(gè)引氣系統(tǒng)參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)；通過(guò)每次排故記錄確認(rèn)最終故障系統(tǒng)，提取故障系統(tǒng)作為輸出節(jié)點(diǎn)，故障參數(shù)與故障系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)，共同生成引氣故障樣本。2017 年1 月至2019 年1 月共收集故障數(shù)據(jù)609 條，如表1 所示。

將提取的訓(xùn)練樣本集列入EXCEL表中。其中，訓(xùn)練樣本集共1220 條故障數(shù)據(jù)，包含預(yù)冷系統(tǒng)樣本173 條、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)樣本296 條、高壓級(jí)系統(tǒng)樣本140 條、正常樣本611 條。測(cè)試樣本集共24 條故障數(shù)據(jù)，包含預(yù)冷系統(tǒng)樣本6 條、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)樣本6 條、高壓級(jí)系統(tǒng)樣本6 條、正常樣本6 條。

利用MATLAB 導(dǎo)入EXCEL 訓(xùn)練樣本集與測(cè)試樣本集，調(diào)用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)newrb（）建立徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。格式為：

式（1）中，X 為輸入向量；T 為目標(biāo)向量；GOAL 為均方誤差，設(shè)定為1e-5；SPREAD 為徑向基函數(shù)的擴(kuò)展速度，設(shè)定為1；MN 為神經(jīng)元的最大數(shù)目，設(shè)定為50；DF 為兩次顯示之間所添加的神經(jīng)元數(shù)目，設(shè)定為1；net 為生成的網(wǎng)絡(luò)[5]。

對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試，首先進(jìn)行訓(xùn)練集自測(cè)試，測(cè)試準(zhǔn)確率為92.9%，如圖2 所示。然后進(jìn)行測(cè)試集測(cè)試，運(yùn)行驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性為87.5%?？梢?jiàn)此RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型是有效的，可運(yùn)用于實(shí)際排故測(cè)試，如圖3 所 示。

4 波音737NG 飛機(jī)引氣系統(tǒng)故障診斷應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)例應(yīng)用中，需提取故障或超限航段的所有QAR 數(shù)據(jù)，并從中篩選出超限數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)篩選時(shí)需注意排除開(kāi)防冰時(shí)對(duì)引氣系統(tǒng)的影響。將數(shù)據(jù)輸入診斷模型，得出相應(yīng)的故障系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各部件故障占比，從大到小依次測(cè)試故障部件，更換故障部件并驗(yàn)證故障是否已排 除。

表1 引氣訓(xùn)練樣本集合測(cè)試樣本集范例

圖2 訓(xùn)練集實(shí)際值—預(yù)測(cè)值對(duì)比圖（精度=92.9508%）

圖3 測(cè)試集實(shí)際值—測(cè)值對(duì)比圖（精度=87.5%）

表2 應(yīng)用實(shí)例故障數(shù)據(jù)

圖4 實(shí)例應(yīng)用實(shí)際值—測(cè)值對(duì)比圖（精度=85.8586%）

1）應(yīng)用實(shí)例

機(jī)組報(bào)告一架737NG 飛機(jī)左發(fā)爬升階段引氣壓力高。譯碼選取2 組超限數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)值輸入故障診斷模型預(yù)測(cè)故障，如表2 所示。

經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)模型計(jì)算，得出預(yù)測(cè)故障系統(tǒng)為壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障。

2）故障分析

該故障表現(xiàn)為爬升階段引氣壓力高，N1 值94.5%時(shí)使用高壓第5 級(jí)引氣，正常壓力值為42±8psi，實(shí)際值為50.7psi，高于上限值，此時(shí)引氣溫度447°F，可見(jiàn)預(yù)冷系統(tǒng)功能正常，判定為壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障。

3）實(shí)際排故

提前備件壓力調(diào)節(jié)器BAR、壓力調(diào)節(jié)及關(guān)斷活門PRSOV 和450°F 恒溫器。航后根據(jù)AMM 手冊(cè)，利用APU 執(zhí)行左發(fā)反流測(cè)試，按壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件故障占比依次測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)BAR 故障，PRSOV正常無(wú)卡阻，450°F恒溫器正常，各信號(hào)管無(wú)滲漏。因此更換左發(fā)BAR。次日航后譯碼左發(fā)引氣恢復(fù)正常，準(zhǔn)確排除了故障。

另選取實(shí)例樣本集共99 條故障數(shù)據(jù)，包含預(yù)冷系統(tǒng)樣本27 條、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)樣本26 條、高壓級(jí)系統(tǒng)樣本24條、正常樣本22 條，經(jīng)過(guò)該診斷模型進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確度約為85.8%，如圖4 所示?？梢?jiàn)，利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)引氣系統(tǒng)故障具有較高的準(zhǔn)確度。

5 總結(jié)

波音737NG 飛機(jī)引氣系統(tǒng)部件大多為氣動(dòng)機(jī)械部件，機(jī)械部件的可靠性更具有規(guī)律性。本文利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立故障診斷模型，根據(jù)故障參數(shù)對(duì)故障進(jìn)行分類，經(jīng)過(guò)模型的訓(xùn)練測(cè)試及大量實(shí)例驗(yàn)證，表明該故障診斷模型在737NG 飛機(jī)引氣系統(tǒng)排故中能起到較好的診斷效果，利于排故中的快速智能診斷。