航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控及健康管理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

江坤

摘 ?要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，為了使飛機(jī)具有非常高的安全性和可靠度，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控和健康管理系統(tǒng)。文章通過通讀大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控及健康管理研究現(xiàn)狀和應(yīng)用，為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的檢修維護(hù)、故障診斷、可靠性評(píng)估提供了一定的參考意義，同時(shí)也為新時(shí)代我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和制造提供了重要理論依據(jù)和工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);智能監(jiān)控;健康管理

中圖分類號(hào)：V243 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0179-03

Abstract： Aircraft engine is the heart of aircraft. In order to make aircraft have very high safety and reliability， research institutions at home and abroad have developed intelligent monitoring and health management system for aircraft engine. Through reading a large number of domestic and foreign papers， this paper summarizes the aircraft engine research status and application of intelligent monitoring and health management， thus having a certain reference significance for China's aviation engine overhaul and maintenance， fault diagnosis， reliability evaluation， as well as an important theoretical basis and engineering application value for China's aviation engine research and development and manufacture in the new era.

Keywords： aircraft engine; intelligent monitoring; health management

安全是民航業(yè)永恒的主題，安全是民航業(yè)的生命線，飛機(jī)在設(shè)計(jì)和使用時(shí)都必須滿足適航的規(guī)章與標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對(duì)于安全運(yùn)行非常重要的部件航空發(fā)動(dòng)機(jī)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)飛行動(dòng)力的來(lái)源，同時(shí)也是飛機(jī)最重要的核心組成部分，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行性能以及飛機(jī)、機(jī)組和旅客的人身安全，所以必須使其具有非常高的可靠性[1-3]。

有研究表明：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性不僅是保證飛機(jī)適航性的要求;也是保證飛行安全的要求;高的可靠性可以減少飛機(jī)的維護(hù)成本，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性;更重要的是為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和研發(fā)提供參考。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，一直是航空器維護(hù)的重中之重，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的高效工作就保證了飛機(jī)的安全性與適航性[4]，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能健康和故障診斷顯得尤為重要，一直以來(lái)也是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)方向，更是航空維修界科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的熱點(diǎn)。因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控及健康管理的發(fā)展和應(yīng)用受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的廣泛關(guān)注。

眾所周知，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛騰飛，國(guó)內(nèi)各航空公司引進(jìn)飛機(jī)數(shù)量不斷增加，飛機(jī)維護(hù)費(fèi)用占航空公司總成本的比例非常大，與此同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)和維修占據(jù)著飛機(jī)維護(hù)費(fèi)用支出最大的一部分，為了大大的減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和維護(hù)成本，有效避免重大事故的發(fā)生，隨著大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)、云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修思想已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，過去采用的預(yù)防為主，傳統(tǒng)定期維修方式不但工作效率非常低，耗費(fèi)航空公司巨大的人力和物力，同時(shí)費(fèi)用很高;而現(xiàn)在則是以可靠性為中心，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修方式也發(fā)生了相應(yīng)的變化，由過去簡(jiǎn)單的定期維護(hù)到現(xiàn)在的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，視實(shí)際情況維修，也可以通過這種監(jiān)控管理方式能及時(shí)糾正和保護(hù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)本體的正常運(yùn)行，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修提供有力決策支持依據(jù)，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能監(jiān)控和健康管理的概念應(yīng)運(yùn)而生。

在上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)率先提出了發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理EHM（Engine Health management）的概念[5-6]，很多科學(xué)研究單位和商業(yè)公司對(duì)此都有非常廣泛的關(guān)注，例如以視情維修思想為指導(dǎo)的美國(guó)SMI公司，為了更好地協(xié)助用戶制定維修計(jì)劃，降低生產(chǎn)成本，開發(fā)了一款專門的對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控軟件，該款軟件結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘、人工智能的相關(guān)方法，對(duì)所要監(jiān)控的對(duì)象建立了數(shù)學(xué)模型;20世紀(jì)90年代，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室為了更好的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)維修進(jìn)行決策，首次將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路診斷，開發(fā)了具有實(shí)時(shí)診斷功能的EHM樣機(jī);美國(guó)國(guó)防部、能源部為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命周期費(fèi)用，改善發(fā)動(dòng)機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)性，提出了飛機(jī)健康管理計(jì)劃和航空安全計(jì)劃。

國(guó)內(nèi)很多高校也在這方面做出了非常有意義的工作，如李帥[7]結(jié)合國(guó)內(nèi)外城市軌道交通車站設(shè)備監(jiān)控與管理技術(shù)的最新發(fā)展，以分布式監(jiān)控為基礎(chǔ)，智能現(xiàn)代化設(shè)備維護(hù)技術(shù)為支撐，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)于軌道交通車站設(shè)備的分布式監(jiān)控與監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠、安全傳輸，開發(fā)的智能監(jiān)控設(shè)備和健康維護(hù)管理系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤監(jiān)測(cè)，為設(shè)備的檢修維護(hù)提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

陳必東[8]為了提高微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)MTE臺(tái)架試車系統(tǒng)效能，提出了一種MTE遠(yuǎn)程臺(tái)架試車系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于BCM/S架構(gòu)、訪問方式靈活多樣的分布式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開發(fā)了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)回放、遠(yuǎn)程虛擬試車三個(gè)應(yīng)用層次軟件，該研究成果為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)提供了一定的參考價(jià)值。

中國(guó)民航學(xué)院的許春生[9]介紹了幾種流行的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)在飛機(jī)維修中的應(yīng)用，也簡(jiǎn)要的分析了該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中遇到的問題，為商業(yè)航空公司的軟件的開發(fā)和升級(jí)提供理論基礎(chǔ)。其中比較流行的監(jiān)控技術(shù)包括飛機(jī)通訊尋址及報(bào)告系統(tǒng)，也就是我們俗稱的ACARS系統(tǒng)，它的工作原理及應(yīng)用;綜合診斷系統(tǒng)，IDS系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，MXI維護(hù)軟件，以及Honeywell研制的飛機(jī)維修和操作支持系統(tǒng)AMOSS等。

在航空電子系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理的新技術(shù)中，PHM（Prognostic and Health Management）被廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行故障診斷、系統(tǒng)檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)和健康管理，同時(shí)也降低了維修成本，提高了維修效率和低故障率[10-12]。寧亞鋒[13]等人系統(tǒng)的闡述了PHM電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能，分析了該系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)應(yīng)用的有飛機(jī)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)ACMS（Aircraft Condition Monitoring System）。

國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)院的呂克洪教授[14]針對(duì)電子設(shè)備退化狀態(tài)無(wú)明顯的外在表現(xiàn)，尚無(wú)有效征兆對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行刻畫，對(duì)其進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與健康管理存在一定的困難，分析了故障預(yù)測(cè)和健康管理的內(nèi)涵和基本概念，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外健康管理和故障預(yù)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了面臨的挑戰(zhàn)和對(duì)策，結(jié)合該領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展，提出了電子設(shè)備故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)發(fā)展的新方向。

多智能體系統(tǒng)是當(dāng)今人工智能中的前沿學(xué)科，劉金琨[15]等介紹了多智能體技術(shù)的結(jié)構(gòu)、功能以及行為特性，采用多智能體系統(tǒng)解決實(shí)際應(yīng)用問題，具有很強(qiáng)的魯棒性和可靠性，具有很高的問題求解效率。尤其是利用多智能體系統(tǒng)的聯(lián)合意圖機(jī)制可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合行動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)分布式預(yù)測(cè)、監(jiān)控及診斷，該技術(shù)的成功研發(fā)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能監(jiān)控成為可能。

近些年來(lái)，飛行器健康管理技術(shù)是一項(xiàng)重大的技術(shù)變革，能有效的降低事故的發(fā)生的概率，更能夠減少航空災(zāi)難性帶來(lái)的破壞，尤為著名的是美國(guó)NASA研發(fā)的EHM系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠防止飛行器在飛行過程中發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)故障，而且還能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)故障對(duì)飛行安全造成的影響。飛行器健康管理技術(shù)基于測(cè)試，診斷以及預(yù)測(cè)信息，監(jiān)視和驗(yàn)證飛行器的健康狀態(tài)，具有非常高的置信度，該系統(tǒng)也具有非常強(qiáng)的魯棒性，基本上可以避免噪聲和接收到假信號(hào)的干擾，更為重要的是該系統(tǒng)采用開放式的結(jié)構(gòu)，使用界面非常人性化。

姜彩虹[16]等介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)健康管理（EPHM）系統(tǒng)的定義、設(shè)計(jì)目標(biāo)及功能，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載預(yù)測(cè)健康管理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo);總結(jié)歸納了航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能，高可靠度，更好的維護(hù)性和保障性提供新思路。張冬冬[17]等針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法周期長(zhǎng)、成本高等問題，提出了面向健康管理系統(tǒng)的快速原型設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了基于虛擬儀器語(yǔ)言和快速原型技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)快速原型仿真平臺(tái)，結(jié)果表明此健康管理系統(tǒng)有較好的工程實(shí)用價(jià)值。費(fèi)成巍[18]等總結(jié)了國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理（EHM）研究的現(xiàn)狀，詳細(xì)闡述了EHM總體結(jié)構(gòu)、功能領(lǐng)域和EHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，指出了EHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，最后提出了EHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些建議和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。王施[19]等人通過通讀國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)，回顧了航空發(fā)動(dòng)機(jī)管理的發(fā)展歷程，系統(tǒng)的闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理的研究?jī)?nèi)容、系統(tǒng)功能，指出了發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理研究的關(guān)鍵技術(shù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理（EHM）涉及多學(xué)科交叉融合，涵蓋材料、氣動(dòng)熱力學(xué)、控制理論、結(jié)構(gòu)等多學(xué)科，研究的對(duì)象是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，同時(shí)包含多項(xiàng)新技術(shù)，如數(shù)據(jù)管理、智能傳感器、信息處理和融合、狀態(tài)監(jiān)視、預(yù)測(cè)技術(shù)、建模方法和算法等。在這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，而且種類繁多無(wú)規(guī)律性，為了更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況和及時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)下進(jìn)行決策，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性、精確性和實(shí)時(shí)性提出了非常高的要求，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息會(huì)來(lái)自各個(gè)數(shù)據(jù)源，不論是智能傳感器系統(tǒng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，F(xiàn)DAEC系統(tǒng)產(chǎn)生的故障源代碼，發(fā)動(dòng)機(jī)歷史維修記錄、機(jī)組和機(jī)務(wù)人員的報(bào)告等等，為了更加準(zhǔn)確的預(yù)知和診斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否處于健康狀態(tài)或者適航狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)和信息都是我們做出最優(yōu)決策的依據(jù)。更為重要的是依據(jù)這些實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)和信息通過后臺(tái)自動(dòng)分析，會(huì)給出發(fā)動(dòng)機(jī)的健康評(píng)估報(bào)告、維護(hù)周期建議和方案、降低飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障率，從而有效的提升航班正常性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

一般來(lái)說(shuō)基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控及健康管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，則不管是對(duì)軟件還是硬件系統(tǒng)都提出了更高的要求。預(yù)測(cè)的依據(jù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、各種相關(guān)聯(lián)的信息，預(yù)測(cè)從本質(zhì)上可以分為3大類：基于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的失效模型和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型;基于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)原理的理解，專業(yè)知識(shí)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等，分析方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法和模糊邏輯分析法;需要說(shuō)明的是預(yù)測(cè)是定量的結(jié)果分析，而不是定性的分析。同時(shí)各種數(shù)據(jù)信息受其他外界影響因素非常多，就突顯出來(lái)了預(yù)測(cè)的難度之大。

我國(guó)航空工業(yè)起步較晚，基本上處于跟蹤國(guó)外概念和技術(shù)探索研究階段，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控及健康管理研究方面與國(guó)外有較大的差距，有很多關(guān)鍵的技術(shù)尚未突破，國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠商具有較高的可靠性和維修性的研究水平，擁有很多年研發(fā)和制造發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，也積累了各種不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)大量的可靠性數(shù)據(jù)，給飛機(jī)的可靠性評(píng)估提供了理論依據(jù)。進(jìn)入新時(shí)代，隨著C919的研發(fā)成功，我國(guó)航空工業(yè)水平有了質(zhì)的飛躍，相信在航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控及健康管理研究方面也能取得更豐碩的成果。

發(fā)動(dòng)機(jī)的智能監(jiān)控和健康管理是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)問題，本文通過通讀大量文獻(xiàn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控及健康管理研究現(xiàn)狀和應(yīng)用，同時(shí)對(duì)遇到的問題和關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)的闡述，也分析了我國(guó)在此方面研究領(lǐng)域存在的差距，旨在為新時(shí)代我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和制造提供重要理論依據(jù)和工程應(yīng)用價(jià)值。

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