基于“模型+數(shù)據(jù)”驅(qū)動(dòng)的航空器損傷智能識(shí)別算法

占錦文 任明翔

摘要：航空器損傷檢測(cè)是對(duì)航空器外表面進(jìn)行細(xì)致檢查以判斷定位損傷細(xì)節(jié)部位的一種技術(shù)手段，對(duì)保證飛行安全起到關(guān)鍵作用，但傳統(tǒng)的檢測(cè)手段耗費(fèi)大量人力物力，檢測(cè)效率不高。本文簡(jiǎn)要介紹了航空器損傷的各類形式和通用檢測(cè)方法，提出一種全新的無人機(jī)巡檢與智能識(shí)別算法的理論方法，以達(dá)到精準(zhǔn)檢測(cè)航空器損傷的目的，提高航空器損傷檢測(cè)效率和航空器固有安全性及可靠性水平。

關(guān)鍵詞：航空器損傷探測(cè)；智能識(shí)別；航空器無人機(jī)巡檢；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

Keywords：aircraft damage detection；intelligent recognition；aircraft unmanned aerial vehicles inspection；point cloud data

0 引言

近年來，我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)處于高速發(fā)展時(shí)期，擁有世界前列的民航客機(jī)保有量和客運(yùn)總周轉(zhuǎn)量，但民航客機(jī)數(shù)量的不斷增多也帶來了更多的航空器損傷事件。航空器的損傷形式一般包括疲勞損傷、應(yīng)力腐蝕裂紋、耐環(huán)境性功能退化、磨損、摩擦、碎裂、凹陷、劃傷、外來物損傷（FOD）以及由雷擊或強(qiáng)熱導(dǎo)致的損傷。不同類型的損傷在航空器各個(gè)區(qū)域所發(fā)生的概率不同，如飛機(jī)大翼前緣容易受到FOD損傷，飛機(jī)頂部區(qū)域容易出現(xiàn)疲勞損傷等。

對(duì)于航空器而言，一個(gè)微小的損傷有可能導(dǎo)致重大空難事故，及時(shí)預(yù)防檢測(cè)航空器損傷是保證航空器持續(xù)適航的重要手段，對(duì)飛行安全起到至關(guān)重要的作用。如何采用更加有效的技術(shù)手段確保精準(zhǔn)探測(cè)航空器損傷是現(xiàn)今需要研究的課題。

1 航空器損傷檢測(cè)通用方法

航空器損傷檢測(cè)有多種方法，較為明顯的損傷在例行檢查過程中可通過肉眼或借助手電筒、反光鏡、放大鏡等簡(jiǎn)單輔助工具識(shí)別。雖然每次短停都檢查飛機(jī)的外表面，但是因環(huán)境影響和損傷的細(xì)微特性，僅依靠目視和簡(jiǎn)單工具容易出現(xiàn)漏檢，采用技術(shù)更先進(jìn)的無損檢測(cè)方法對(duì)飛機(jī)外表面進(jìn)行檢測(cè)將更有保證。根據(jù)損傷檢測(cè)手段的不同，航空器損傷檢測(cè)大致可分為目視檢測(cè)法和無損檢測(cè)法兩類。

1.1 目視檢測(cè)法

目視檢查是航空器完整性檢查中最基本、最常用的方法，也是保證飛行安全的重要檢查手段之一，指通過人眼或輔助設(shè)備對(duì)飛機(jī)表面進(jìn)行直接觀察以發(fā)現(xiàn)表面損傷，并根據(jù)技術(shù)規(guī)范對(duì)損傷做出判斷和評(píng)價(jià)。在進(jìn)行其他無損檢測(cè)之前，凡是能目視的部分都必須經(jīng)過目視檢查，包括：從飛行前繞機(jī)一周檢查；借助照明設(shè)備和放大鏡對(duì)機(jī)體表面仔細(xì)檢查；借助內(nèi)窺鏡和反光鏡對(duì)機(jī)體內(nèi)部表面檢查等。

目視檢查的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單易操作，不足之處是人眼和工具存在局限性，以及一些特定區(qū)域接近困難，對(duì)航空器某些細(xì)微損傷不能有效檢測(cè)。檢查過程中需要檢測(cè)人具備細(xì)致入微的觀察力和準(zhǔn)確的工具使用方法，人為因素影響較大，個(gè)體的先天差異性很可能會(huì)影響到檢測(cè)結(jié)果的精確程度。

1.2 無損檢測(cè)法

無損檢測(cè)（NDT）指在不改變、不損害材料和工件的狀態(tài)及性能的情況下，對(duì)材料和/或制件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量以及化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的評(píng)定，并就材料或制件對(duì)特定應(yīng)用的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種方法。在檢查微小缺陷或目視檢查不能勝任的情況下，需采用無損檢測(cè)方法對(duì)飛機(jī)是否存在損傷進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)物理原理的不同，有多種無損檢測(cè)方法，工程應(yīng)用中普遍采用渦流檢測(cè)（ET）、滲透檢測(cè)（PT）、磁粉檢測(cè)（MT）、射線照相檢測(cè)（RT）和超聲檢測(cè)（UT）五種常規(guī)無損檢測(cè)方法。其中，射線照相檢測(cè)和超聲檢測(cè)用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，磁粉檢測(cè)和渦流檢測(cè)可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面和近表面缺陷，滲透檢測(cè)只能檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面開口缺陷。已獲工程應(yīng)用的其他無損檢測(cè)方法包括聲發(fā)射檢測(cè)、計(jì)算機(jī)層析成像檢測(cè)、全息干涉/錯(cuò)位散斑干涉檢測(cè)、泄漏檢測(cè)、目視檢測(cè)和紅外檢測(cè)等。

相比目視檢測(cè)，無損檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯，檢查精準(zhǔn)度更高，檢查效果更為直觀，缺點(diǎn)是設(shè)備針對(duì)性過強(qiáng)，通用性不足，某些設(shè)備操作復(fù)雜程度高影響到檢測(cè)效率，檢測(cè)人員需掌握更多的設(shè)備使用方法以達(dá)到應(yīng)對(duì)飛機(jī)不同種類缺陷檢測(cè)的目的。

2 無人機(jī)損傷智能識(shí)別巡檢方案

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘分析等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及設(shè)備制造工業(yè)的不斷成熟，無人機(jī)產(chǎn)品體系愈發(fā)豐富，應(yīng)用范圍越來越廣闊。由于無人機(jī)具備高空、遠(yuǎn)距離、快速、自行作業(yè)的能力，在巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用可突破現(xiàn)有技術(shù)手段的局限性，實(shí)現(xiàn)范圍大、效率高、檢測(cè)準(zhǔn)、無死角的檢測(cè)效果，是未來替代人工檢測(cè)的一種新的補(bǔ)充手段。

2.1 無人機(jī)巡檢檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

航空器損傷的形態(tài)及類別相當(dāng)復(fù)雜，既有常見的已知類別的損傷樣本，也存在部分損傷類別樣本極少甚至缺失的情況。考慮到航空器無人機(jī)巡檢的要求，如何從復(fù)雜背景中準(zhǔn)確地識(shí)別少樣本甚至零樣本航空器損傷（可能是很細(xì)小的目標(biāo)），是航空器無人機(jī)巡檢的重點(diǎn)及難點(diǎn)工作。

如圖1所示，航空器無人機(jī)巡檢一般涵蓋下面幾個(gè)重要節(jié)點(diǎn)和程序。

第一步：需對(duì)航空器劃分測(cè)區(qū)，進(jìn)行激光雷達(dá)掃描，生成航空器三維模型；

第二步：以航空器三維模型為基礎(chǔ)，設(shè)置關(guān)鍵掃描點(diǎn)，自動(dòng)生成精細(xì)化巡檢航線，可以保證預(yù)設(shè)高精度圖像采集和采集點(diǎn)位的一致性；

第三步：將精細(xì)化巡檢航線導(dǎo)入無人機(jī)，搭載載荷一鍵起飛，自動(dòng)化巡檢，獲取可見光和點(diǎn)云數(shù)據(jù)；配合無人機(jī)指揮保障系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下高頻次、全自主經(jīng)常巡檢和定期巡檢；

第四步：對(duì)可見光和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成民航航空器狀態(tài)評(píng)定記錄；

第五步：對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整理，建立民航航空器的全壽命健康數(shù)據(jù)管理記錄，形成合理的檢查周期和標(biāo)準(zhǔn)的“經(jīng)常、定期”檢查方案。

2.2 航空器智能識(shí)別算法應(yīng)用分析

上述第四步對(duì)可見光和點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析、生成民航航空器狀態(tài)評(píng)定記錄是航空器無人機(jī)巡檢的關(guān)鍵核心技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)。目前，主流的深度學(xué)習(xí)算法需要大量樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練才能取得比較好的結(jié)果，項(xiàng)目早期存在樣本不足的問題。為此，擬首先采用傳統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)的識(shí)別算法，對(duì)可能的損傷目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和初篩，再對(duì)初篩得到的疑似區(qū)域以人機(jī)交互的方式進(jìn)行人工復(fù)檢，去除識(shí)別錯(cuò)誤的損傷，這樣既能大大減小人工的工作量，又能實(shí)現(xiàn)全覆蓋檢測(cè)。在進(jìn)行上述檢測(cè)的同時(shí)積累損傷數(shù)據(jù)圖片，當(dāng)數(shù)據(jù)集充分時(shí)即可建立深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)更好更快的智能損傷識(shí)別算法。

綜上分析，為了克服初期損傷樣本少和圖像干擾強(qiáng)的雙重影響，民航航空器無人機(jī)巡檢項(xiàng)目擬采用以“模型+數(shù)據(jù)”驅(qū)動(dòng)的航空器損傷智能識(shí)別算法，算法整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

擬采用的航空器損傷智能識(shí)別算法包括兩個(gè)階段：基于模型驅(qū)動(dòng)的損傷識(shí)別階段和基于模型及數(shù)據(jù)融合的損傷識(shí)別階段。

1）基于模型驅(qū)動(dòng)的損傷識(shí)別階段

首先，基于可見光相機(jī)和激光雷達(dá)，分別采集彩色圖像和三維點(diǎn)云，將兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行空間及時(shí)間上的像素級(jí)對(duì)齊配準(zhǔn)；然后，分析不同類型表觀損傷的發(fā)生機(jī)理、空間分布特性、圖像特征和形態(tài)幾何特征，分別提取典型損傷的時(shí)頻空間紋理特征和幾何特征；最后，構(gòu)建融合紋理特征和幾何特征的航空器損傷模型，基于該模型實(shí)現(xiàn)候選損傷區(qū)域的識(shí)別。該階段中，由于圖像數(shù)據(jù)中存在大量噪聲干擾，檢測(cè)結(jié)果不可避免地存在錯(cuò)檢。為此，設(shè)計(jì)人機(jī)交互模式，通過人工核查的方式對(duì)該階段發(fā)現(xiàn)的可疑目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。經(jīng)過確認(rèn)的損傷不僅能夠作為檢測(cè)結(jié)果直接應(yīng)用，還將作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，用于第二階段中深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練。

2）基于模型及數(shù)據(jù)融合的損傷識(shí)別階段

首先，構(gòu)建航空器損傷圖像的模擬樣本庫(kù)和真實(shí)樣本庫(kù)，其中，模擬樣本庫(kù)通過對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，真實(shí)樣本庫(kù)通過人工標(biāo)注和第一階段人工核查確認(rèn)兩種途徑不斷積累損傷圖像樣本；然后，構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過從第一階段建立的損傷檢測(cè)模型中提取損傷先驗(yàn)知識(shí)，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)與小樣本、弱監(jiān)督學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)融合先驗(yàn)知識(shí)與模擬樣本數(shù)據(jù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練；在此基礎(chǔ)上，利用不斷擴(kuò)增的真實(shí)樣本庫(kù)，將損傷識(shí)別能力從模擬樣本遷移到真實(shí)樣本，獲得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)結(jié)果；最后，將模型驅(qū)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)級(jí)融合，從而完成最終的航空器損傷識(shí)別任務(wù)。

擬采用方案的優(yōu)點(diǎn)包括：不需要前期漫長(zhǎng)的數(shù)據(jù)積累，在早期缺乏有效樣本的階段，以模型驅(qū)動(dòng)方式提取可疑目標(biāo)，并通過人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的核查，在有效降低工作量的同時(shí)保證識(shí)別準(zhǔn)確性；使用過程中數(shù)據(jù)樣本不斷增加，算法的識(shí)別精度也將隨之提升。

2.3 建立航空器檢測(cè)體系

通過可見光數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云，分析生成航空器巡檢報(bào)告，通過無人機(jī)巡檢及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，有效提高了航空器運(yùn)行狀態(tài)的可靠性，同時(shí)，通過持續(xù)的信息監(jiān)控，建立航空器的科學(xué)管理體系。

1）提升航空器檢查和監(jiān)控能力。監(jiān)測(cè)和監(jiān)控是航空器日常維護(hù)的“眼睛”，只有對(duì)航空器的各部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面、合理的監(jiān)控，才能及時(shí)了解航空器及部件的狀況，從而對(duì)航空器進(jìn)行綜合評(píng)估。重點(diǎn)是做好關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2）積累數(shù)據(jù)分析和問題判別的經(jīng)驗(yàn)。在日常維護(hù)中注重經(jīng)驗(yàn)的積累，做好數(shù)據(jù)的收集和分析過程的記錄，將設(shè)備問題與解決方案進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比，積累經(jīng)驗(yàn)。

3）建立科學(xué)的維護(hù)管理體系。深化運(yùn)維計(jì)劃的管理，支撐合理的維護(hù)周期和標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)方案，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同機(jī)型航空器制定差異化的維護(hù)計(jì)劃，同時(shí)強(qiáng)化維護(hù)過程管理，保障和提高維護(hù)質(zhì)量。

3 結(jié)束語

本文探討了通過內(nèi)置航空器損傷智能識(shí)別算法的無人機(jī)巡檢技術(shù)對(duì)航空器實(shí)施探測(cè)的一種理論方法，其中具體細(xì)節(jié)仍有待實(shí)現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化，如無人機(jī)自主飛行、無人機(jī)航線定位、無人機(jī)探測(cè)航線的確立、激光雷達(dá)三維建模等。利用無人機(jī)巡檢技術(shù)實(shí)施航空器損傷檢測(cè)仍處于探索研究階段，本文提出的方法可為未來各航空公司、飛機(jī)制造商建立更完善更有效的無人機(jī)巡檢損傷探測(cè)方法提供初步的解決方案及設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

占錦文，資深工程師，主要從事航空機(jī)械領(lǐng)域工程技術(shù)管理、可靠性分析、技術(shù)支援等工作。

任明翔，工程師，主要從事航空電子及機(jī)載信息領(lǐng)域工程技術(shù)管理、機(jī)載軟件客戶化、可靠性分析、技術(shù)支援等工作。