直升機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)診斷、預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)研究

丁杰，陳圣斌，郝宗敏

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

美國(guó)航空管理局航空應(yīng)用技術(shù)管理中心和西科斯基飛機(jī)公司在2012～2014年聯(lián)合負(fù)責(zé)完成了一項(xiàng)“基于能力的使用和支撐技術(shù)-航空（COST-A）計(jì)劃”。這項(xiàng)計(jì)劃的目標(biāo)是為旋翼航空器的6個(gè)主要系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、演示/試驗(yàn)一套高價(jià)值的診斷、預(yù)測(cè)和系統(tǒng)健康管理技術(shù)以降低目前過(guò)重的維修負(fù)擔(dān)，降低使用維修費(fèi)用，提高飛行安全性和使用可用度，旋翼航空器6個(gè)主要系統(tǒng)之一即是動(dòng)力系統(tǒng)。

1 COST-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)COST-A計(jì)劃，動(dòng)力系統(tǒng)這一工作的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)相應(yīng)的診斷和預(yù)測(cè)運(yùn)算律，以便對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的健康提供深入了解。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要的關(guān)鍵外場(chǎng)可更換單元等開(kāi)發(fā)各自的診斷運(yùn)算律用于評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馔贰⒄麢C(jī)和每個(gè)主要模塊（燃?xì)獍l(fā)生器、動(dòng)力渦輪）的健康和評(píng)估傳感器的性能，以確認(rèn)其偏差。將所有這些運(yùn)算律的信息融合在一起，并利用一系列的推理運(yùn)算律，將狀態(tài)指示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可實(shí)施的信息以便支持維修決策。在這份報(bào)告中，細(xì)地討論了上述幾項(xiàng)COST-A計(jì)劃的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)，并利用案例精心地闡述了診斷和推理功能。

由于動(dòng)力系統(tǒng)的診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)都綜合于COST-A系統(tǒng)中，因此，這里首先論述了COST-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。COST-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由硬件和軟件單元組成，包括機(jī)上和地面功能。這種結(jié)構(gòu)分為兩類：“基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)”和“事務(wù)處理邏輯”。

1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元和體系結(jié)構(gòu)

綜合系統(tǒng)分為兩個(gè)主要的分系統(tǒng)，機(jī)載系統(tǒng)（OBS）和地面系統(tǒng)（GBS）。

（1）機(jī)載系統(tǒng)（OBS）。這一機(jī)載系統(tǒng)。是在安裝于大多數(shù)旋翼航空器的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，主要是通過(guò)在這一典型的HUMS系統(tǒng)上附加相應(yīng)的裝置構(gòu)建成機(jī)載系統(tǒng)（OBS），包括光電主網(wǎng)絡(luò)、OBS軟件、新的預(yù)測(cè)和健康管理裝置電路板、網(wǎng)絡(luò)和采集接口裝置，各個(gè)診斷和參數(shù)處理運(yùn)算律全部綜合到同一機(jī)載軟件系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

（2）地面系統(tǒng)（GBS）。飛機(jī)筆記本、部隊(duì)服務(wù)器，它提供了地面診斷、預(yù)測(cè)和維修規(guī)劃工具以便能進(jìn)一步降低模糊性，并預(yù)測(cè)今后的健康趨勢(shì)，利用機(jī)群歷史數(shù)據(jù)的運(yùn)算技術(shù)，給出維修決策。

1.2 事務(wù)邏輯和推理結(jié)構(gòu)

組成COST-A邏輯和推理結(jié)構(gòu)的高層次的程序表示在圖1中，包括診斷、維修集生成、故障模式推理、機(jī)載維修推理、健康累積評(píng)估、飛機(jī)筆記本顯示和部隊(duì)服務(wù)器程序。

2 動(dòng)力診斷單元

作為這一工作的一部分，動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或改進(jìn)了幾個(gè)診斷單元，這包括用以評(píng)估主發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馔ǖ澜】档倪\(yùn)算

律，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)外場(chǎng)可更換單元和動(dòng)力系統(tǒng)其他主要部件的診斷。

圖1 COST-A軟件和推理結(jié)構(gòu)

2.1 改進(jìn)功率保證

改進(jìn)功率保證的主要目標(biāo)是，改進(jìn)旋翼航空器自動(dòng)功率保證計(jì)算運(yùn)算律。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩系數(shù)（ETF）是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)健康指示，陸軍、海軍和直升機(jī)其他用戶使用ETF來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化到予以更換的時(shí)間點(diǎn)。

影響ETF測(cè)量精度的一個(gè)主要因素是：當(dāng)前是否正從發(fā)動(dòng)機(jī)提取引氣，以用來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)防冰或通過(guò)環(huán)境控制系統(tǒng)給座艙加溫，在提取引氣時(shí)進(jìn)行ETF測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)亞健康（非健康）狀態(tài)。在COST-A計(jì)劃中開(kāi)發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)防冰和直升機(jī)加溫使用的引氣補(bǔ)償方法以減少這種事件發(fā)生時(shí)的ETF誤差，這一補(bǔ)償功能已經(jīng)綜合到自動(dòng)功率保證運(yùn)算律中，以便在COST-A機(jī)載系統(tǒng)中實(shí)時(shí)使用。

2.2 外場(chǎng)可更換單元（LRU）診斷

發(fā)動(dòng)機(jī)的許多LRU研發(fā)了診斷方法，這就可能大大地降低整個(gè)維修負(fù)擔(dān)。這一部分所討論的所有運(yùn)算律都是集中在COST-A的機(jī)載系統(tǒng)中使用。在COST-A中開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要LRU的診斷方法對(duì)象為以下部件：防冰/氣動(dòng)引氣活門(mén)、流體-機(jī)械裝置、進(jìn)氣道粒子分離器壓氣機(jī)、主發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)起動(dòng)機(jī)、交輸引氣活門(mén)。

2.3 地面系統(tǒng)軟件

為了補(bǔ)充或增強(qiáng)OBS（機(jī)載系統(tǒng)）的診斷能力，開(kāi)發(fā)了多個(gè)GBS軟件模塊，這一GBS軟件包包括的主要是輔助動(dòng)力裝置（APU）和主發(fā)動(dòng)機(jī)的診斷。這兩個(gè)診斷采用基于模型的方法進(jìn)行診斷，它通過(guò)收集APU或主發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)照主結(jié)構(gòu)部件（即壓縮機(jī)、渦輪機(jī)）內(nèi)失效部件的故障特征和傳感器的偏離故障（如溫度、速度等）與故障模型確定的診斷結(jié)果最相符的的基準(zhǔn)項(xiàng)目相比較。

3 動(dòng)力系統(tǒng)故障案例

3.1 診斷程序

這一案例進(jìn)行分析的第一步就是執(zhí)行診斷程序，這一程序本身是由幾個(gè)分程序組成的。

（1）診斷程序說(shuō)明。①傳感器數(shù)據(jù)：表示傳感器數(shù)據(jù)的收集、匯總和調(diào)整，以便為數(shù)據(jù)控制運(yùn)算律使用。②數(shù)據(jù)控制運(yùn)算律：將原始數(shù)據(jù)處理成有用輸出參數(shù)，以用于生成狀態(tài)指示。③診斷運(yùn)算律：將傳感器的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成狀態(tài)指示。④部件健康指標(biāo)生成運(yùn)算律，將多個(gè)狀態(tài)指示融合成每一部件的健康指標(biāo)。⑤建立標(biāo)準(zhǔn)化的門(mén)限值，并將其應(yīng)用于部件的健康指標(biāo)。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)案例診斷說(shuō)明。傳感器數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)和采集接口裝置內(nèi)轉(zhuǎn)換成輸出線索，這就使數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇HMU（預(yù)測(cè)和健康管理裝置）電路板上，動(dòng)力系統(tǒng)這一數(shù)據(jù)在PHMU內(nèi)的診斷運(yùn)算律的運(yùn)行包括：①改進(jìn)的功率保證；②防冰/起動(dòng)引氣活門(mén)診斷。

（3）地面主發(fā)動(dòng)機(jī)診斷。地面發(fā)動(dòng)機(jī)診斷設(shè)計(jì)成分析一組所記錄的傳感器數(shù)據(jù)。在COST-A綜合的OBS（機(jī)載系統(tǒng)）內(nèi)改進(jìn)的功率保證運(yùn)算律運(yùn)行產(chǎn)生的實(shí)時(shí)ETF的實(shí)際輸出中。在整個(gè)飛行過(guò)程中，只要每一時(shí)間段產(chǎn)生了新的輸出，健康指標(biāo)生成運(yùn)算律也將各個(gè)狀態(tài)指示融合成健康指標(biāo)，這些健康是利用前面所說(shuō)的顏色標(biāo)識(shí)進(jìn)行顯示。

3.2 維修集生成程序

（1）程序功能。維修集生成程序的目標(biāo)是，對(duì)由診斷程序所確定的不正常狀態(tài)而生成的維修集，確定是否存在模糊性。

（2）實(shí)例說(shuō)明。對(duì)于這一案例的故障后區(qū)域，由于診斷和改進(jìn)功率保證運(yùn)算律的輸出結(jié)果，使得1#PT1（1#發(fā)動(dòng)力渦輪）和1#發(fā)GG1（1#燃?xì)獍l(fā)生器）都偏離正常狀態(tài)，并超過(guò)了“綠”到“黃”的閾值，1#發(fā)的防冰起動(dòng)引氣活門(mén)的閾值超過(guò)所有方式而進(jìn)入紅區(qū)，維修集生成功能利用查詢（圖2）建立了已知或給定這些閾值超過(guò)情況下可能的維修措施。由于閾值和維修工作之間的連接性大于1對(duì)1，它們產(chǎn)生的觀測(cè)、檢查和維修活動(dòng)的維修措施集要進(jìn)入推理結(jié)構(gòu)后續(xù)的分析，以進(jìn)一步化解模糊性。

圖2 維修集生成結(jié)果

3.3 故障模式推理

如果飛行人員或維修人員可能采取的維修集仍是模糊的（即維修集生成運(yùn)算律的輸出是1對(duì)多個(gè)，而不是1對(duì)1的維修集），那么就是實(shí)施故障/失效模式的推理程序。

（1）故障模式（F/FM）推理功能。在動(dòng)力系統(tǒng)故障案例的故障后區(qū)域，3個(gè)CI都超過(guò)了特定閾值，ETF退化的CI信號(hào)指示旗來(lái)自1#發(fā)動(dòng)機(jī)功率保證運(yùn)算律，CI信號(hào)指示旗來(lái)自1#發(fā)的防冰起動(dòng)引氣活門(mén)診斷運(yùn)算律，而核心損傷CI來(lái)自1#發(fā)地面診斷，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)段是有效的。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)級(jí)F/FM推理機(jī)。系統(tǒng)級(jí)推理機(jī)評(píng)估有效數(shù)據(jù)（例證）段，評(píng)估了相關(guān)性模型上下關(guān)系內(nèi)的有效和無(wú)效數(shù)據(jù)（例證）狀態(tài)集。其輸出在已知的數(shù)據(jù)狀態(tài)特定特征條件下，是最有可能發(fā)生的故障模式排序表。

案例最前面的兩個(gè)故障/失效模式是：①1#發(fā)動(dòng)機(jī)AISBV（防冰/起動(dòng)引氣活門(mén)）粘接--0.905。②1#發(fā)動(dòng)機(jī)HMU（流體機(jī)械裝置）黏結(jié)/性能退化—0.5000。

3.4 機(jī)載維修推理

維修推理機(jī)在排序好的F/FM集和最有可能要對(duì)已確認(rèn)的F/FMs的推薦的維修集之間進(jìn)行相互映對(duì)，所產(chǎn)生的維修推薦集是與所識(shí)別的F/FMs相關(guān)的維修措施表。維修措施對(duì)應(yīng)著與其鏈接的最高序列的任一有效故障模式。

這包括：（1）哪個(gè)閾值已超出正常范圍。（2）著陸時(shí)或離機(jī)之前推薦的監(jiān)視或觀測(cè)。（3）如果其中某些部件表明其健康不正常時(shí)，可能現(xiàn)在就要予以檢查。（4）可能要采取一組內(nèi)所有可能的糾正措施。（5）對(duì)這些最有可能處理或解決問(wèn)題的糾正措施排序。

3.5 健康累積評(píng)估

分系統(tǒng)和系統(tǒng)健康累積評(píng)估，將組成部件的狀態(tài)指示CI或健康指標(biāo)融合上一層次的健康指示。在這一案例故障前區(qū)域，所有的各個(gè)部件健康指標(biāo)都是綠色。這樣，如果使用精確的遺傳圖進(jìn)行健康評(píng)估，那么整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的健康是綠色的。這就指示目前系統(tǒng)是正常和健康的。

當(dāng)考慮這一案例故障后的區(qū)域，1#發(fā)動(dòng)機(jī)的AISBV的紅色健康指示累積到整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)為紅色健康指示，這就表明要采取維修措施。

3.6 飛機(jī)筆記本顯示

ACN飛機(jī)筆記本顯示器，對(duì)機(jī)載系統(tǒng)計(jì)算的所有信息提供了直接的存儲(chǔ)之地，也作為一個(gè)通路，以便將機(jī)載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲筷?duì)（大隊(duì)級(jí)或營(yíng)級(jí)）服務(wù)器。

空勤人員可能要看顏色識(shí)別動(dòng)力系統(tǒng)部件的健康顯示，此顯示給出最有可能的故障根因是AISBV，接著，空勤人員可能要進(jìn)行所建議的觀測(cè)，記錄COST-A系統(tǒng)對(duì)AISBV故障所推薦的維修程序，然后，將這一信息下傳到維修規(guī)劃活動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文詳細(xì)論述了動(dòng)力系統(tǒng)的故障診斷和推理技術(shù)，以便將該系統(tǒng)多種觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為維修人員可實(shí)施的維修措施。

文中使用了一較為復(fù)雜的案例，以演示/驗(yàn)證了COST-A綜合化系統(tǒng)的成功應(yīng)用，并達(dá)到了在典型系統(tǒng)環(huán)境中所要求的性能。

動(dòng)力系統(tǒng)所研發(fā)和改進(jìn)的技術(shù)將隨同COST-A系統(tǒng)將在機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)以提升其技術(shù)成熟度水平，以便不久的未來(lái)，在傳統(tǒng)的直升機(jī)和新研的旋翼航空器上應(yīng)用。到那時(shí)，將實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)維修（CBM），降低維修負(fù)擔(dān)，提高旋翼航空器的安全性和使用可用度。