面向預(yù)測(cè)性維修構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合監(jiān)控和健康管理系統(tǒng)

■ 黃勁東 / 中國(guó)航發(fā)研究院

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)隊(duì)管理中扮演著重要角色，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)服務(wù)保障體系工程技術(shù)服務(wù)域的核心建設(shè)內(nèi)容。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作環(huán)境惡劣，日常運(yùn)行也容易受航路上結(jié)冰、暴雨、鳥擊、側(cè)風(fēng)、沙塵等難以預(yù)知的異常事件影響，會(huì)不可避免地發(fā)生性能退化和故障。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入服役后的外場(chǎng)維護(hù)是其安全可靠運(yùn)行的重要保障。傳統(tǒng)上，發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)服務(wù)保障主要采用“多、勤、細(xì)”的定期維修方式來減少故障發(fā)生率，但耗費(fèi)資源多、效率低下、成本高昂，嚴(yán)重影響裝備的完好率和出勤率。隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)和部件失效模式、失效規(guī)律以及部件、系統(tǒng)可靠性和維修性認(rèn)識(shí)的不斷深入，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用維修理念也在不斷發(fā)展，維修策略從早期的定時(shí)維修發(fā)展到以可靠性為中心的預(yù)防性維修（RCM），并朝著基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維修轉(zhuǎn)變。

基于狀態(tài)的維修

基于狀態(tài)的維修(CBM)是一項(xiàng)戰(zhàn)略性的維修策略，目的是通過對(duì)裝備內(nèi)部植入的傳感器或外部檢測(cè)設(shè)備中獲得的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的監(jiān)控，只在裝備存在維修需求時(shí)實(shí)施維修。其思想來源于民機(jī)的視情維修，于1998年由美國(guó)海軍提出，之后被美國(guó)國(guó)防部正式采納并在各軍兵種推廣，并在2008年升版到CBM+。

CBM+并非是RCM的簡(jiǎn)單替代，二者有著非常緊密的內(nèi)在聯(lián)系。RCM是在充分開展失效模式影響及危害性分析（FMEACA）的基礎(chǔ)上，形成預(yù)防性（或計(jì)劃）維修方案，解決“修什么、何時(shí)修、誰來修”的問題，并在使用中不斷修正、完善，促進(jìn)設(shè)計(jì)改進(jìn)。而CBM+則利用裝備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，追蹤其有代表性的性能、可靠性等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)異常并告警，進(jìn)行故障診斷、評(píng)估健康狀態(tài)，預(yù)測(cè)趨勢(shì)和可能出現(xiàn)的故障，采取有針對(duì)性的維修措施恢復(fù)和保持裝備的功能和可靠性。所以，RCM是CBM+的基礎(chǔ)，CBM+則為實(shí)現(xiàn)RCM故障管理策略提供先進(jìn)、高效的方法、標(biāo)準(zhǔn)和工具。顯然，RCM和CBM互相影響、互相促進(jìn)，是預(yù)防性維修與預(yù)測(cè)性維修的結(jié)合，如圖1所示。

圖1 美國(guó)國(guó)防部RCM和CBM+的相互關(guān)系

美國(guó)海軍是CBM的發(fā)起者和倡導(dǎo)者，在H-1直升機(jī)主減速器CBM+項(xiàng)目中，通過在主減速器上加裝傳感器和開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) ，在一年半的時(shí)間內(nèi)避免了22臺(tái)主減速器由于套筒、碎屑等故障導(dǎo)致的非計(jì)劃返廠和多起緊急迫降嚴(yán)重事故。美國(guó)空軍于2020年專門成立空軍快速維修辦公室，推進(jìn)B-1、KC-135、C-5、C-130和F-15等主戰(zhàn)機(jī)種應(yīng)用CBM+，計(jì)劃于2030年覆蓋全部機(jī)型。

CBM+對(duì)狀態(tài)監(jiān)控和健康管理的需求

維修方式的演變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控提出了很高的要求，及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，開展故障預(yù)測(cè)和健康管理成為機(jī)隊(duì)管理最核心的內(nèi)容，由此催生了發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理（EHM）技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)。

系統(tǒng)的構(gòu)成和主要功能

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理系統(tǒng)由機(jī)載、地面、機(jī)旁三個(gè)系統(tǒng)組成，如圖2所示。機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)通過便攜式維修輔助裝置串聯(lián)，各系統(tǒng)均隨發(fā)動(dòng)機(jī)同步研發(fā)、同時(shí)部署。其中，機(jī)載系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性、快速反應(yīng)、模型精度較高但相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；地面系統(tǒng)接收來自機(jī)載系統(tǒng)的飛行性能數(shù)據(jù)，同時(shí)利用發(fā)動(dòng)機(jī)交付試車數(shù)據(jù)、外場(chǎng)使用維修數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和趨勢(shì)分析，從中探測(cè)異常、發(fā)出警告，并借助各種復(fù)雜、精準(zhǔn)、智能的數(shù)學(xué)模型和算法開展發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估、性能退化和故障診斷/預(yù)測(cè)，避免微小異常發(fā)展為大的故障和事故，從而有效提高裝備使用的安全性和可靠性，為科學(xué)規(guī)劃發(fā)動(dòng)機(jī)下發(fā)、制定合理的維修策略提供決策依據(jù)。

圖2 CBM+頂層架構(gòu)中的狀態(tài)監(jiān)控和健康管理系統(tǒng)

CBM＋的開放體系架構(gòu)

地面系統(tǒng)承載了狀態(tài)監(jiān)控和健康管理相當(dāng)數(shù)量的重要任務(wù)。但是，美國(guó)海軍在實(shí)施CBM+的初期，由于缺乏統(tǒng)一、開放的架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，不同公司或?qū)I(yè)機(jī)構(gòu)開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)開放性、互操作性和互換性較差，信息共享和數(shù)據(jù)交換困難，重復(fù)開發(fā)費(fèi)用和維護(hù)成本高昂。2001年，美國(guó)海軍痛下決心，通過軍民兩用科技項(xiàng)目（DUST）資助了由波音公司等企業(yè)牽頭、高校和科研機(jī)構(gòu)參與的團(tuán)隊(duì)，共同開發(fā)了基于狀態(tài)維修的開放體系框架和標(biāo)準(zhǔn)（OSACBM），用于規(guī)范系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)信息交換，降低開發(fā)設(shè)計(jì)成本。OSACBM由7層組成，包括數(shù)據(jù)獲取層（DA）、數(shù)據(jù)處理層（DM）、狀態(tài)監(jiān)測(cè)層（SD）、健康評(píng)估層（HA）、故障預(yù)測(cè)層（PA）、決策支持層（AG）和表示層（PM），不同層之間數(shù)據(jù)接口、層次接口和通信協(xié)議統(tǒng)一定義，支持不同層次模塊的互操作性和互換性。

發(fā)動(dòng)機(jī)地面綜合監(jiān)控和健康管理系統(tǒng)開發(fā)

借鑒OSA-CBM開放性架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)實(shí)情況，開展地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平和應(yīng)用需求情況，搭建由數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、綜合監(jiān)控、狀態(tài)評(píng)估、運(yùn)行決策共5層組成的系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖3所示。原架構(gòu)第三層狀態(tài)監(jiān)控改為綜合監(jiān)控，把監(jiān)控范圍從以氣路性能監(jiān)控為主擴(kuò)展為可靠性、振動(dòng)、滑油、孔探監(jiān)控等。圖3中箭頭表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向，可以逐層由低向高流動(dòng)，即從第一層通過傳感器和其他方式收集數(shù)據(jù)開始，流向各個(gè)不同功能的中間層模塊處理，最后傳送到?jīng)Q策支持模塊進(jìn)行運(yùn)行決策；也可以由低層流動(dòng)到最高層，直接展示結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

主要業(yè)務(wù)功能分解

根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，除數(shù)據(jù)獲取和處理部分外，本系統(tǒng)的三個(gè)業(yè)務(wù)功能層還可進(jìn)一步分解，主要業(yè)務(wù)子功能模塊如圖4所示。后續(xù)隨著技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)的積累，還將有更多的故障診斷和失效分析等模型、算法的加入，不斷豐富監(jiān)控和評(píng)估功能。

圖4 主要業(yè)務(wù)功能分解

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理關(guān)鍵技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理涉及眾多發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)專業(yè)和關(guān)鍵技術(shù)，僅選取其中4項(xiàng)加以說明。

可靠性監(jiān)控指標(biāo)體系及其參數(shù)警戒值的建立和調(diào)整

發(fā)動(dòng)機(jī)的固有可靠性由研發(fā)決定，但受運(yùn)行環(huán)境、任務(wù)剖面和性能退化的影響，使用中的預(yù)防性維修只是維持或恢復(fù)其固有可靠性水平，然而不恰當(dāng)維修或缺乏維修將會(huì)降低其使用可靠性。因此，必須通過建立完善的可靠性管理體系來持續(xù)監(jiān)控其可靠性狀況。

可靠性監(jiān)控涉及兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是可靠性監(jiān)控指標(biāo)體系的建立，即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、實(shí)際使用環(huán)境和任務(wù)需求，確定各類型發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性監(jiān)控量化指標(biāo)體系，滿足數(shù)量有限、可度量、可追溯、可驗(yàn)證的要求；二是可靠性監(jiān)控指標(biāo)參數(shù)警戒值的建立與調(diào)整，對(duì)被監(jiān)控的可靠性參數(shù)指標(biāo)設(shè)定警戒值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可靠性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與警戒值的偏離，觸發(fā)告警，每個(gè)參數(shù)警戒值均基于各異常事件的發(fā)生率，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法得到，同時(shí)針對(duì)數(shù)據(jù)波動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行滾動(dòng)平均，在一定時(shí)期內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)性化模型的性能監(jiān)控和狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能監(jiān)控包括在線采集和存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器測(cè)量的飛行數(shù)據(jù)，下載到地面計(jì)算機(jī)后，以發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能基線模型為基礎(chǔ)，根據(jù)采集參數(shù)與模型參數(shù)兩者偏差實(shí)現(xiàn)氣路性能的異常檢測(cè)和故障告警，并開展趨勢(shì)分析、狀態(tài)評(píng)估和故障診斷，如圖5所示。

圖5 地面系統(tǒng)性能監(jiān)控/評(píng)估流程

上述工作流程中有如下關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

一是確定發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控性能參數(shù)或狀態(tài)特征參數(shù)組合。新交付的批產(chǎn)/修理發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能參數(shù)在一定范圍呈現(xiàn)隨機(jī)的分散特征，對(duì)外場(chǎng)使用的性能裕度具有重要的影響。因此，通過非相似狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的修正、樣本數(shù)據(jù)的預(yù)處理、參數(shù)估計(jì)及相關(guān)性分析，建立每種參數(shù)的分布特征，確定具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)特征參數(shù)組合。

二是建立個(gè)性化發(fā)動(dòng)機(jī)性能基線模型。性能參數(shù)偏差Δy必須準(zhǔn)確且能正確反應(yīng)變化趨勢(shì)，才能得到高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和診斷結(jié)果，前提是：傳感器測(cè)量的飛行參數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確、充分；發(fā)動(dòng)機(jī)性能基線模型準(zhǔn)確；數(shù)據(jù)預(yù)處理方法能有效處理噪聲和數(shù)據(jù)點(diǎn)突變、數(shù)據(jù)趨勢(shì)突變等異常。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)性能基線模型不能簡(jiǎn)單采用標(biāo)準(zhǔn)性能模型，必須考慮每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)零件制造/裝配的誤差，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝損失，以及使用過程中性能退化和任務(wù)剖面不同產(chǎn)生的影響，在標(biāo)準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)出廠檢驗(yàn)試車數(shù)據(jù)和模型辨識(shí)方法開展模型修正，建立能表征單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的個(gè)性化性能基線模型。

三是發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)氣路性能監(jiān)控和狀態(tài)評(píng)估技術(shù)。氣路性能監(jiān)控關(guān)鍵是建立異常檢測(cè)邏輯，具備區(qū)分Δy因性能退化產(chǎn)生的非故障漸進(jìn)性能變化與可能有故障的快速性能變化的能力，確定監(jiān)控告警的閾值是其中的一個(gè)難點(diǎn)。氣路分析評(píng)估方法包括基于模型的性能辨識(shí)和基于數(shù)據(jù)的性能辨識(shí)，或者將二者相結(jié)合，引入發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)模型，自動(dòng)跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化，估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的性能降級(jí)量和發(fā)動(dòng)機(jī)性能降級(jí)趨勢(shì)。

高性能振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有高速旋轉(zhuǎn)部件，其運(yùn)行工況和運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，呈現(xiàn)多元激勵(lì)的特征，產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)響應(yīng)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作和使用壽命。在綜合監(jiān)控中與之對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障機(jī)理及頻率特征技術(shù)，以及在多元信息融合、多種診斷方法融合等技術(shù)方向上發(fā)展諸如小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)診斷方法，提高振動(dòng)故障診斷準(zhǔn)確度和預(yù)測(cè)精度；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)早期微弱信號(hào)處理和特征提取技術(shù)，這些信號(hào)具有非平穩(wěn)、周期性特點(diǎn)，信噪比往往比較低，但包含豐富的故障信息，能幫助預(yù)判發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和健康水平。目前采用常規(guī)的檢測(cè)方法（如幅值域分析、傅里葉變換、相關(guān)分析等）無法識(shí)別，必須利用近代電子學(xué)和信號(hào)處理方法（如小波域雙譜分析、盲源分離、維格納-威利（Wigner-Ville）分布、短時(shí)傅里葉變換和高階統(tǒng)計(jì)量分析等），準(zhǔn)確檢測(cè)出淹沒于強(qiáng)噪聲中的微弱故障信號(hào)，達(dá)到預(yù)判故障、提高診斷準(zhǔn)確率的目的。

基于OSA-CBM的系統(tǒng)開放體系架構(gòu)技術(shù)

地面系統(tǒng)涉及發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能、可靠性、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)、測(cè)試、系統(tǒng)辨識(shí)、信號(hào)處理、軟件架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘等眾多專業(yè)領(lǐng)域，監(jiān)控?cái)?shù)十個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品型號(hào)，處理海量數(shù)據(jù)，開發(fā)難度大、時(shí)間跨度長(zhǎng)。隨著需求的變化和技術(shù)的發(fā)展需要不斷更新升級(jí)，如果仍然沿用傳統(tǒng)的單體架構(gòu)模型和“單獨(dú)系統(tǒng)+單獨(dú)技術(shù)+單獨(dú)服務(wù)器+單獨(dú)數(shù)據(jù)庫+單獨(dú)機(jī)柜+后期編寫接口對(duì)接”孤島式系統(tǒng)建設(shè)和部署模式，無法在全行業(yè)實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)、算法和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)共享，無法靈活應(yīng)對(duì)各單位產(chǎn)品技術(shù)基礎(chǔ)參差不齊和故障診斷預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)需求不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，造成系統(tǒng)臃腫、大量重復(fù)開發(fā)和部署，研發(fā)和運(yùn)維成本大幅增加。

而OSA-CBM開放體系架構(gòu)正是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是采用分層體系架構(gòu)設(shè)計(jì)。使用統(tǒng)一建模語言（UML）定義了每層（模塊）的結(jié)構(gòu)，以及不同層之間的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議，各層與外部系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換格式，以保證系統(tǒng)內(nèi)部不同層次功能模塊的互操作性和相同功能模塊的互換性，保證與外部系統(tǒng)的集成性。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于算法和發(fā)動(dòng)機(jī)模型采用模塊化設(shè)計(jì)并解耦，數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)格式傳輸，不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)只需更換發(fā)動(dòng)機(jī)模型而無須重建系統(tǒng)，先進(jìn)算法也可以獨(dú)立替換和升級(jí)，這也正是組件化（一般是動(dòng)態(tài)鏈接庫）設(shè)計(jì)理念的具體體現(xiàn)，使系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)具有跨平臺(tái)、跨語言、跨協(xié)議的能力，通用性和可擴(kuò)展性增強(qiáng)。

二是采用標(biāo)準(zhǔn)化和開放性設(shè)計(jì)。OSA-CBM從軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對(duì)系統(tǒng)的功能、體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享、功能模塊重用以及集成等多方面進(jìn)行規(guī)范，并將上述信息全部公開，使功能開發(fā)商可以更加聚焦專業(yè)能力提升、自由選擇參與程度，從而節(jié)省開發(fā)成本，提高功能模塊的可移植性、開放性、可靠性和可集成性。

三是基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的柔性平臺(tái)設(shè)計(jì)。一方面，地面系統(tǒng)的柔性體現(xiàn)在其并非由標(biāo)準(zhǔn)定義的所有組件構(gòu)成，而是根據(jù)需要和技術(shù)現(xiàn)狀，自由裁剪、柔性組合形成監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，具有相當(dāng)?shù)撵`活性；另一方面，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)支持監(jiān)控、診斷和預(yù)測(cè)等不同功能的系統(tǒng)組件分別部署在不同的地域，并通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口、協(xié)議和服務(wù)松散耦合在一起，形成網(wǎng)絡(luò)化的柔性平臺(tái)，支撐全行業(yè)專業(yè)功能模塊異地協(xié)同使用、資源異地共享。在這種方式下，參與各方只做自己擅長(zhǎng)的工作，充分發(fā)揮各自在不同領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使平臺(tái)向?qū)I(yè)化協(xié)同方向發(fā)展，而發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷也可以在這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支撐下運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷分析協(xié)同平臺(tái)

結(jié)束語

基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維修是世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修模式的發(fā)展趨勢(shì)，該維修模式的實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控和健康管理系統(tǒng)提出了新的要求，研究其總體架構(gòu)、功能分解和關(guān)鍵技術(shù)將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)有所裨益。同時(shí)，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是開展外場(chǎng)綜合監(jiān)控和健康管理的前提，因此外場(chǎng)服務(wù)保障數(shù)據(jù)治理將是后續(xù)的研究重點(diǎn)，以期為CBM+實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。