軍用飛機供配電系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理關(guān)鍵技術(shù)

艾鳳明，梁興壯，董潤，李偉林

1.航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110035

2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072

隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，軍用飛機的供配電系統(tǒng)由最初低壓直流系統(tǒng)的形式被后續(xù)恒頻交流系統(tǒng)、變頻交流系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)所取代。軍用飛機的供配電系統(tǒng)的跨越式發(fā)展和改進(jìn)使得飛機的供配電效率、電源質(zhì)量、供配電容量等方面有了長足的進(jìn)步，但是隨著供配電系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量的增多，供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得越發(fā)復(fù)雜。由于軍用飛機任務(wù)場景多樣、使用環(huán)境惡劣，對于故障的容忍度較差，軍用飛機這一任務(wù)特點與先進(jìn)供配電系統(tǒng)逐漸提高的復(fù)雜度產(chǎn)生了矛盾。同時，傳統(tǒng)的定期檢查修理和事后修理的策略已經(jīng)不能滿足先進(jìn)軍用飛機高可靠性、高準(zhǔn)確率、高效率和低成本的維護(hù)要求。因此，如何將這一復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性保持較高的水平成為當(dāng)今軍用飛機供配電系統(tǒng)設(shè)計、研究、使用和維護(hù)過程中不可忽略的一項重要課題。

20 世紀(jì)70 年代，研究人員在裝備維護(hù)過程中逐步提出了狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)測與健康管理（PHM）等概念[1-2]。故障預(yù)測和健康管理技術(shù)是狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)的發(fā)展和衍生，故障預(yù)測技術(shù)的目的是對出現(xiàn)一定征兆的未發(fā)故障進(jìn)行預(yù)判和預(yù)測，將未發(fā)故障扼殺于搖籃之中，使設(shè)備使用狀態(tài)不再進(jìn)一步惡劣，造成更加嚴(yán)重的影響。健康管理技術(shù)主要是對整個系統(tǒng)中不同層次的子系統(tǒng)、部件或元件的使用狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理，及時為設(shè)備維護(hù)人員提供維護(hù)數(shù)據(jù)，以便維護(hù)人員針對不同設(shè)備的不同健康狀態(tài)進(jìn)行視情維護(hù)，提高維護(hù)效率、降低維護(hù)成本。

本文將主要針對軍用飛機供配電系統(tǒng)的故障預(yù)測和健康管理技術(shù)進(jìn)行供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)需求分析、梳理研究現(xiàn)狀、進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計、闡述關(guān)鍵難點技術(shù)，并對軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)中的一些熱點問題提出研究建議。

1 軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)需求

由于技術(shù)需求定義角度眾多，本節(jié)內(nèi)容不力求覆蓋軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM所有技術(shù)需求和設(shè)計要點，旨在結(jié)合軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)構(gòu)型、飛機供配電系統(tǒng)及設(shè)備故障特征、機載環(huán)境和航空條件等要點重點分析軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)需求及設(shè)計要點。

本節(jié)將分別針對軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM構(gòu)型設(shè)計、數(shù)據(jù)采集需求、機載使用需求三個方面對軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)需求進(jìn)行闡述。

1.1 軍用飛機供配電系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計需求

軍用飛機供配電系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)形式上可以分為集中式供配電和分布式供配電兩種，集中式供配電系統(tǒng)是將發(fā)電機、二次電源變換器、用電負(fù)載等發(fā)電、用電設(shè)備通過配電設(shè)備、配電線路連接到集中配電中心設(shè)備上，進(jìn)行統(tǒng)一集中供配電和配電。圖1是集中式供配電系統(tǒng)示意圖。

圖1 集中式供配電系統(tǒng)Fig.1 Centralized power supply and distribution system

分布式供配電系統(tǒng)則是將供配電設(shè)備與用電設(shè)備分散布置，通過分布配電設(shè)備就近進(jìn)行供配電和配電，分布式供配電系統(tǒng)能夠縮短供配電線纜的長度，分散控制、分散供配電的特點能夠提高供配電的可靠性。分布式特征可以存在于不同體制的供配電系統(tǒng)之中，交流供配電系統(tǒng)和直流供配電系統(tǒng)均可設(shè)計成為分布式供配電系統(tǒng)。

相較于集中式供配電系統(tǒng)，分布式供配電系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢，將是未來新型軍用飛機供配電的主流發(fā)展方向。圖 2是分布式供配電系統(tǒng)示意圖。

圖2 分布式供配電系統(tǒng)Fig.2 Distributed power supply and distribution system

不同類型的供配電系統(tǒng)之間的設(shè)備連接形式差別很大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間存在很大差異。所以針對不同類型的供配電系統(tǒng)需要設(shè)計不同組織形式的故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)。同樣，故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)可以分為集中式PHM系統(tǒng)和分布式PHM系統(tǒng)兩種。圖 3是集中式PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 集中式PHM系統(tǒng)Fig.3 Centralized prognostics and health management system

集中式PHM系統(tǒng)具有一個PHM管理中心和多個信號傳感器，管理中心接收分布在不同位置的傳感器的不同種類的信號，經(jīng)過分析處理得到各設(shè)備的健康狀態(tài)信息。集中式PHM 系統(tǒng)必須保證信號傳感器與管理中心的數(shù)據(jù)傳輸通暢，以便管理中心及時判斷機載供配電系統(tǒng)設(shè)備的健康水平和預(yù)測可能發(fā)生的故障。數(shù)據(jù)傳輸可以使用有線傳輸和無線傳輸。

與集中式PHM系統(tǒng)相對應(yīng)的是分布式PHM系統(tǒng)，圖4是分布式PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。分布式PHM系統(tǒng)在飛機供配電系統(tǒng)不同部位分別設(shè)置和安放能夠獨立工作的PHM 智能終端，分布式PHM 智能終端具有信號采集、處理、通信、狀態(tài)評估、故障預(yù)測和健康管理等功能，能夠針對單個設(shè)備獨立完成故障預(yù)測和健康管理功能，并可以通過有線或無線傳輸，將設(shè)備健康狀態(tài)和故障情況傳遞給其他PHM 智能終端。分布式PHM 系統(tǒng)并不依賴某一個中心設(shè)備工作，單個或少數(shù)幾個設(shè)備的運行異常并不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，這一特點使得整體PHM 系統(tǒng)的可靠性提高。

圖4 分布式PHM系統(tǒng)Fig.4 Distributed prognostics and health management system

1.2 供配電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求

軍用飛機供配電系統(tǒng)主要包含主電源、輔助電源、應(yīng)急電源、專用電源、二次電源、配電線路和配電設(shè)備等[3]。供配電系統(tǒng)中設(shè)備類型眾多，工作原理不盡相同，供配電系統(tǒng)耦合了電氣、機械、液壓、熱學(xué)、聲學(xué)等多個物理特征，是典型的多物理域耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。

由于供配電系統(tǒng)涉及多個物理域，設(shè)備故障和系統(tǒng)健康狀態(tài)能夠通過多種特征量進(jìn)行表征。供配電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求分析和設(shè)計需要充分考慮多物理耦合特征，為不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確地選取傳感器類型。通過相關(guān)試驗研究并結(jié)合歷史經(jīng)驗，軍用飛機供配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集種類主要涉及電、熱量、振動、聲紋、電磁信號等。

另外，供配電系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量眾多，全面掌握供配電系統(tǒng)設(shè)備健康水平和運行狀態(tài)需要使用大量傳感器。如何通過合理地布置傳感器并將不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，也需要在數(shù)據(jù)采集需求論證階段進(jìn)行充分考慮。

1.3 供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)機載使用需求

飛機供配電系統(tǒng)的工作條件和地面工業(yè)設(shè)備的工作條件相差很大，主要表現(xiàn)在三個方面：氣候不同、機械因素不同、化學(xué)和核因素不同[3]。相比民用飛機，軍用飛機任務(wù)工況更加惡劣，相應(yīng)的工作條件更為嚴(yán)苛。飛行過程中會產(chǎn)生強烈的振動、噪聲、不良散熱、大溫差、強電磁干擾等不利因素。若在設(shè)計、開發(fā)供配電PHM系統(tǒng)時沒有充分考慮這些不利因素，輕則可能干擾相關(guān)傳感器的信號采集，造成信號采集不準(zhǔn)確，重則可能影響PHM系統(tǒng)的正常工作。

軍用飛機機艙空間和載荷十分寶貴，這一狀況對于小型軍用飛機來講尤為突出。在設(shè)計供配電PHM 系統(tǒng)時應(yīng)當(dāng)充分考慮這一問題，需要進(jìn)行傳感器布置位置優(yōu)化和無損化安裝、系統(tǒng)小型化和輕量化研究，力求對原有供配電系統(tǒng)和整機產(chǎn)生最小的負(fù)擔(dān)。

不僅軍用飛機上空間和載荷十分寶貴，同時機載計算機算力也是十分寶貴的。在軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM 技術(shù)研制過程中要充分考慮機載算力的有限，過于復(fù)雜和需要消耗大量算力的算法無法滿足機載使用實際情況。

綜上，在軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)的研發(fā)中要充分考慮相關(guān)航空工作條件的影響、空間、載荷和算力的制約，充分考慮PHM技術(shù)的機載使用需求。

2 軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM架構(gòu)

2.1 國外軍用飛機PHM架構(gòu)研究現(xiàn)狀

隨著系統(tǒng)和設(shè)備復(fù)雜性的增加以及信息技術(shù)的發(fā)展，PHM 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了外部測試、機內(nèi)測試（BIT）、智能BIT、綜合診斷和PHM共5個階段[4]。故障預(yù)測和健康管理相關(guān)技術(shù)的理念最早可以追溯到20世紀(jì)50—60年代，PHM 技術(shù)的最早應(yīng)用是70 年代美國在其軍用艦載攻擊機A-7E上安裝了發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)（EMS）[4]。以發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)為代表的早期應(yīng)用屬于BIT技術(shù)，大多是監(jiān)控某些重要參數(shù)，此類管理策略是基于閾值的方法。后來，美軍為直升機研制并裝備了直升機健康管理系統(tǒng)（HUMS），主要裝配在AH-64“阿帕奇”、UH-60“黑鷹”、CH-47“支奴干”等直升機上。在技術(shù)水平上，早期HUMS系統(tǒng)介于智能BIT和綜合診斷階段之間，已經(jīng)能夠通過監(jiān)測直升機的振動頻率和滑油溫度等信息，使用診斷算法從而推測直升機的使用狀態(tài)。20世紀(jì)90 年代技術(shù)發(fā)展到PHM 階段，美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍相繼研發(fā)了綜合健康管理系統(tǒng)分別用于航天器和聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機JSF。

未來PHM 技術(shù)的發(fā)展路徑可以歸結(jié)為三個技術(shù)層次[4-9]。層次1：部件失效模型、傳感與數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)感知與推理、智能材料；層次2：子系統(tǒng)故障預(yù)測和管理、容錯控制、體系架構(gòu)設(shè)計與驗證；層次3：PHM 系統(tǒng)的設(shè)計集成與驗證[10]。從技術(shù)層級來看，PHM 技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢將從失效機制、數(shù)據(jù)分析、傳感器檢測等基礎(chǔ)技術(shù)研究到子系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測和失效緩解技術(shù)研究，再到系統(tǒng)級PHM系統(tǒng)設(shè)計，最后實現(xiàn)對整機的故障預(yù)測和健康管理[11-13]。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，PHM技術(shù)的發(fā)展從最初的航空航天軍事領(lǐng)域逐漸下沉滲透到了軌道交通、電動汽車、電力裝備、電子電器等民用領(lǐng)域。從技術(shù)成熟度來看，目前針對PHM技術(shù)的研究已經(jīng)達(dá)到了智能BIT水平，大部分已經(jīng)達(dá)到智能診斷的技術(shù)水平，少數(shù)能夠達(dá)到較為成熟的PHM技術(shù)水平。

美國海軍委托波音公司針對飛機綜合健康管理進(jìn)行研究。以F/A-18、C-17 和波音737 為主要研究對象，該項目重點研究涉及軍、民用飛機，旨在開發(fā)一種可互操作的多平臺飛機健康管理數(shù)據(jù)處理與分析方法[12]。該項目設(shè)計的數(shù)據(jù)庫方案、數(shù)據(jù)接口方法和算法對新型飛機、衍生飛機和現(xiàn)有飛機都具有較好的適用性。

目前根據(jù)現(xiàn)有消息，美軍所研發(fā)和使用的軍用飛機故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)主要完成了飛機的增強故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測和部分剩余壽命估計功能，預(yù)測能力還有待提高?，F(xiàn)階段軍用飛機上技術(shù)成熟度最高的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（JSF）上的故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)還處于成熟階段，機載PHM系統(tǒng)沒有加入預(yù)測功能，另外還有一些問題如故障虛報問題尚未得到完美解決；目前少部分預(yù)測算法只存在于地面PHM系統(tǒng)之中。

2.2 軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM架構(gòu)設(shè)計

軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM 架構(gòu)需要充分考慮供配電系統(tǒng)特征、PHM 技術(shù)需求和飛機機載條件等因素進(jìn)行設(shè)計。

經(jīng)過上文分析可知，未來新型軍用飛機將向多電化和全電化方向發(fā)展，供配電系統(tǒng)也將向分布式結(jié)構(gòu)發(fā)展。多電化特征和分布式架構(gòu)使軍用飛機供配電系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量、種類更多，分布更分散，PHM系統(tǒng)需要布置更多的監(jiān)測點位才能獲取到翔實、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而對整個供配電系統(tǒng)的整體健康狀態(tài)和不同設(shè)備的個體健康狀態(tài)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的判斷。但現(xiàn)階段到未來很長一段時間內(nèi)，機載計算機的運算能力并不能保障更多的狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、更強大的數(shù)據(jù)處理需求。換言之，需要將狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)測方法等PHM技術(shù)需求結(jié)合實際飛機機載條件進(jìn)行考慮。

針對新型軍用飛機供配電系統(tǒng)特征、PHM技術(shù)檢測需求，以及機載環(huán)境和條件限制等PHM系統(tǒng)設(shè)計需求和條件因素，軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM架構(gòu)解決方案包含了多源異構(gòu)傳感器陣列、多源數(shù)據(jù)融合和機載地面聯(lián)合PHM架構(gòu)等。圖5 展示了軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM 架構(gòu)設(shè)計需求與解決方案。

圖5 軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM架構(gòu)設(shè)計需求與解決方案Fig.5 PHM architecture design requirements and solutions for military aircraft power supphy and distribution system

多源異構(gòu)傳感器陣列研究主要包含了多源傳感器選擇、陣列布置方案、降噪等內(nèi)容。多源異構(gòu)傳感器陣列技術(shù)有針對性地滿足了供配電系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)種類多、分布分散、檢測精度要求高的技術(shù)需求。

多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)旨在解決供配電系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)量龐大的問題，通過先期特征提取和降維，篩選出與故障和健康狀態(tài)關(guān)聯(lián)度較大的特征參數(shù)，之后利用數(shù)據(jù)融合算法將不同特征參數(shù)進(jìn)行融合處理，通過對融合結(jié)果進(jìn)行評價從而實現(xiàn)對故障的預(yù)測和健康水平的管理。

軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM 架構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用云—邊—端協(xié)同、機載—地面聯(lián)合和離線—在線結(jié)合的技術(shù)能夠較好解決機載條件限制與PHM 技術(shù)需求之間的矛盾。圖6是PHM系統(tǒng)云—邊—端協(xié)同、機載—地面聯(lián)合特征結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 PHM系統(tǒng)云—邊—端協(xié)同、機載—地面聯(lián)合特征Fig.6 The cloud-edge-collaboration and airborne-ground combination features of the PHM system

離線—在線結(jié)合技術(shù)通過對供配電系統(tǒng)中的不同子系統(tǒng)、設(shè)備進(jìn)行重要程度評定，將重要程度較高、一旦發(fā)生故障容易危及飛行安全的子系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測和健康水平評估；對于重要程度較低、發(fā)生故障不危害飛行安全和任務(wù)完成的子系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行離線狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測和健康水平管理。

在軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM 架構(gòu)中引入機載—地面聯(lián)合技術(shù)可以有效解決機載算力不足、復(fù)雜PHM算法無法在機載環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用的問題。機載—地面聯(lián)合技術(shù)同時具備機載PHM 子系統(tǒng)和地面PHM 子系統(tǒng)，其中機載PHM子系統(tǒng)主要包含分布式PHM 智能評估終端、PHM 評估總控計算機等設(shè)備，能夠在機載條件下完成信息采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)壓縮和存儲、數(shù)據(jù)傳輸控制，能夠運行簡單的故障預(yù)測和健康管理算法，進(jìn)行基于重要性分級的評估和管理。地面PHM子系統(tǒng)由于不再受體積、重量、功率等限制，可以大大增強運算算力，能夠運行復(fù)雜的故障預(yù)測和健康管理算法，如基于深度學(xué)習(xí)和人工智能的PHM 算法。地面PHM子系統(tǒng)主要通過下載機載數(shù)據(jù)，對供配電子系統(tǒng)進(jìn)行離線評估，另外可以通過表貼等方法為供配電系統(tǒng)設(shè)備外接傳感器進(jìn)行輔助數(shù)據(jù)采集，收集同一機隊不同架次的運行數(shù)據(jù)建立整個機隊的數(shù)據(jù)庫。

云—邊—端協(xié)同特征是指將加密云計算、邊緣計算和智能供配電計算進(jìn)行協(xié)同融合，通過協(xié)同算法對運算評估任務(wù)進(jìn)行智能化分配，通過邊—端協(xié)同、邊—云協(xié)同、端—云協(xié)同等技術(shù)，充分挖掘云、邊、端的算力潛力，實現(xiàn)高運算速度、大規(guī)模算力、低運算延遲的有機統(tǒng)一。

3 關(guān)鍵難點技術(shù)

3.1 特征參數(shù)提取

提取故障特征參量是飛機供配電系統(tǒng)故障預(yù)測和健康管理的重要環(huán)節(jié)，為學(xué)習(xí)樣本的建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時它也是故障預(yù)測和健康管理的一個非常關(guān)鍵的問題，目的是盡可能地減少模式識別過程中的工作量；研究故障特征的提取方法，同時也是為了解決故障診斷過程中模式識別中存在的一些問題，如精度、計算時間等問題。

特征參數(shù)提取可以利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析法、頻譜分析法、小波分析提取法、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等方法進(jìn)行特征參數(shù)的提取[14-17]。圖7 是幾種常用的故障特征提取技術(shù)。

圖7 故障特征提取技術(shù)Fig.7 Fault feature extraction technology

3.1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

建立軍用飛機供配電系統(tǒng)故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時，需要從故障模型中提取一定的信息，對這些信息進(jìn)行進(jìn)一步分析處理后，選取合適的量作為故障特征值。

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的供配電系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測主要包括兩個部分：BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程、故障診斷和預(yù)測過程[17]。這兩個部分都包括數(shù)據(jù)處理和提取特征值兩個過程。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程是對供配電系統(tǒng)故障的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取可以識別各種故障模式的故障特征值，并按照BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)流程來訓(xùn)練模型，這一過程是離線狀態(tài)下在上位機中完成的；故障診斷過程是實時采集供配電系統(tǒng)實時運行的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將故障特征數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的模型中，從而完成未知故障模式的在線判斷。

3.1.2 主成分分析法

在完成故障特征提取研究之前，對于故障特征參數(shù)的把握和認(rèn)識是籠統(tǒng)和感性的，對某種參數(shù)變量與故障和健康狀況是否具有密切的關(guān)聯(lián)度并沒有清晰、明確的認(rèn)識。因此，在最初的試驗測試過程中，需要選取數(shù)量較多的參數(shù)進(jìn)行測試，繼而建立PHM試驗原始數(shù)據(jù)庫。在試驗測試期間人為地選取大量參數(shù)變量這樣的試驗設(shè)計有利于為研究和應(yīng)用提供豐富的信息，但同時在這些原始數(shù)據(jù)中包含了大量的冗余信息。一般情況下，這些參數(shù)之間存在一定的相關(guān)性，若不加處理地對所有參數(shù)進(jìn)行分析計算，勢必造成數(shù)據(jù)分析和問題研究的復(fù)雜化。如果對不同參量采取獨立分析的方法，就不能完全利用數(shù)據(jù)中的信息，造成特征的丟失和遺漏。因此，需要使用一種數(shù)據(jù)處理方法，既能消除原始數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，又能夠減少有效信息的損失，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的較低成本的有效把握。主成分分析方法是使用最廣泛的數(shù)據(jù)降維算法。其基本原理是將原始的數(shù)組重新組合，通過正交變換的方式將n維的特征映射到m維上，得到全新的n維特征（n＜m），通過這樣的過程將原始數(shù)據(jù)中的主成分提取出來，新的n維特征之間呈現(xiàn)互補關(guān)系[18-20]。

傳統(tǒng)PCA 方法僅需衡量參考樣本集協(xié)方差矩陣的大小即可，得到的所有主成分變量之間相互獨立，這樣可能降低特征的解釋性和造成一定程度的樣本信息缺失。針對以上問題，可以結(jié)合信息論互信息原理、基于均值加權(quán)的數(shù)據(jù)中心化、熵權(quán)法等方法對傳統(tǒng)PCA 方法進(jìn)行改進(jìn)，以提高PCA方法的效果。

3.1.3 小波變換

經(jīng)典的小波分析理論是在傅立葉分析理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，但小波分析對于非線性問題的處理要優(yōu)于傅里葉分析。對于需要時域信息的信號，傅里葉分析則不能從原始信號的傅里葉變換中得到原始信號在某一時間點附近的性態(tài)，也就是說不具備局部化的能力。小波變換使用的是可以根據(jù)需要調(diào)整時間與頻率分辨率的窗函數(shù)（小波函數(shù)），因此在時頻兩域同時具有良好的局部化性質(zhì)。其在各種時頻分析的場合應(yīng)用得比較廣[21]。

小波變換是一種新興的數(shù)學(xué)分析工具，最先使用這種分析方法的是在獨立的不同領(lǐng)域中，這其中包括純數(shù)學(xué)領(lǐng)域、物理學(xué)領(lǐng)域，還有工程學(xué)領(lǐng)域。隨著小波理論的不斷發(fā)展，目前小波分析理論廣泛運用于信號分析與處理、圖像處理與分析、語音識別與合成、分子力學(xué)、齒輪變速控制、金屬表面探傷、自動目標(biāo)鎖定、地震勘探、量子化學(xué)、分子動力學(xué)等領(lǐng)域，小波分析的發(fā)展對數(shù)學(xué)和工程應(yīng)用都產(chǎn)生了比較深遠(yuǎn)的影響。

3.2 數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測

由于軍用飛機機載環(huán)境惡劣，高低溫、復(fù)雜電磁環(huán)境、大噪聲、強振動等環(huán)境因素對供配電系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)生強烈的干擾和影響。因此，在軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM 技術(shù)中的狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究中需要充分考慮軍用飛機機載實際環(huán)境條件的影響。為了降低和消除環(huán)境因素給數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測帶來的干擾，可以從屏蔽和降噪兩個方面進(jìn)行處理：（1）加裝干擾屏蔽裝置。這種方法主要適用于易于物理隔絕的干擾信號的屏蔽，如高低溫、電磁干擾等。通過在干擾信號源頭加裝干擾屏蔽裝置或在擾動傳遞路徑上設(shè)置屏蔽層等手段，可以對極端溫度和電磁干擾等不利環(huán)境因素進(jìn)行屏蔽和隔絕，以實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集和穩(wěn)定的狀態(tài)監(jiān)測。（2）設(shè)置降噪傳感器對環(huán)境擾動進(jìn)行降噪處理。此類型方法是在供配電系統(tǒng)不同位置按照一定規(guī)則分別設(shè)置若干采集傳感器和降噪傳感器，所有傳感器構(gòu)成一個傳感器陣列。一般情況下，采集傳感器更為接近受測設(shè)備，對受測設(shè)備的信號進(jìn)行采集，但由于受外界環(huán)境因素的干擾，采集傳感器也會不可避免地收集到一定比例的干擾信號。與此同時，設(shè)置在外圍的降噪傳感器對干擾信號進(jìn)行實時采集，采集傳感器與降噪傳感器的數(shù)據(jù)由陣列中央信號處理器進(jìn)行處理，將環(huán)境噪聲從原始信號中消除，最終得到降噪處理的有效數(shù)據(jù)。

另外，未來軍用飛機供配電系統(tǒng)的一大特征是分布式架構(gòu)，多源分布式供配電架構(gòu)要求傳感器也應(yīng)具備分布式布局，若干分布式傳感器構(gòu)成一個或若干個傳感器陣列分散在整個飛機供配電系統(tǒng)之中，實現(xiàn)分布式傳感器穩(wěn)定、高效、可靠的信息交互也是一個亟待解決的問題。由于機載環(huán)境復(fù)雜，需要同時滿足信息的可靠采集、穩(wěn)定傳輸和抗干擾等要求，在傳感器類型選用和信息傳輸方式方面的選擇要求較高。

3.3 故障預(yù)測方法

在完成特征提取、數(shù)據(jù)采集之后，通過故障預(yù)測方法對故障特征信號進(jìn)行分析處理，從而實現(xiàn)對故障的預(yù)測和健康狀態(tài)的評價。目前常用的故障預(yù)測方法有基于損傷標(biāo)尺的方法、基于狀態(tài)信息的方法、基于數(shù)據(jù)融合的方法和基于灰色預(yù)測理論的方法。

3.3.1 基于損傷標(biāo)尺的故障預(yù)測方法

損傷標(biāo)尺是針對一種或多種故障機理，以被監(jiān)控電子設(shè)備相同的工藝過程制造出來的，預(yù)期壽命比被監(jiān)控對象短的產(chǎn)品[4]。學(xué)術(shù)界也稱為Canary、預(yù)警裝置、Precursor等。使用該種方法的前提條件是對研究對象的故障機理具備了清晰明確且準(zhǔn)確的認(rèn)識，通過檢測設(shè)備的實時運行狀態(tài)和特征參數(shù)，利用故障機理模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行累積處理，從而得到損傷標(biāo)尺故障預(yù)測結(jié)果，之后參考故障標(biāo)尺的預(yù)測結(jié)果對受測設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測和健康狀態(tài)評估。因此，基于損傷標(biāo)尺的故障預(yù)測方法可以被歸類為基于故障機理模型的故障預(yù)測方法。使用基于損傷標(biāo)尺的故障預(yù)測方法的前提是對設(shè)備和系統(tǒng)的故障機理具有十分清晰且準(zhǔn)確的認(rèn)識，但在實際的研究中，達(dá)到這樣的要求是十分困難的，因此該方法實施難度大，當(dāng)前應(yīng)用范圍較小。

3.3.2 基于狀態(tài)信息的故障預(yù)測方法

供配電設(shè)備一般由若干功能電路和單元等組成，這些電路和單元的輸出狀態(tài)信息部分能夠反映電子設(shè)備的健康狀態(tài)[22]。利用這種特性，對能夠表征故障和健康水平的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測，通過監(jiān)測狀態(tài)信息的變化趨勢或是否達(dá)到故障閾值，從而對供配電設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測，但由于供配電設(shè)備故障普遍具有突發(fā)性的特點，大部分供配電設(shè)備的功能及性能等狀態(tài)信息還不能有效反映電子設(shè)備的退化，即使部分狀態(tài)信息（如半導(dǎo)體功率管的閾值電流等）可以較明顯反映故障的演化過程，這些參數(shù)也往往需要一定的測試條件，直接在線獲取這類狀態(tài)信息比較困難，這也直接導(dǎo)致目前基于狀態(tài)信息的故障預(yù)測方法在PHM 的工程實際中難以大范圍實施。

3.3.3 基于數(shù)據(jù)融合的故障預(yù)測方法

供配電系統(tǒng)的復(fù)雜性、故障的隨機性和突變性使得利用某一種數(shù)據(jù)對供配電系統(tǒng)故障進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測存在較大的困難[20]。數(shù)據(jù)融合方法作為一種將多種數(shù)據(jù)經(jīng)過一定方法的分析、處理和綜合從而實現(xiàn)綜合決策的方法，能夠綜合考慮復(fù)雜系統(tǒng)中的多種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)利用率和決策結(jié)果準(zhǔn)確性大大提高[23]。近年來，研究人員將基于數(shù)據(jù)融合的方法運用到了PHM領(lǐng)域。例如，有學(xué)者將基于模型的方法和基于數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行融合開展剩余壽命預(yù)測研究，運用豐富的歷史數(shù)據(jù)修正物理模型中權(quán)重因子，彌合了數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測和基于模型的預(yù)測之間的差距[24]。所提出的框架成功應(yīng)用于鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測，并且與經(jīng)典粒子濾波器方法相比實現(xiàn)了明顯更好的準(zhǔn)確性。另外，也有研究人員利用電路輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)估計回歸模型參數(shù)。其方法將元件性能退化的不確定性加入考慮范疇，引入隨機因子以概率分布的形式對模擬電路故障進(jìn)行了預(yù)測，研究對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了置信度計算。但是數(shù)據(jù)融合的方法需要大量能有效表征電子設(shè)備退化狀態(tài)的特征參數(shù)數(shù)據(jù)，這方面仍是困擾電子設(shè)備PHM 技術(shù)的難點，因此，該方法目前在預(yù)測電子設(shè)備故障時準(zhǔn)確性仍然較低，且具有一定的隨機性。

3.3.4 基于灰色預(yù)測理論的故障預(yù)測方法

灰色預(yù)測理論的主要觀點是結(jié)構(gòu)不完全明確、系統(tǒng)因素之間的關(guān)系不完全確定的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)[25-26]?；疑到y(tǒng)以“部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本”“貧信息”不確定系統(tǒng)為研究對象，采取補充信息、轉(zhuǎn)化灰色性質(zhì)為白色性質(zhì)的方法提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為的正確認(rèn)識。灰色預(yù)測模型以“小數(shù)據(jù)”不確定性系統(tǒng)為研究對象，這是其與回歸分析模型、自回歸移動平均模型及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等大樣本預(yù)測模型的一個重要區(qū)別。

灰色預(yù)測模型對數(shù)據(jù)量沒有嚴(yán)格的要求和限制，同時具有建模過程簡單等優(yōu)點。目前利用灰色預(yù)測理論對建筑、農(nóng)業(yè)、機械工程等領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測已經(jīng)取得了較好的效果。在“小樣本”的現(xiàn)實條件下，很適合采用對數(shù)據(jù)量具備較低要求的灰色預(yù)測模型和灰色預(yù)測理論。針對軍用飛機供配電系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)測研究，不需形成巨大試驗數(shù)據(jù)樣本，利用此方法可以大大縮短數(shù)據(jù)測試周期、提高研究速度。

3.4 預(yù)測性能評估方法

上一小節(jié)介紹了幾種故障預(yù)測方法，由于不同故障預(yù)測方法原理不同，故障預(yù)測方法的預(yù)測性能存在差異。為了篩選出預(yù)測性能最優(yōu)的故障預(yù)測方法，需要通過各種評估指標(biāo)，對多種故障預(yù)測方法的預(yù)測性能和預(yù)測效果進(jìn)行評估。

針對軍用飛機供配電系統(tǒng)故障預(yù)測方法進(jìn)行有效性、準(zhǔn)確性等性能評價是衡量預(yù)測算法的重要研究環(huán)節(jié)。目前，在PHM研究領(lǐng)域?qū)︻A(yù)測方法的評價體系主要包括可靠性、準(zhǔn)確性、安全性、測試性和維修性，評價指標(biāo)主要包括虛警率、漏報率、故障檢測延遲時間、Kappa 系數(shù)和故障預(yù)測距離等。

4 未來研究方向

（1） 建立故障預(yù)測和健康管理評價標(biāo)準(zhǔn)

目前針對軍用飛機供配電系統(tǒng)的研究主要集中在故障特征辨識和提取、故障預(yù)測算法上，在行業(yè)內(nèi)并沒有建立和形成一套公認(rèn)的故障預(yù)測和健康管理評價標(biāo)準(zhǔn)，使得不同研究者提出的方法和理論沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判與評價。當(dāng)務(wù)之急應(yīng)當(dāng)是建立一套統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)，并公開一組完整的供配電系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)用于對不同預(yù)測方法和理論進(jìn)行評價。這不僅能夠方便研究者對其所研究方法進(jìn)行自我完善和提升，也方便行業(yè)內(nèi)進(jìn)行技術(shù)評判和交流。

（2） 基于無歷史數(shù)據(jù)的故障預(yù)測和健康管理

現(xiàn)階段針對飛機供配電系統(tǒng)設(shè)備的真實歷史數(shù)據(jù)分散在不同研究機構(gòu)中，由于數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)價值難以衡量等，非內(nèi)部研究人員獲取真實歷史數(shù)據(jù)的難度較大，真實歷史數(shù)據(jù)存在的信息壁壘進(jìn)一步加大了PHM 技術(shù)發(fā)展的難度。針對這一問題，研究基于無歷史數(shù)據(jù)或弱基于歷史數(shù)據(jù)的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)成為另一方向的研究路徑。基于無歷史數(shù)據(jù)或弱基于歷史數(shù)據(jù)可以在設(shè)備使用前期，設(shè)備健康狀態(tài)較為良好的階段積累數(shù)據(jù)，結(jié)合自身采集的數(shù)據(jù)和虛擬模型對供配電系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)測和健康管理，能夠極大弱化對于真實歷史數(shù)據(jù)的依賴性。

（3） 考慮軍用飛機機載條件的故障預(yù)測和健康管理技術(shù)

由于軍用飛機機載環(huán)境與地面環(huán)境存在巨大差異，惡劣的機載環(huán)境、強烈的環(huán)境擾動和機載設(shè)備的特殊要求使得軍用飛機PHM研究具有其特殊性。若將地面設(shè)備PHM技術(shù)不加修改地機載化使用，輕則造成預(yù)測效果變差、評估結(jié)果失實，重則可能因為誤報和漏報而對軍用飛機飛行安全造成重大影響。因此，對軍用飛機供配電系統(tǒng)機載環(huán)境和特殊條件進(jìn)行有針對性的研究有利于提高軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM技術(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對軍用飛機供配電系統(tǒng)特征，從故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計、數(shù)據(jù)采集需求、機載使用需求三個方面對軍用飛機供配電系統(tǒng)故障診斷與健康管理技術(shù)進(jìn)行需求分析；對軍用飛機供配電系統(tǒng)PHM 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計；梳理了特征參量提取、故障預(yù)測方法等關(guān)鍵技術(shù)；最后對未來發(fā)展和研究方向提出了研究建議。