基于PHM的航空發(fā)動機綜合監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫的研究和實現(xiàn)

關鍵詞：綜合監(jiān)控；飛參數(shù)據(jù)；PHM

0 引言

隨著目前某型航空發(fā)動機的投入使用，針對其運行情況，特別是利用參數(shù)的監(jiān)控進行發(fā)動機狀態(tài)有效的監(jiān)控和管理的需求尤為迫切。綜合分析發(fā)動機外場使用的意見和實際情況，提出利用PHM（預測和健康管理）技術通過對發(fā)動機收集影響其性能、使用壽命健康等監(jiān)控參數(shù)及故障診斷數(shù)據(jù)，建立航空發(fā)動機綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，并利用數(shù)據(jù)庫對發(fā)動機外場使用和部署情況進行狀態(tài)監(jiān)控和有效管理。

1 PHM 相關技術

PHM是Prognostic and Health Management的縮寫，即故障預測與健康管理，是結合利用現(xiàn)代IT技術、AI 技術的相關理念和成果而提出的一種嶄新的管理發(fā)動機運行健康狀態(tài)的解決方案。PHM在信息系統(tǒng)中的應用使得系統(tǒng)能快捷、準確地確認當前需診斷設備的運行狀態(tài)以及在未來一段時間內(nèi)發(fā)生故障的可能性，并對使用和維修活動做出輔助決策并提供相關建議[1]。

PHM的核心思想就是對設備進行參數(shù)化建模工作，針對發(fā)動機來說建模就是通過對設備的各構成要素進行分析和歸納，建立一個完整全面的能夠收集、處理以及分析數(shù)據(jù)，并且能夠給出發(fā)動機運行健康狀態(tài)和剩余使用壽命的系統(tǒng)模型。主要的數(shù)據(jù)來源是由提取的發(fā)動機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)包括但不限于與其健康狀態(tài)相關的參數(shù)等，利用數(shù)據(jù)得到特征參數(shù)與系統(tǒng)健康狀態(tài)之間的相關模型，完成航空發(fā)動機的健康狀態(tài)預報和剩余壽命的預測。綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)庫使用的PHM系統(tǒng)主要是指由狀態(tài)檢測、健康評估和預測模塊所組成的部分。

2 綜合監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計

綜合監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫由以下QShF/ahm2GcMJ71714bf9A==部分組成：數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)管理瀏覽、建立模型、故障檢測、壽命管理、滑油光譜數(shù)據(jù)監(jiān)控和性能衰減分析。系統(tǒng)主要流程圖如圖1所示。

3 功能模塊設計

3.1 數(shù)據(jù)錄入

數(shù)據(jù)錄入模塊是整個綜合監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫的基礎，系統(tǒng)中使用的航空發(fā)動機飛行參數(shù)數(shù)據(jù)都是通過此模塊把相關信息錄入并保存到數(shù)據(jù)庫中，此模塊填寫的信息對于之后飛參數(shù)據(jù)的查詢和瀏覽等操作是至關重要。單獨的飛參數(shù)據(jù)文件由于很多限制因素無法提供足夠的信息，以至于后期很難對飛參數(shù)據(jù)做到規(guī)范和有效的管理、監(jiān)控甚至對某些參數(shù)進行分析；對于有些需要填寫的額外信息需要提供解決方案來做到快速和正確地輸入；飛參數(shù)據(jù)的格式不止一種，需要保持系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)的兼容性和一致性。數(shù)據(jù)錄入模塊設計通過以下方式解決了數(shù)據(jù)錄入出現(xiàn)的如上問題。

在此模塊的設計中盡量使用戶輸入的信息量最小化，如果某些信息在飛參數(shù)據(jù)中存在，那么在錄入信息的過程中系統(tǒng)自動地對所包含的這些信息進行解析并保存。這個操作十分必要，減少用戶輸入信息的數(shù)量也就客觀上避免了輸入信息錯誤的可能性；對于需要輸入的信息系統(tǒng)對大部分提供了下拉列表的形式或單選按鈕的形式，而且對于某些特殊錄入信息在保存時提供了數(shù)據(jù)格式的驗證以保存數(shù)據(jù)的正確輸入；系統(tǒng)提供了對多種飛參數(shù)據(jù)的支持并且統(tǒng)一在保存數(shù)據(jù)的過程中對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的格式轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)錄入的信息不僅要為數(shù)據(jù)進行分類，還要對錄入數(shù)據(jù)進行唯一性的標識，這樣對正常數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)就做到了可追溯性以便后期進行針對性的分析和診斷。飛參數(shù)據(jù)的錄入時可以和發(fā)動機的履歷信息和發(fā)動機周轉(zhuǎn)信息進行聯(lián)動，雙向鏈式查詢保證錄入數(shù)據(jù)的完整性和正確性。

3.2 數(shù)據(jù)瀏覽管理

數(shù)據(jù)瀏覽管理模塊對存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行瀏覽和管理等操作，模塊由界面左側(cè)的數(shù)據(jù)分類結構樹和右側(cè)的相關信息顯示/修改模塊組成。左側(cè)的樹節(jié)點和數(shù)據(jù)錄入的信息相關聯(lián)和對應，數(shù)據(jù)的結構和分類保證的樹節(jié)點的唯一性和確定性。在每個樹節(jié)點上右鍵單擊或雙擊可以針對相應的數(shù)據(jù)文件進行多種操作或顯示信息。

數(shù)據(jù)瀏覽管理模塊可以對保存到數(shù)據(jù)庫的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)進行如下操作。

1） 數(shù)據(jù)基本信息顯示：這里面包括在數(shù)據(jù)錄入模塊輸入和解析出的數(shù)據(jù)項。

2） 數(shù)據(jù)瀏覽：能夠打開一個新窗口顯示此數(shù)據(jù)內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)信息。

3） 數(shù)據(jù)修改：對與飛參數(shù)據(jù)相關聯(lián)的錄入和解析的數(shù)據(jù)項完成修改。

4） 數(shù)據(jù)刪除：可以根據(jù)樹節(jié)點查找出數(shù)據(jù)庫中實際的飛參數(shù)據(jù)文件并刪除。

5） 數(shù)據(jù)回放：可以在完成對存在飛參數(shù)據(jù)的某參數(shù)完成參數(shù)值的曲線繪制，可以選取飛參數(shù)據(jù)保存的任一參數(shù)，并可在界面繪制多條曲線完成相關參數(shù)的對比功能實現(xiàn)。

6） 數(shù)據(jù)導出：查找樹節(jié)點在數(shù)據(jù)庫對應的飛參數(shù)據(jù)文件并進行導出保存到本地。

3.3 建立模型

建立模型模塊可以對PHM軟件建立的故障診斷模型進行導入。在PHM軟件中開展了分類、回歸、時序分析、關聯(lián)等數(shù)據(jù)挖掘方法研究，采用部分無故障飛參數(shù)據(jù)開展發(fā)動機基準模型的建立。目前診斷的模型的建立是在SureSense PHM軟件中完成的，但在建立模型模塊可以對建立模型包含的信息解析并進行讀取。

故障診斷模型建立的前提先進行數(shù)據(jù)的預處理（針對航空發(fā)動機來說這里選取的是發(fā)動機的飛參數(shù)據(jù)），飛參數(shù)據(jù)的參數(shù)輸入為傳感器的參數(shù)，根據(jù)設定的自定義相應算法準則，將不符合要求的數(shù)據(jù)過濾掉，剩余的正常數(shù)據(jù)用來建立模型，這樣能最大限度保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性。主要的過濾算法包括靜態(tài)過濾算法和動態(tài)過濾算法。靜態(tài)過濾算法包含針對數(shù)值的取值范圍、噪聲臟數(shù)據(jù)、數(shù)值偏差；動態(tài)過濾算法包括閾值、取值范圍、噪聲臟數(shù)據(jù)、偏差和均方根等。故障診斷模型創(chuàng)建的過程主要是獲取模型數(shù)據(jù)、選擇（訓練數(shù)據(jù)）、校準（系統(tǒng)模型）和創(chuàng)建（在線模型）[2]。

3.4 故障診斷

故障診斷模塊完成對存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部的飛參數(shù)據(jù)文件進行故障診斷工作并生成故障診斷報告。故障診斷的流程主要是獲取數(shù)據(jù)、預計（期望值）、檢測（運行數(shù)據(jù)和期望值的偏差）、診斷（確定偏差的特征）、報警（故障被檢測到）和糾正（采取必要的措施）。

獲取數(shù)據(jù)階段在數(shù)據(jù)錄入模塊已經(jīng)完成，模塊提供了詳盡的查詢條件可以對數(shù)據(jù)庫保存的數(shù)據(jù)進行檢索，在檢索的結果集還可以進行二次篩選確定將要診斷的飛參數(shù)據(jù)。

預計階段在系統(tǒng)的模型建立模塊進行了實現(xiàn)，通過建立一個或多個描述系統(tǒng)正常運行行為的預計診斷模型。對系統(tǒng)每個新的載入飛參數(shù)據(jù)，都應用預計模型用來評估被測數(shù)據(jù)參數(shù)的期望值。可提供的預計算法模型：自回歸、專家狀態(tài)估計引擎、奇偶空間、指數(shù)加權移動平均和關系式。這個階段其實也是不斷地優(yōu)化模型本身的過程，以便為后期模型的使用提供監(jiān)控診斷的精確度和準確性。

檢測階段將測量值和對應的預期值進行比較，利用經(jīng)過校準的故障檢測模型來判斷參數(shù)是否偏離，若偏離同時確定偏離的特征可提供的檢測算法模型：自適應順序概率平均、自適應順序概率方差、高斯平均、高斯方差、閾值、范圍、噪聲和偏差[3]。

診斷階段進行關聯(lián)。診斷由針對系統(tǒng)的已知故障模型的決策模型來執(zhí)行可提供的診斷算法模型，這里主要是貝葉斯網(wǎng)絡和不明條件。

最后系統(tǒng)完成所選數(shù)據(jù)的故障診斷分析并生成報告，在報告中提供檢測到故障的詳細信息，包括故障診斷結果、剩余壽命預測和針對故障所應采取的必要措施。

3.5 數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)回放模塊可以對數(shù)據(jù)庫中存儲的飛參數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)回放，也可以讀取本機的飛參數(shù)據(jù)進行回放，由于飛參數(shù)據(jù)中參數(shù)的數(shù)量較多，在數(shù)據(jù)回放模塊中可以利用進行參數(shù)的模板化配置，畫圖的時候可以按需在界面左側(cè)勾選常用參數(shù)，并選擇參數(shù)的顯示頻率（一秒顯示幾個參數(shù)點），光標移動到曲線時顯示曲線對應的參數(shù)及數(shù)值，可對曲線進行縮放操作，參數(shù)曲線的顏色、粗細和線形都可以通過界面進行快捷更改。在曲線繪制完成后也可按參數(shù)對多條參數(shù)曲線進行隱藏，繪制的曲線圖片和數(shù)據(jù)也可進行導出保存到本機。

3.6 其他模塊

壽命管理模塊實現(xiàn)發(fā)動機低循環(huán)計數(shù)和大狀態(tài)統(tǒng)計，并可以進行數(shù)據(jù)的導出操作。

滑油光譜數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊具備滑油光譜數(shù)據(jù)的基礎操作（增刪改查和導入導出），圖像（元素濃度趨勢、元素濃度變化率趨勢、滑油消耗量圖）繪制功能，并根據(jù)預設值繪制圖像警戒線，實現(xiàn)滑油光譜數(shù)據(jù)監(jiān)控管理。

性能衰減分析模塊對單臺發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行計算分析，進行發(fā)動機的性能衰減研究，分別對節(jié)流狀態(tài)、中間及以上狀態(tài)參數(shù)和起飛狀態(tài)的排氣溫度進行性能衰減分析。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

航空發(fā)動機綜合監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫基于PHM軟件建模分析并按照C/S架構進行設計。整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Java SWT技術開發(fā)，后臺數(shù)據(jù)庫采用的是Oracle 數(shù)據(jù)庫和SQLite數(shù)據(jù)相結合的方式。由于考慮到實際軟件的使用場景，采用基于B/S架構設計在某些特殊的限制很難進行實現(xiàn)和部署，又因為此軟件的安裝終端的數(shù)量不會很多，基于此原因選擇了使用C/S的架構。

系統(tǒng)界面部分采用了SWT界面開發(fā)技術，這種利用Java語言構建的客戶端開發(fā)技術由于其可視化頁面拖拽功能可以幫助開發(fā)人員方便地完成系統(tǒng)界面的快捷高效搭建，使程序設計人員把關注點集中在業(yè)務的實現(xiàn)上，而不是煩瑣地設計頁面元素。另一層原因則是系統(tǒng)需要使用調(diào)用集成的PHM建模軟件的二次開發(fā)接口，而這個接口則是以jar包的形式提供的API，所以利用SWT這種利用Java語言構建的技術也可以更加方便地完成程序的調(diào)用和集成。

中間件部分利用Apache Tomcat部署相應的數(shù)據(jù)操作服務接口，使得客戶端應用和數(shù)據(jù)庫服務器的充分解耦。而在需要和SQLite數(shù)據(jù)交互的時候，則是在客戶端中直接利用 SQLite JDBC API進行數(shù)據(jù)庫的本機直接訪問和操作，這種方式只是部署在不能聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，客戶端和數(shù)據(jù)庫耦合度較高，但是其相比較于利用中間件的分布式訪問數(shù)據(jù)庫的方式性能較高，部署便捷。

數(shù)據(jù)庫部分針對某些不能聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境也采用了SQLite數(shù)據(jù)庫的單機環(huán)境版本以做到使用場景的全覆蓋。正常使用的場景連接Oracle數(shù)據(jù)庫服務器實現(xiàn)的數(shù)據(jù)的存儲和查詢功能等。系統(tǒng)主界面如圖2所示。故障檢測界面如圖3所示。

5 結束語

綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)庫主要通過收集影響發(fā)動機性能的監(jiān)控參數(shù)、滑油光譜分析數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)，建立相應的故障診斷模型，以實現(xiàn)對發(fā)動機外場使用狀態(tài)進行有效監(jiān)控；收集整機數(shù)據(jù)進行雨流統(tǒng)計、提取載荷數(shù)據(jù)，建立載荷數(shù)據(jù)庫，為壽命分析提供依據(jù)，根據(jù)零部件的使用時間和使用壽命要求對發(fā)動機進行壽命管理。建立航空發(fā)動機綜合監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫可以將大量的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)集中有效地進行管理，從而實現(xiàn)對飛參數(shù)據(jù)的快速查詢和有效的診斷分析。為提高外場發(fā)動機故障處理效率、預防重大故障發(fā)生、確保發(fā)動機使用安全起到了其應有的作用。