曹惠玲，周百政

（1.中國民航大學航空工程學院，天津 300300；2.交通運輸部北海第一救助飛行隊，山東 蓬萊 265600）

近年來隨著技術的不斷進步，以QAR（quick access recorder）為代表的飛行數(shù)據(jù)記錄設備不斷更新升級，數(shù)據(jù)采集數(shù)量與質(zhì)量都有很大提高，日益引起各航空運營商的高度重視，將其作為提升飛行品質(zhì)和維護排故的重要依據(jù)。自1997年中國民航以適航指令形式要求所有運輸類飛機加裝飛行數(shù)據(jù)記錄設備（主要為QAR）以來，國內(nèi)各航空公司均已建立了自己的QAR數(shù)據(jù)采集和譯碼系統(tǒng)。但與國外民航業(yè)的先進經(jīng)驗相比，仍面臨一個明顯問題：海量QAR數(shù)據(jù)得不到及時有效的監(jiān)控，無法利用其發(fā)現(xiàn)早期故障征兆，保證飛行安全。因此，運用計算機實現(xiàn)QAR數(shù)據(jù)的自動監(jiān)控勢在必行。航空發(fā)動機作為飛機的心臟，應該成為QAR數(shù)據(jù)監(jiān)控首先需要覆蓋的范圍，本文主要討論了與發(fā)動機相關的QAR數(shù)據(jù)監(jiān)控。

1 航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控算法

航空發(fā)動機數(shù)據(jù)監(jiān)控算法[1-2]的適用范圍一般有限，即特定的算法通常只適用于特定的健康管理功能模塊。但總體上，這些算法可以分為兩大類：數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法和基于模型的算法。有些算法綜合這二者的優(yōu)點，如混合算法。圖1形象地描述了算法在QAR數(shù)據(jù)監(jiān)控中的地位。其中：每列代表一個需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)模塊；每行代表該數(shù)據(jù)模塊監(jiān)控所需要達到的目的。算法在二者之間作為利用數(shù)據(jù)實現(xiàn)相應目標的途徑。完整的發(fā)動機QAR數(shù)據(jù)監(jiān)控，需要找到圖1中每個節(jié)點對應的有效算法，并將其加以實現(xiàn)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

由于航空發(fā)動機在不同飛行階段控制規(guī)律的差異，各飛行階段的監(jiān)控策略也各有不同。巡航相比其他階段而言，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且控制規(guī)律以及工程經(jīng)驗較易總結(jié)，因此先劃分出巡航階段的發(fā)動機QAR數(shù)據(jù)，然后對其監(jiān)控。本文數(shù)據(jù)來自PW4077D發(fā)動機。具體的巡航劃分標準參考了EHM軟件的相關方法以及PW4077D發(fā)動機的飛行特性。具體劃分條件如表1所示。

表1 巡航劃分條件Tab.1 Cruise status condition

接下來是監(jiān)控原則與體系的建立?；谝陨纤枷胍约昂娇展镜墓こ探?jīng)驗，得到以下3條監(jiān)控規(guī)則：雙發(fā)差異監(jiān)控，EHM方法數(shù)據(jù)監(jiān)控，數(shù)據(jù)極限監(jiān)控。這些監(jiān)控原則側(cè)重點各有不同，互有利弊。其中，雙發(fā)差異監(jiān)控與EHM方法數(shù)據(jù)監(jiān)控二者側(cè)重點不同，具有很強的互補性。前者側(cè)重單個航班巡航數(shù)據(jù)的跟蹤監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)巡航段發(fā)動機參數(shù)的異常波動，但對其他飛行階段的數(shù)據(jù)則完全沒有監(jiān)控功能。后者將EHM的數(shù)據(jù)處理思路應用于QAR數(shù)據(jù)，使不同航班的數(shù)據(jù)具有可比性。對比前后航班數(shù)據(jù)，可得出在相鄰巡航段間的其他飛行階段中是否發(fā)生過嚴重影響發(fā)動機性能的故障。但由于后者采取了平均化的比較方法，又對巡航過程中少量數(shù)據(jù)的異常波動不敏感，需要前者的補充。

數(shù)據(jù)極限監(jiān)控作為前面兩者的補充，也不可或缺。任何數(shù)據(jù)如果出現(xiàn)超出極限的情況，應該及時提醒工程師注意，防止事故發(fā)生。尤其這種極限既可以是手冊規(guī)定值，也可以由工程師自行設定，從而增加了監(jiān)控的靈活性。

根據(jù)前面的討論，這3項規(guī)則包括了“氣路”、“振動”、“滑油”數(shù)據(jù)的檢測功能，可以作為這3大數(shù)據(jù)模塊與“檢測”功能的節(jié)點算法的部分具體實現(xiàn)。

本文設計了一整套QAR數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖表分析以及數(shù)據(jù)監(jiān)控的功能，可以自動實現(xiàn)QAR數(shù)據(jù)的預處理、人工QAR數(shù)據(jù)分析以及本文提到的發(fā)動機巡航QAR數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。該系統(tǒng)開發(fā)平臺采用常見的Visual Basic 6.0+Access數(shù)據(jù)庫組合，以保證在當前大部分計算機系統(tǒng)中的通用性。圖2所示為整個QAR數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)示意圖。整個系統(tǒng)由3大模塊組成，監(jiān)控系統(tǒng)屬于其中之一，其所需數(shù)據(jù)均需要經(jīng)過前面數(shù)據(jù)預處理模塊的處理，才可以用于監(jiān)控[3]。

3 雙發(fā)差異監(jiān)控

雙發(fā)差異監(jiān)控原則[4]基于以下事實：

1）同一架飛機兩臺發(fā)動機，巡航狀態(tài)的外界條件、操作指令等大致相同，因此，如果性能完全相同的發(fā)動機，正常情況各項參數(shù)應該保持基本一致。

2）實際中兩臺發(fā)動機性能狀況一般不同，導致同樣工作條件下各項參數(shù)存在差異。

綜合這兩點，同一架飛機兩臺發(fā)動機的巡航參數(shù)一般都存在差異，但差異應該保持基本穩(wěn)定。從而，得到以下判斷原則：如果某項或者某幾項發(fā)動機參數(shù)的差異值出現(xiàn)較大波動，則可能出現(xiàn)了故障，需要提醒工程師注意。

本系統(tǒng)主要考慮了以下常見的發(fā)動機參數(shù)：EGT（exhaust gas temperature，排氣溫度），N1（低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速），N2（高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速），F(xiàn)F（fuel flow，燃油流量）。分別設定報警門限值：△EGT>10，△N1>0.5%，△N2>0.5%，△FF>1%，即雙發(fā)特定參數(shù)的差異變化如果超過了門限值，則產(chǎn)生報警信息。

圖3為根據(jù)以上監(jiān)控原則找到的問題數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對應機型為前面提到的PW4077D發(fā)動機。由圖3可知，該飛機右發(fā)的各個參數(shù)在巡航過程中都有一個明顯的階躍，分別為：ΔEGT=+50℃，ΔN1=-1.5%，ΔN2=+0.5%，ΔFF=+4.5%。一方面，對比該型發(fā)動機指印圖可以發(fā)現(xiàn)，“雙2.9級放氣活門開啟”故障所導致的參數(shù)變化方向與圖表顯示情況一致，分別為：ΔEGT=+84℃，ΔN1=-2.1，ΔN2=+1.7，ΔFF=+10%，且相應數(shù)據(jù)大致成比例，因此基本斷定為該故障。二者偏差主要由測試數(shù)據(jù)未經(jīng)過指印圖所要求的修正而造成。另一方面，該差異波動在很短的一段時間內(nèi)即消失，更佐證了這一判斷。因為隨著左發(fā)放氣活門開啟，兩發(fā)氣路條件趨向一致，從而參數(shù)偏差消失。綜合以上兩方面的考慮，該波動應為放氣活門控制不一致的問題。

4 EHM方法監(jiān)控

現(xiàn)實中的故障并非一定發(fā)生在巡航階段，而通常更易發(fā)生在啟動、起飛、爬升、下降、反推等一系列的過渡狀態(tài)工作過程中。和穩(wěn)定的巡航狀態(tài)相比，供油量、轉(zhuǎn)速、溫度大范圍變化的過渡階段更容易對發(fā)動機造成損害。如在這些階段發(fā)生了故障，專注于航班巡航階段差異的監(jiān)控方案是無能為力的。但工程經(jīng)驗也表明，非巡航階段出現(xiàn)的故障一般會在巡航的數(shù)據(jù)中有所反映，即前后兩次航班的巡航數(shù)據(jù)發(fā)生了變化。這樣就為監(jiān)控提供了思路：記錄QAR數(shù)據(jù)中巡航狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)，對比前后航班數(shù)據(jù)變化，給出監(jiān)控信息。

同一架飛機不同航班，由于飛行條件等一些外界因素千差萬別，導致相互之間的參數(shù)缺乏可比性。針對這一問題，EHM、COMPASS、SAGE等系列軟件給出了很好的解決方案，這里將這類處理辦法統(tǒng)稱為EHM方法[5-6]。

表2 EHM方法數(shù)據(jù)篩選要求Tab.2 EHM demand for data selection

首先，經(jīng)過比廣義的巡航數(shù)據(jù)更為嚴格的數(shù)據(jù)篩選，確定具有代表性的巡航數(shù)據(jù)，以保證前后航班數(shù)據(jù)的可比性。

其次，根據(jù)相似理論并參考EHM的方法將數(shù)據(jù)統(tǒng)一修正至標準大氣狀態(tài)（1 atm=14.69 psi，15℃）。具體的修正公式為

式中：x值隨發(fā)動機不同而有差異，這里取理論值0.5。

最后，需要將參數(shù)修正至相同的功率條件下。根據(jù)EHM方法，利用SPSS對大量的數(shù)據(jù)進行回歸，得到當前所有 PW4077D 發(fā)動機的 N1、N2、EGT、FF 隨EPR變化的線性模型?？偨Y(jié)這些模型后發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)動機由于性能衰退情況不同，在截距上會有所不同，但斜率都大致類似。將各臺發(fā)動機的模型斜率進行加權(quán)平均，最后得到了該型發(fā)動機功率修正公式

經(jīng)過以上處理，不同航班間的數(shù)據(jù)具有了可比性。考慮到數(shù)據(jù)可能存在的測量問題，在所有滿足條件的數(shù)據(jù)中均勻地取20個點，取加權(quán)平均值。通過對比前后航班的數(shù)據(jù)平均值的變化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。其他相關數(shù)據(jù)，如滑油參數(shù)、振動參數(shù)等，由于缺少相應的數(shù)據(jù)處理方法，暫時采取直接找對應點實際數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均的方法，最后再對比得到監(jiān)控結(jié)果。如果前后兩個航班，某臺發(fā)動機某項數(shù)據(jù)出現(xiàn)均值差異過大的情況，則計算機自動報警，并給出監(jiān)控報告。圖4所示為通過這種方式監(jiān)控到的前后兩航班巡航N2振動值變化情況，其中左發(fā)振動值在第2個航班有了明顯提升，且波動幅度非常大（0～1.3）。雖然數(shù)值并未超過手冊規(guī)定值4.0，但實際經(jīng)驗表明，高壓轉(zhuǎn)子此類振動值突變通常是故障征兆。工程師下達孔探指令，檢查后發(fā)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子渦輪葉片斷裂，一定程度上證明了該項監(jiān)控的有效性。

5 極限監(jiān)控

AMM（aircraft maintenance manual）手冊中規(guī)定，任何發(fā)動機參數(shù)都不可以超過手冊允許的極限值。因此，在系統(tǒng)中嵌入數(shù)據(jù)極限監(jiān)控[7]，如果參數(shù)超過手冊規(guī)定極限，則計算機自動生成報警信息。圖5為PW4077D發(fā)動機EGT極限值與實際數(shù)據(jù)示意圖，上方直線為巡航段EGT極限值。手冊規(guī)定，該發(fā)動機最大連續(xù)的工作溫度極限為650℃（如表3所示），則巡航中實際如果出現(xiàn)溫度超過該值的情況，計算機自動報警。更進一步，工程師還可以根據(jù)自身經(jīng)驗自行設定報警值，提高報警靈敏度，更好地協(xié)助工程師對機隊進行監(jiān)控。

表3 PW4077D發(fā)動機EGT極限（AMM規(guī)定值）Tab.3 EGT limitation for PW4077D（demanded by AMM）

6 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)工程經(jīng)驗總結(jié)出的以上3項監(jiān)控原則各有利弊，具有很強的互補性，因此3者在地位上不存在先后關系，任意一種監(jiān)控規(guī)則發(fā)現(xiàn)了異常，計算機都會給出報警信息。通過對PW4077D發(fā)動機實際QAR數(shù)據(jù)的監(jiān)控測試，證明以上3條監(jiān)控規(guī)則可以在一定程度上對巡航階段發(fā)動機QAR數(shù)據(jù)實現(xiàn)監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)可能存在的故障問題，如活門問題和N2轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障，及時給出監(jiān)控報告，從而更加充分地利用QAR數(shù)據(jù)資源為發(fā)動機的安全使用服務。

未來，隨著對QAR數(shù)據(jù)研究的深入，可以建立更加精細的巡航監(jiān)控原則，也可以分析過渡態(tài)控制規(guī)律，運用人工智能的方法對過渡狀態(tài)數(shù)據(jù)（啟動、起飛、爬升、下降、反推）進行監(jiān)控，實現(xiàn)對QAR數(shù)據(jù)更加有效的利用，提高民航飛行的安全性和可靠性，降低維護成本，幫助航空公司獲取更好的效益。

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