上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院　余　匯

基于OSA-CBM的飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院余匯

本文以飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控為研究對(duì)象，分析了當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)控的應(yīng)用背景。面對(duì)飛機(jī)/系統(tǒng)的故障診斷和健康評(píng)估問(wèn)題的復(fù)雜性，采用深度學(xué)習(xí)方法對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行特征表達(dá)，完成狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)向知識(shí)的轉(zhuǎn)化。在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障診斷和精確的健康評(píng)估的同時(shí)，也為OSA-CBM體系提供了基于知識(shí)和專家系統(tǒng)的決策支持。結(jié)合OSA-CBM體系的特征，制定了系統(tǒng)實(shí)施構(gòu)架，并對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了分析，為OSA-CBM在民用飛機(jī)上的應(yīng)用提供了實(shí)施思路。

OSA-CBM；狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)測(cè)；機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)

1　引言

隨著民用飛機(jī)向復(fù)雜化集成化的方向不斷地發(fā)展，飛機(jī)/系統(tǒng)的故障現(xiàn)象也趨于復(fù)雜，但與此同時(shí)，隨著新技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用，飛機(jī)/系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)也產(chǎn)生了新的發(fā)展空間，傳統(tǒng)的電子設(shè)備故障診斷技術(shù)開(kāi)始逐步向故障預(yù)測(cè)與健康監(jiān)控的方向發(fā)展。20世紀(jì)90年代初期，NASA 研究機(jī)構(gòu)提出了“飛行器健康監(jiān)控（VHM）”概念，通過(guò)適當(dāng)選擇和使用傳感器和軟件來(lái)監(jiān)測(cè)空間飛行目標(biāo)的“健康”［1］。20世紀(jì)90年代末，美國(guó)研發(fā)的JSF項(xiàng)目為故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)誕生帶來(lái)了契機(jī)，故障預(yù)測(cè)與健康管理是JSF項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)承受性、保障性和生存性目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵所在［2］。

近年來(lái)已提出了基于“狀態(tài)維修體制”，在美國(guó)由波音公司牽頭，來(lái)自工業(yè)部門、科研院所等10多個(gè)組織機(jī)構(gòu)制定了視情維修的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)，用于指導(dǎo)實(shí)際工作應(yīng)用于機(jī)械和電子等領(lǐng)域［3］。這種維修體制是以飛機(jī)的健康參數(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)預(yù)測(cè)到即將發(fā)生故障時(shí)，就立即進(jìn)行檢修，這就能夠確保系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生大的故障，同時(shí)還克服了維修過(guò)剩的缺點(diǎn)。

2　OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)

OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)是以ISO13374［1，5，6］為基礎(chǔ)用于規(guī)范基于狀態(tài)的維修系統(tǒng)（CBM系統(tǒng)）設(shè)計(jì)，以及各CBM系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。使用該標(biāo)準(zhǔn)可以有效的節(jié)省開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)費(fèi)用，提高系統(tǒng)的協(xié)作能力，增強(qiáng)產(chǎn)品及企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。標(biāo)準(zhǔn)的OSA-CBM分為六層，各層之間相互獨(dú)立，通過(guò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3　狀態(tài)監(jiān)測(cè)

3.1面向民用飛機(jī)健康管理的狀態(tài)監(jiān)測(cè)層

狀態(tài)監(jiān)測(cè)層（SD）處理數(shù)據(jù)獲取層（DA）以及數(shù)據(jù)處理層（DM）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。民用飛機(jī)包含了大量的，功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，從這些系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)必然是同樣大量，并且數(shù)據(jù)類型的組成復(fù)雜。面向民用飛機(jī)健康管理的狀態(tài)監(jiān)測(cè)層需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后分析數(shù)據(jù)特征指標(biāo)，通過(guò)對(duì)特征指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

民用飛機(jī)健康狀態(tài)的變化主要是由于飛機(jī)/系統(tǒng)的故障狀態(tài)引起。造成系統(tǒng)故障狀態(tài)的可能因素包括人為失誤、材料缺陷、制造誤差、使用環(huán)境波動(dòng)等固有成因，以及器件疲勞、磨損和老化等演化規(guī)律。不用的誘因引發(fā)的故障狀態(tài)可能相同，也可能不同；并且實(shí)際的故障狀態(tài)也存在由單一因素誘發(fā)或多種因素并發(fā)的可能。這給對(duì)民用飛機(jī)系統(tǒng)故障狀態(tài)的成因分析和準(zhǔn)確診斷提出了很大的挑戰(zhàn)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)層需要完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的信息綜合，因此必須從故障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確地提取出故障的特征，完成對(duì)系統(tǒng)故障的精確分析和準(zhǔn)確定位。

3.2狀態(tài)監(jiān)測(cè)層（SD）實(shí)施構(gòu)架

OSA-CBM體系中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)層（SD）在“狀態(tài)維修體制”中處于核心地位。狀態(tài)監(jiān)測(cè)層接受機(jī)載系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)層到專家知識(shí)層的進(jìn)一步分析和綜合，如圖1所示。

圖1　狀態(tài)監(jiān)測(cè)層（SD）實(shí)施構(gòu)架

飛機(jī)機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地采集與飛機(jī)健康狀態(tài)有關(guān)的狀態(tài)信息，如結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)力、震動(dòng)信號(hào)，電子系統(tǒng)的電壓、電流信號(hào)、燃油系統(tǒng)的溫度信號(hào)等，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理層（DM）的預(yù)處理（如粗大誤差過(guò)濾、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)的時(shí)頻域轉(zhuǎn)換等），被輸入狀態(tài)監(jiān)測(cè)層（SD）進(jìn)行特征提取。飛機(jī)是否處于健康狀態(tài)，是由多個(gè)系統(tǒng)的健康狀態(tài)共同決定，狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要完成飛機(jī)的狀態(tài)信息由數(shù)據(jù)域到飛機(jī)故障診斷知識(shí)域的轉(zhuǎn)變。從采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)中分析、診斷出飛機(jī)/系統(tǒng)的故障狀況，并與正常狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，完成對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估。

由于飛機(jī)的故障狀態(tài)以及健康狀態(tài)均為基于知識(shí)的評(píng)價(jià)，因此，對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就必須完成被監(jiān)測(cè)的狀態(tài)信息由數(shù)據(jù)到知識(shí)的轉(zhuǎn)換。深度學(xué)習(xí)方法具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)特征表達(dá)能力，通過(guò)構(gòu)建深度的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到輸入狀態(tài)數(shù)據(jù)到輸出狀態(tài)模式的目的。經(jīng)過(guò)這種轉(zhuǎn)化，機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)就可以被用來(lái)對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行判定，實(shí)現(xiàn)基于“狀態(tài)維修體制”（CBM）的決策。

［1］張秋菊，張冬梅.電子系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2012，27（1）：19-24.

［2］孫博，康銳，謝勁松.故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀綜述［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2007，29（10）：1762-1767.

［3］趙寧社，翟正軍，王國(guó)慶.新一代航空電子綜合化及預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)［J］.測(cè)控技術(shù)，2010，30（）：1-5，9.