謝原安

【摘 要】本文對預(yù)測與健康管理技術(shù)在民用飛機運營安全、維修領(lǐng)域的發(fā)展與重要作用進行了說明，同時對預(yù)測與健康管理技術(shù)在民用飛機研究中的關(guān)鍵技術(shù)—狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集、特征參數(shù)、剩余有效壽命預(yù)測等技術(shù)的研究進行的了說明。

【關(guān)鍵詞】預(yù)測與健康管理；剩余有效壽命；特征參數(shù)

0 概述

民用飛機的安全性設(shè)計是決定飛機型號生命的至關(guān)因素，而民用飛機的維修性設(shè)計是決定飛機經(jīng)濟性與市場成功的重要考量，安全性設(shè)計直接決定了民用飛機型號的生死，維修性設(shè)計決定了民用飛機型號設(shè)計市場的成功與否，歷來為各航空制造商和運營商所重視。飛機作為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中最為復(fù)雜、技術(shù)最為綜合、科技含量最高的產(chǎn)品之一，飛機內(nèi)部系統(tǒng)繁雜，零部件數(shù)量龐大。這也決定了民用飛機的故障模式難以預(yù)測，對于飛機而言，排查故障、準確定位、快速隔離、簡化維修、及時保障、降低資源損耗，提高飛行安全，這對飛機設(shè)計提出了更高的設(shè)計要求。

為了應(yīng)對層出不窮的飛行安全問題，航空運營企業(yè)、飛機制造商、航空研究機構(gòu)不斷地探索各種安全與維護的新課題，力圖通過對民用飛機飛行過程中各系統(tǒng)、設(shè)備、零部件的實時狀態(tài)進行監(jiān)控，對采集的狀態(tài)信息進行實時分析處理，及時地發(fā)現(xiàn)異常、診斷并隔離故障，對飛機系統(tǒng)健康趨勢和可能發(fā)生的故障進行預(yù)測，提前進行維修決策和保障資源的配置，合理的提前安排維修計劃、有效地減少保障資源的浪費、有針對性地進行維護活動，阻止事故的發(fā)生，提高飛機的綜合安全性和維修性。

1 預(yù)測與健康管理技術(shù)

預(yù)測與健康管理技術(shù)（Prognostics & Health Management，簡稱PHM）就是各種綜合測試技術(shù)、維護技術(shù)、航電綜合技術(shù)、后勤保障技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等在長期發(fā)展融合演進中形成的。它利用遍布全機的各類傳感裝置，實時采集飛機上各系統(tǒng)的狀態(tài)信息，監(jiān)測并診斷已發(fā)生的故障和損傷，預(yù)測各系統(tǒng)剩余壽命，與地面控制中心進行實時的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，根據(jù)故障診斷和預(yù)測結(jié)果，采取合適的減緩措施和維護策略，提前合理安排維護計劃、提前調(diào)配保障設(shè)施資源，避免事故發(fā)生，降低維護成本。該技術(shù)是提高飛機飛行簽派率、提高飛機可靠性、保證飛機運營安全的關(guān)鍵技術(shù)，也是實現(xiàn)民用飛機視情維護（Condition Based Maintenance，簡稱CBM），降低運營成本的關(guān)鍵技術(shù)，對于飛機特別是民機的運營支持和產(chǎn)品支援具有重要意義。

2 狀態(tài)監(jiān)控

PHM涉及到對飛機系統(tǒng)的綜合健康監(jiān)控，飛機綜合健康監(jiān)控需要監(jiān)測的對象較多，涉及機械、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備等多種對象，涉及傳感器種類不同，故障診斷監(jiān)測原理不同，預(yù)測方法不同，系統(tǒng)實現(xiàn)非常復(fù)雜。為此在全機綜合健康管理系統(tǒng)硬件集成方面，首先需要針對不同監(jiān)測參數(shù)的傳感器進行選擇、評價與布置研究；然后對多個同質(zhì)和不同質(zhì)的傳感器的信息進行處理、特征提取，以此來完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，從而為下一階段的故障診斷與預(yù)測打下基礎(chǔ)。

建立機載系統(tǒng)特征參數(shù)庫，研究飛機系統(tǒng)設(shè)備的故障失效、性能退化與狀態(tài)參數(shù)變化之間的關(guān)系，研究關(guān)鍵典型系統(tǒng)部件的特征參數(shù)譜，分析主要特征參數(shù)與系統(tǒng)故障的表征關(guān)系。

研究不同特征參數(shù)在系統(tǒng)工作狀態(tài)及失效狀態(tài)所表現(xiàn)出的變化趨勢，結(jié)合系統(tǒng)自身故障失效機理分析不同特征參數(shù)在量化和趨勢上與系統(tǒng)故障之間的映射關(guān)系。不同的特征參數(shù)在診斷和預(yù)測故障時的表現(xiàn)特征，從而可以利用其對應(yīng)的特征參數(shù)變化曲線實現(xiàn)系統(tǒng)健康狀態(tài)的預(yù)測。

3 特征參數(shù)

在飛機的預(yù)測與健康管理技術(shù)中利用對狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)控及時的判定飛機系統(tǒng)的健康狀態(tài)和故障信息，通過對特征參數(shù)的信息收集和數(shù)據(jù)分析，來預(yù)測系統(tǒng)的健康趨勢和剩余有效壽命。系統(tǒng)的測試性分析可以提供功能流相關(guān)性模型，建立系統(tǒng)功能、失效機理和系統(tǒng)傳感器布局模型，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控的仿真模型。通過系統(tǒng)的功能流相關(guān)性模型可以分析得到系統(tǒng)失效過程模型，以及功能流傳播表即系統(tǒng)狀態(tài)與特征參數(shù)的相關(guān)性矩陣，基于系統(tǒng)失效模型和相關(guān)性矩陣選出系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集，研究系統(tǒng)失效過程中，單個特征參數(shù)的跟隨趨勢，或者多個特征參數(shù)的響應(yīng)狀態(tài)，建立與系統(tǒng)狀態(tài)變化相一致的特征參數(shù)譜。

利用對飛機關(guān)鍵系統(tǒng)部件健康狀態(tài)特征參數(shù)監(jiān)控分析，獲取關(guān)鍵系統(tǒng)部件實時的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)狀態(tài)參數(shù)選擇和優(yōu)化方法的研究，來選取出關(guān)鍵系統(tǒng)部件中的特征參數(shù)用于監(jiān)控并預(yù)測系統(tǒng)健康趨勢，通過收集的數(shù)據(jù)信息繪制關(guān)鍵系統(tǒng)部件的特征參數(shù)譜，特征參數(shù)譜用于故障診斷、故障預(yù)測模型的研究和分析，是建立故障預(yù)測模型的輸入和分析的重要依據(jù)，建立與健康狀態(tài)相對應(yīng)的特征參數(shù)譜，搭建關(guān)鍵機載系統(tǒng)部件狀態(tài)監(jiān)控與健康管理模塊，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理等模塊，實現(xiàn)該部件狀態(tài)的實時監(jiān)控與趨勢預(yù)測。

4 機載健康管理平臺

飛機狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)眾多，不同的參數(shù)反應(yīng)了飛機各系統(tǒng)在運營過程中表現(xiàn)出的不同特性和狀態(tài)。系統(tǒng)失效過程中，不同狀態(tài)參數(shù)的變化形式和幅度不同，合理選取適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)，既準確又能經(jīng)濟、及時、高效的進行故障診斷、預(yù)測。機載健康管理系統(tǒng)研究的難點，通過建模、分析、計算、對比、綜合分析等手段，才能給出系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)優(yōu)化方法。

建立系統(tǒng)功能失效與測試的相關(guān)性矩陣模型。在系統(tǒng)功能流模型中，系統(tǒng)的功能失效等價于系統(tǒng)特征參數(shù)的非正常變化，因此可得到系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)與測試的相關(guān)性模型。在該模型中添加系統(tǒng)正常狀態(tài)則可得到系統(tǒng)的所有狀態(tài)，并可給出系統(tǒng)所有狀態(tài)與測試的關(guān)聯(lián)模型，基于該關(guān)聯(lián)模型，通過數(shù)學(xué)建模的方式，綜合測試的檢測信息量、隔離信息量和診斷信息量，以及對測試點和監(jiān)測點傳感器的可靠性、成本、監(jiān)控檢測費用、傳感器數(shù)量和重量等因素的考量，建立各個測試點對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控的權(quán)值，通過比較測試權(quán)值篩選出最優(yōu)的測試集，即可得到優(yōu)化后的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集。最優(yōu)的狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集對應(yīng)了機載健康管理系統(tǒng)中對應(yīng)的監(jiān)控位置和傳感器布置情況。

通過系統(tǒng)功能流模型中加入測試與監(jiān)控信號，建立系統(tǒng)失效狀態(tài)與測試的相關(guān)性模型，基于該模型，創(chuàng)造性地利用數(shù)學(xué)建模的方式，將影響系統(tǒng)特征參數(shù)測試的各個因素建立到模型中并計算出各個測試集的狀態(tài)監(jiān)控權(quán)值，利用權(quán)值能快速地給出可以覆蓋系統(tǒng)所有狀態(tài)監(jiān)控的測試集，即特征參數(shù)集。

機載系統(tǒng)失效過程導(dǎo)致特征參數(shù)譜的變化和參數(shù)譜表現(xiàn)出的異常通常反應(yīng)了系統(tǒng)的狀態(tài)，也可通過對狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的分析用于預(yù)測系統(tǒng)故障的先兆。特征參數(shù)譜與系統(tǒng)的功能原理和故障失效機理存在著特定的映射關(guān)系，正確的描述特征參數(shù)譜不僅需要分析系統(tǒng)的功能原理、失效機理還要結(jié)合系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及自身功能原理，綜合利用特征參數(shù)模型和實際的物理模型共同解析得到系統(tǒng)的特征參數(shù)譜是健康管理技術(shù)中計算剩余有效壽命和趨勢預(yù)測技術(shù)的難點。此外，特征參數(shù)譜是狀態(tài)參數(shù)通過傳感器采集到的信息數(shù)據(jù)的變化趨勢的實時反映，傳感器在數(shù)據(jù)采集過程引入的異常信號導(dǎo)致繪制特征參數(shù)譜難以應(yīng)用于故障診斷和故障預(yù)測的算法開發(fā)，因此對異常信號的處理應(yīng)該在建立預(yù)測模型之前完成。

5 結(jié)論

飛機健康管理系統(tǒng)是民用飛機目前發(fā)展和研制的必然趨勢，民用飛機的預(yù)測與健康管理技術(shù)是一個綜合的系統(tǒng)工程，涉及到的學(xué)科和專業(yè)很多，在民用飛機上建立健康管理監(jiān)控系統(tǒng)提高飛機的安全性、簽派可靠度、維修能力和保障能力需要各系統(tǒng)的全面綜合。對民用飛機特征參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)的研究是建立民用飛機健康管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

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