王景霖，林澤力，鄭　國， 何　泳

（1.故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點實驗室，上?！?01601；2.上海航空測控技術(shù)研究所，上?！?01601）

飛機機電系統(tǒng)PHM技術(shù)方案研究

王景霖1，2，林澤力1，2，鄭國2， 何泳1

（1.故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點實驗室，上海201601；2.上海航空測控技術(shù)研究所，上海201601）

針對目前飛機PH M系統(tǒng)難以精確設計的技術(shù)瓶頸，并為了滿足提高飛機故障診斷與健康管理技術(shù)能力的目標要求，文章在大量調(diào)研并參考國內(nèi)外飛機PHM系統(tǒng)設計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)針對PH M設計的特殊背景，通過對飛機機電系統(tǒng)進行了深入分析與研究，提出了一種針對飛機機電系統(tǒng)PHM總體方案架構(gòu)思想；文章給出了機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器結(jié)構(gòu)的設計思路及機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設計，開展機電系統(tǒng)aFMECA分析，明確了該系統(tǒng)設計的指導思想、功能和組成，并著重論述了各主要功能模塊的設計方案，最后形成了飛機機電系統(tǒng)PHM技術(shù)方案，對于促進國內(nèi)PHM技術(shù)的發(fā)展具有重要作用，同時也為其他武器裝備的PH M技術(shù)的研究具有一定的指導作用。

飛機機電系統(tǒng)；故障診斷；區(qū)域級；PHM

0　引言

隨著對飛機系統(tǒng)可靠性要求越來越高，飛機預測與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術(shù)的研究越來越受到人們的歡迎。飛機PHM技術(shù)綜合采用各種信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等領(lǐng)域的技術(shù)手段，對飛機進行故障診斷與健康管理，以強大的測試與診斷能力及非常低的虛警率確保飛機完成各種既定任務或者以最短的時間完成各種任務準備［1］。

飛機PHM技術(shù)不僅具有各種故障診斷、預測、及監(jiān)測等功能，而且其還能結(jié)合智能信息技術(shù)，實現(xiàn)飛機的自主綜合保障［2］。據(jù)美國聯(lián)邦 （FAA）和國家運輸委員會 （NTSB）的統(tǒng)計結(jié)果表明，在飛機上應用故障診斷與健康管理技術(shù)，可顯著提高飛機的架次出動率，極大提升飛機的使用效能和完成既定任務的能力，減少地面維護和修理的停機時間，節(jié)約維修費用［3］。

1　機電系統(tǒng)PHM設計總要求

以飛機機電系統(tǒng)為例，開展機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器架構(gòu)設計，建立機電系統(tǒng)區(qū)域管理器設計方法。

1.1功能要求

機電系統(tǒng)區(qū)域管理器接收成員系統(tǒng)信息，在機電系統(tǒng)層次上進一步綜合診斷分析成員系統(tǒng)診斷結(jié)果，得出系統(tǒng)的工作狀態(tài)及故障對系統(tǒng)功能影響程度，發(fā)送相關(guān)信息給飛機級管理器進行全機診斷決策，主要實現(xiàn)。

1）成員系統(tǒng)診斷綜合、集成：

集成成員系統(tǒng)診斷模型，實現(xiàn)對成員系統(tǒng)的故障診斷。2）系統(tǒng)關(guān)聯(lián)診斷分析：

解決因飛機其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)的變化或機電系統(tǒng)內(nèi)部成員之間的相互影響引起的成員系統(tǒng)故障的誤判。

3）系統(tǒng)健康評估及信息管理：

對成員級給出的故障信息進行管理，根據(jù)綜合診斷分析的結(jié)果，去除誤報的故障信息；根據(jù)診斷結(jié)果評估系統(tǒng)當前何種健康狀態(tài)，綜合給出當前狀態(tài)對系統(tǒng)功能實現(xiàn)的影響分析結(jié)果［4］。

1.2機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機電系統(tǒng)通常由十一個成員系統(tǒng)組成，分別為液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、環(huán)控與熱管理系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、機外照明系統(tǒng)、發(fā)動機輔助系統(tǒng)、座艙蓋系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、武器艙門驅(qū)動系統(tǒng)以及生命保障供氣系統(tǒng)［5］，同時機電系統(tǒng)與飛機附件機匣有著緊密的聯(lián)系（飛機附件機匣通過液壓泵、燃油增壓泵、交流發(fā)電機、回油泵以及燃氣渦輪起動機傳動與機電系統(tǒng)交聯(lián)），機電系統(tǒng)組成見圖1。

圖1　機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器結(jié)構(gòu)

2.1OSA-CBM體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)國際標準化組織頒布的ISO-13374狀態(tài)監(jiān)視指南，綜合監(jiān)視系統(tǒng)的功能由6個功能模塊組成（見圖2），分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、健康評估、預測評估、咨詢生成，執(zhí)行該指南的一個范例為基于狀態(tài)維修的開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) （OSA-CBM）［6］，結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖2　綜合監(jiān)視系統(tǒng)功能模塊

圖3　OSA-CBM結(jié)構(gòu)圖

飛機系統(tǒng)PHM中成員系統(tǒng)、區(qū)域管理器、飛機管理器之間的關(guān)系。

2.2接口關(guān)系

飛機PH M成員系統(tǒng)、區(qū)域管理器以及飛機管理器的接口交聯(lián)關(guān)系見圖4（以機電系統(tǒng)為例）。

圖4　飛機PH M系統(tǒng)各級交聯(lián)關(guān)系

機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器與機電綜合管理系統(tǒng)交聯(lián)；機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器接收飛機管理系統(tǒng)區(qū)域管理器傳來的飛機工作狀態(tài)信息，發(fā)送健康評估信息給飛機管理系統(tǒng)區(qū)域管理器，為飛機級綜合決策提供依據(jù)［7］。機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5　機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器結(jié)構(gòu)

機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器由三大模塊組成，分別是成員系統(tǒng)診斷綜合集成模塊、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)診斷分析模塊以及系統(tǒng)健康評估及信息管理模塊。

3　機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設計

機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設計實施流程見圖6。主要分為以下幾個步驟。

圖6　機電系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器設計實施流程

1）機電系統(tǒng)建模：根據(jù)機電系統(tǒng)的工作機理和形成機制，構(gòu)建機電系統(tǒng)模型；

2）完成機電系統(tǒng)aFMECA分析；

3）建立機電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)及影響知識庫；

4）完成軟件的接口設計工作，如系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)接口等；

5）完成機電系統(tǒng)綜合診斷及功能評估軟件設計工作，主要實現(xiàn)各種推理機的設計、機電系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則的設計以及建立機電系統(tǒng)功能影響規(guī)則；

6）在完成以上工作的基礎(chǔ)上，還要對機電系統(tǒng)aFME-CA分析、接口軟件設計及機電系統(tǒng)綜合診斷及功能評估軟件設計等在仿真環(huán)境下進行驗證。

3.1系統(tǒng)功能建模

分析飛機機電系統(tǒng)中的各成員系統(tǒng)的組成以及各成員系統(tǒng)間的功能依存關(guān)系，建立起機電系統(tǒng)的功能模型（見圖7）。

圖7　機電系統(tǒng)成員系統(tǒng)功能建模分析

3.2開展機電系統(tǒng)aFMECA分析

在機電系統(tǒng)功能建模的基礎(chǔ)上開展aFMECA（擴展的故障模式影響、危害度分析），即在傳統(tǒng)的aFMECA之外，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、預測和健康管理的需要，分別對傳感器采集策略、監(jiān)測參數(shù)、故障征兆信號等相關(guān)信息進行全面分析。aMECA表需要描述故障征兆與故障模式及其影響、應測參數(shù)、應布傳感器及其采集策略之間的大部分因果聯(lián)系，并將上述關(guān)聯(lián)因素之間的映射關(guān)系鏈以表格的形式 （如表1）表達出來。aFMECA表的建立是做好PH M的基礎(chǔ)，需要大量的歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗支持。根據(jù)各子系統(tǒng)aFMECA結(jié)果，基于共有的監(jiān)測參數(shù)及機電系統(tǒng)功能模型，找出因果關(guān)系中的上下位對象，從而確定機電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析的子系統(tǒng)對象。并將于關(guān)聯(lián)分析相關(guān)的故障模式、故障原因、監(jiān)測參數(shù)、關(guān)聯(lián)關(guān)系等信息反映在機電系統(tǒng)aFMECA表（見表2）中。

表1　子系統(tǒng)aFMECA分析表

表2　機電系統(tǒng)aFMECA分析表

3.3機電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析

在機電系統(tǒng)aFMECA分析的基礎(chǔ)上，分析成員系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)與外部因素（發(fā)動機、飛行狀態(tài)）的關(guān)系，采用多變量回歸分析建立起各監(jiān)測參數(shù)與外部因素的關(guān)系模型，明確監(jiān)測參數(shù)隨外部因素的變化規(guī)律。

3.4建立成員系統(tǒng)關(guān)聯(lián)及功能影響知識庫

根據(jù)aFMECA分析結(jié)果，建立機電系統(tǒng)成員系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)知識庫。關(guān)聯(lián)知識庫的主要內(nèi)容為：

1）機電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)的功能關(guān)聯(lián) （相互聯(lián)系、因果）；

2）機電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)之間部件的關(guān)聯(lián)；

3）機電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)的關(guān)聯(lián)（相互聯(lián)系、因果）；

4）機電系統(tǒng)各成員系統(tǒng)功能故障下監(jiān)測參數(shù)的關(guān)聯(lián) （相互聯(lián)系、因果）；

5）機電系統(tǒng)故障狀態(tài)、監(jiān)測參數(shù)與系統(tǒng)功能實現(xiàn)水平的關(guān)系。

3.5機電系統(tǒng)故障綜合診斷及功能影響分析（基于規(guī)則的推理機）

1）基于規(guī)則的推理機設計：

基于規(guī)則的推理機主要與知識庫一起進行診斷工作，在推理機中，領(lǐng)域知識被提取到規(guī)則集，由知識庫管理，系統(tǒng)使用這些規(guī)則和工作中的內(nèi)存信息來求解問題，當規(guī)則的IF部分與工作內(nèi)存中的信息相匹配時，系統(tǒng)執(zhí)行規(guī)則THEN部分所指定的行為，判斷出出現(xiàn)何種故障。

2）關(guān)聯(lián)分析規(guī)則的設計：

在關(guān)聯(lián)分析中關(guān)鍵的是關(guān)聯(lián)規(guī)則的建立，方案中根據(jù)aFMECA分析結(jié)果和機電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)知識庫內(nèi)容建立相應的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

3）機電系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)分析規(guī)則：

設計機電系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)分析規(guī)則，解決機電系統(tǒng)內(nèi)部成員系統(tǒng)之間的相互影響而引起的成員系統(tǒng)故障誤判的問題。

4）機電系統(tǒng)與外系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析規(guī)則：

設計機電系統(tǒng)與外系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析規(guī)則，解決因飛機其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)的變化引起的成員系統(tǒng)故障的誤判問題。

5）機電系統(tǒng)故障對功能影響分析規(guī)則設計：

設計機電系統(tǒng)功能影響分析規(guī)則，實現(xiàn)根據(jù)綜合診斷分析的結(jié)果對機電系統(tǒng)功能的影響評估，給出對機電系統(tǒng)功能影響結(jié)果。

6）診斷分析流程：

診斷分析的流程如圖8所示。

圖8　診斷分析流程

4　結(jié)論

本文在對國內(nèi)飛機PH M系統(tǒng)設計參考資料進行調(diào)研與深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外飛機PH M系統(tǒng)的設計經(jīng)驗，以飛機機電系統(tǒng)為具體研究對象，開展了飛機PHM系統(tǒng)區(qū)域管理器設計與實現(xiàn)方案研究，及系統(tǒng)功能模塊研究等，在此基礎(chǔ)上，提出了飛機機電系統(tǒng)PHM總體可行性方案，并詳細講述了各主要功能模塊的設計方法。因此，通過本文中相關(guān)技術(shù)的研究，飛機PHM系統(tǒng)在未來的發(fā)展中，隨著各種先進算法的研究與發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機進行實時故障診斷、預測以及健康管理等活動，從而實現(xiàn)對飛機的自主綜合和保障活動，提高飛機的完成既定任務的能力。

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［7］黃藍，沈勇，莫固良等.航空故障診斷與健康管理技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2013.

Research on PHM Technology for Aircraft Electrical and Mechanical System

Wang Jinglin1，2，Lin Zeli1，2，Zheng Guo2，He Yong1
（1.Key Lab.of Aviation Fault Diagnosis and Health Management Technology，Shanghai201601，China；2.AVIC Shanghai Aero Measurement&Control Technology Research Institute，Shanghai201601，China）

Aiming at the technical bottleneck of the PH M system，which is difficult to be accurately designed，and to meet the requirements of improving the technical capability of aircraft fault diagnosis and health management.In this paper，based on a large number of research and reference to the domestic and foreign aircraft PH M system design experience，combined with the specific background of domestic PHM design.Through in-depth analysis and Research on the mechanical and electrical system of the aircraft，a new method for the PHM system of the aircraft mechanical and electrical system is proposed.In this paper，the design idea of the structure of mechanical and electrical system PHM and the design of the mechanical and electrical system PH M is presented.The aFMECA analysis of the mechanical and electrical system is carried out.The guiding ideology，function and composition of the system are defined，and the design scheme of the main functional modules is discussed.At last，the PH M technology scheme of the electromechanical system is formed，which has important function for promoting the development of PH M technology in China，and it has some guidance for the research of PHM technology.

mechanical electronic system of aircraft；fault diagnosis；regional level；PH M

1671-4598（2016）05-0163-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.047

TP277

A

2015-10-08；

2015-12-04。

王景霖（1984-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事飛行器智能維護方向的研究。