張博+孟寶林+欒書平
摘 要:無人飛行器系統(tǒng)由無人飛行器和地面控制臺組成。相比于有人飛行器,無人飛行器的事故率很高,成為了現(xiàn)階段阻礙無人飛行器廣泛應(yīng)用的一個重要原因。對飛行器的實時及長期健康狀況的有效監(jiān)測、診斷及預(yù)測,是飛行器保障維護工作中的重要一環(huán)。文章介紹了飛行器綜合健康管理(IVHM)的概念及其通用架構(gòu)模塊,提出了用于無人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理架構(gòu)設(shè)計,并對其可行性進行了分析。
關(guān)鍵詞:飛行器綜合健康管理;無人飛行器系統(tǒng);架構(gòu)設(shè)計;可行性
無人飛行器的概念最早出現(xiàn)在20世紀初。那時的人們就已經(jīng)認識到,不需要乘員的無人飛行器非常適合于執(zhí)行那些危險、環(huán)境惡劣或重復(fù)枯燥的任務(wù)。然而很長一段時間里,受科技水平的限制,無人飛行器的實際應(yīng)用十分有限。直到近二十年,隨著微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)和材料技術(shù)的進步,無人飛行器的載重能力、控制距離和飛行持續(xù)時間得到了大幅提升,才使其具備了獨立執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)的能力[1]。
盡管無人飛行器的體量越來越大,復(fù)雜程度越來越高,功能越來越強,其安全性卻始終未達到令人滿意的程度。美國是目前在大型無人飛行器領(lǐng)域投入最大,裝備數(shù)量最多的國家之一。已裝備的大型無人飛行器主要有捕食者MQ-1,全球鷹RQ-4,收割者MQ-9等。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù),截至2012年,這三型無人飛行器的A類事故數(shù)及事故率見表1[4]。
經(jīng)調(diào)查,機載設(shè)備在飛行中發(fā)生故障或失效是造成如此多事故的最主要原因,占到A類事故總數(shù)的57%。這幾型無人飛行器還具備一些共同特點,如大展弦比機翼,單引擎,衛(wèi)星調(diào)制的超視線控制,長航時等。這些特性進一步降低了無人飛行器的整體可靠性,往往單個設(shè)備或模塊的故障就會造成整個飛行器的損毀。
另一方面,無人飛行器系統(tǒng)由無人飛行器和地面控制臺組成。遠程操作員通過地面控制臺駕駛無人飛行器時,可得到的信息十分有限,判斷力與直覺也因此受到限制,當飛行器出現(xiàn)異?;蚬收系恼髡讜r,往往不能及時察覺并應(yīng)對。
綜合上述這些因素,導致了現(xiàn)階段無人飛行器的事故率遠高于有人飛行器。大型無人飛行器想要更廣泛地應(yīng)用在民用各個領(lǐng)域,就必須有效地解決安全性問題。
1 飛行器綜合健康管理概述
飛行器綜合健康管理(IVHM,Integrated Vehicle Health Management),是一種對飛行器及其組成部件的健康狀況進行統(tǒng)合地監(jiān)測、預(yù)測、診斷及處置的能力[5]。IVHM的概念從機內(nèi)測試(BIT)及機內(nèi)測試設(shè)備(BITE)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,通過智能自主的監(jiān)測、預(yù)測、維護調(diào)度、異常處置等手段,提升飛行器總體的安全性、可用性、可靠性,并降低維護維修的費用。IVHM包含的活動主要有:
(1)監(jiān)測:通過飛行器上的分布式傳感器,采集飛行器各部分工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。
(2)診斷及預(yù)測:診斷是否存在異常,判斷異常的嚴重程度,并預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)的變化趨勢。
(3)緩解或修復(fù):在最大可能保證系統(tǒng)和任務(wù)有效性的前提下對異常進行處理,將故障部分恢復(fù)到正常狀態(tài),或更換故障部分,或其它空中/地面維護工作。緩解及修復(fù)的實施須建立在健康診斷或預(yù)測的基礎(chǔ)之上。
(4)檢驗:確認故障已被正確地修復(fù),并且沒有遺留潛在問題。
IVHM活動模型見圖1。四項主要活動在IVHM的綜合調(diào)度下由機上設(shè)備自動執(zhí)行或由地面維護人員完成。對無人飛行器來說,在沒有機上駕駛員的情況下,IVHM可對飛行器各組成部分的工作狀態(tài)進行監(jiān)控及檢測,有效幫助遠程操作員把握飛行器的整體健康狀況。在出現(xiàn)故障或隱患時,盡量使其恢復(fù)到正?;驗榫S護工作提出決策及建議,將安全性風險和對任務(wù)的影響降到最小。另一方面,無人飛行器為了實現(xiàn)遠程控制,通常也具備較高的系統(tǒng)集成度和故障檢測覆蓋率,降低了IVHM在無人飛行器上應(yīng)用的難度。
2 IVHM通用架構(gòu)模塊
飛行器的各個部件通常由不同的供應(yīng)商開發(fā),并且具備各自獨立的維護產(chǎn)品和服務(wù)。為實現(xiàn)IVHM對全機狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集及綜合處理,必須解決各部件之間數(shù)據(jù)格式及傳輸?shù)臉藴驶瘑栴}。2001年,由美國海軍牽引,由波音、洛克韋爾等公司聯(lián)合組建的小組制定了一個用于視情維護的開放系統(tǒng)架構(gòu)OSA-CBM(Open System Architecture for Condition Based Maintenance),之后被IVHM機構(gòu)引用,成為了IVHM通用標準架構(gòu)[6]。
OSA-CBM架構(gòu)分為七層,自底向上分別是:
ST(Sensor/Transducer):傳感器;
DA(Data Acquisition):數(shù)據(jù)采集;
DM(Data Manipulation):數(shù)據(jù)處理;
SD(State Detection):狀態(tài)檢測;
HA(Health Assessment):健康評估;
PA(Prognosis Assessment):預(yù)測評估;
AG(Advisory Generation):決策生成。
后文將以上述7個層級作為基礎(chǔ)功能模塊開展IVHM架構(gòu)設(shè)計。
3 用于無人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理架構(gòu)
為滿足遠程控制的需求,無人飛行器系統(tǒng)的系統(tǒng)集成度和自動化程度很高,而且系統(tǒng)各層級本身就具備覆蓋度較高的狀態(tài)監(jiān)測傳感器,可以被IVHM直接利用。事實上,隨著IVHM概念的慢慢成熟,人們對IVHM的設(shè)計也趨于務(wù)實化。飛行器上的慣性導航傳感器、衛(wèi)星定位設(shè)備、無線電定位設(shè)備、控制傳感器以及各個設(shè)備中的BIT傳感器已足夠支撐IVHM數(shù)據(jù)采集層的需求[7]。發(fā)動機、飛控等任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)具備的系統(tǒng)級綜合健康管理(ISHM,Integrated System Health Management)也逐漸成熟,可以為全機IVHM提供較高層級的功能支持。同時,飛行數(shù)據(jù)記錄儀、飛行管理系統(tǒng)和任務(wù)管理系統(tǒng)還可以承擔一部分數(shù)據(jù)綜合處理的工作。最后,飛行器診斷、預(yù)測、決策支持任務(wù)可以交由地面控制臺來完成。無人飛行器系統(tǒng)IVHM整體架構(gòu)設(shè)計見圖3。
圖中可見,這一架構(gòu)的主要優(yōu)點是充分復(fù)用了飛行器各部件上已有的傳感器及數(shù)據(jù)處理能力。對不具備信號采集或數(shù)據(jù)處理能力的設(shè)備,才將相應(yīng)的功能交由機上IVHM模塊來完成。同時,將診斷、預(yù)測與決策任務(wù)放在地面控制臺中進行,以最大程度地減少機上的額外負載。此外,有效的系統(tǒng)健康診斷和預(yù)測必須建立在大規(guī)模數(shù)據(jù)積累和模型匹配計算的基礎(chǔ)之上,而地面控制臺則可通過外部云數(shù)據(jù)、云計算的支持,提高健康診斷、預(yù)測和決策的準確性。
4 可行性分析
IVHM作為一個新興領(lǐng)域,目前仍處在不斷發(fā)展和完善之中,盡管已建立起較為成熟的理論體系,但其工程應(yīng)用的腳步卻并不算快。主要原因就是IVHM實現(xiàn)的不是與飛行或戰(zhàn)術(shù)任務(wù)直接相關(guān)的功能,在飛行器有限的載荷、能源、帶寬等的分配中,很難獲取足夠的資源。因此,能否帶來可觀的投資回報率(ROI,Return on Investment)是決定IVHM可行性的關(guān)鍵因素。IVHM ROI的計算方法如下[9]:
式中PR是IVHM提升飛行器整體可靠性所帶來的效益。相關(guān)研究結(jié)果表明,實施IVHM的飛行器可以更有效地預(yù)判系統(tǒng)部件中存在的潛在故障,相比不具備IVHM的飛行器,可提前發(fā)現(xiàn)并處理15%~30%的潛在故障。這對無人飛行器系統(tǒng)目前較低的可靠性而言,無疑是非常大的效益。
PM是IVHM視情維護相較于傳統(tǒng)定期維護所節(jié)省的費用?,F(xiàn)代飛行器的全生命周期維護費用占到采購運營總費用的40%以上。而基于準確狀態(tài)預(yù)測的視情維護則可以減少至少30%的不必要的維護工作[5,11]。
I是飛行器實施IVHM的安裝及運行費用。本文中架構(gòu)設(shè)計的主要思路就是復(fù)用飛行器中已有的傳感器及BIT能力,力圖將實施IVHM的額外負載及費用降到最低。參考現(xiàn)有的飛行器IVHM實施成本分析結(jié)果,粗略估計所需安裝及運行費用不超過飛行器總采購及運營費用的5%[9,12]。
綜上分析,本文中設(shè)計的無人飛行器系統(tǒng)綜合健康管理架構(gòu)以較小的代價獲得了可觀的收益,可提供幾十倍至上百倍的回報率。
5 結(jié)束語
隨著無人飛行器系統(tǒng)的裝備數(shù)量不斷增長,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,其較高的事故率成為亟需解決的問題之一。本文介紹的無人飛行器系統(tǒng)IVHM 架構(gòu)設(shè)計最大程度地復(fù)用機上已具備的各級BIT設(shè)備及傳感器,并利用地面控制臺完成健康診斷、預(yù)測與決策。一方面減少實施IVHM所帶來的機上額外負載,另一方面可在云數(shù)據(jù)支持下提高診斷與預(yù)測的準確性。是降低無人飛行器系統(tǒng)事故率的一條有效且經(jīng)濟的途徑。
參考文獻
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作者簡介:張博(1984-),碩士,研究方向:慣性/衛(wèi)星導航、制導、無人機。