(中航工業(yè)集團(tuán)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所 故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201601)

0 引言

在民用航空領(lǐng)域中，大型客機(jī)實(shí)時(shí)健康監(jiān)控一般是通過(guò)機(jī)載設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，飛機(jī)通過(guò)自身的監(jiān)控設(shè)備對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如地面人員不能及時(shí)得到飛行故障信息，對(duì)于飛行中特殊情況的應(yīng)急處理無(wú)法操作，嚴(yán)重影響飛行的安全性和資源的操控性。

為飛機(jī)訂制一套合理可行的健康管理系統(tǒng)，使航空公司的飛機(jī)維修和資源管理更全面、更完善，不僅能提高飛機(jī)的安全性、環(huán)保性，還可控制燃油成本、節(jié)約資源，是現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展中的重要內(nèi)容和迫切需求。然而面對(duì)民機(jī)不同架構(gòu)的PHM系統(tǒng)，需要選擇合適的評(píng)判準(zhǔn)則來(lái)驗(yàn)證，所以首要問(wèn)題是選擇合適的仿真軟件和設(shè)備來(lái)搭建仿真驗(yàn)證平臺(tái)。

文中基于燃油系統(tǒng)和客艙系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一套民機(jī)PHM頂層架構(gòu)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)，提出民機(jī)不同PHM架構(gòu)，配置不同的機(jī)載系統(tǒng)和監(jiān)控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)地面對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，地面完成故障診斷與健康管理，然后根據(jù)評(píng)判準(zhǔn)則(費(fèi)效性和功能完整性)進(jìn)行PHM架構(gòu)驗(yàn)證，評(píng)判架構(gòu)是否具有合理性和可行性。

1 國(guó)內(nèi)外在民機(jī)PHM系統(tǒng)上的發(fā)展

1.1 國(guó)外民機(jī)PHM技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)90年代初期，國(guó)外在飛行數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入飛機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理的概念和技術(shù)。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)具備空地一體化、飛機(jī)實(shí)時(shí)診斷等特點(diǎn)的飛機(jī)維護(hù)支持系統(tǒng)。美國(guó)、歐洲的主要航空發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視PHM的研究與應(yīng)用，PHM技術(shù)正朝著更加綜合化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的方向發(fā)展[1]。

目前在國(guó)外已開(kāi)發(fā)了相關(guān)PHM 設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行PHM 的輔助設(shè)計(jì)和仿真分析，主要以下3種：

1)PHM DesignTM：PHM DesignTM 是由Impact-tec公司開(kāi)發(fā)的一種創(chuàng)新的軟件工具，專(zhuān)門(mén)致力于設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)、評(píng)估和部署預(yù)測(cè)和健康管理(PHM)或基于狀態(tài)的維修(CBM)系統(tǒng)。PHM 的設(shè)計(jì)模型是構(gòu)造系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)布使用傳感器、算法(BIT，診斷和預(yù)測(cè)后)、失效模式、癥狀影響和維護(hù)任務(wù)，充分表現(xiàn)PHM 系統(tǒng)的功能。

2)MADe PHM：MADe PHM是PHMTechnology提供的一款PHM 輔助設(shè)計(jì)工具，用于工程師執(zhí)行或分析CBM、HUMS、診斷、健康管理和PHM 對(duì)于任務(wù)和安全關(guān)鍵系統(tǒng)的功能、作用。使用MADe 的系統(tǒng)模型和故障數(shù)據(jù)，MADe PHM 能使用戶為新的或遺留系統(tǒng)相結(jié)合傳感器集進(jìn)行設(shè)計(jì)，比較每種設(shè)計(jì)下的財(cái)政和工程參數(shù)(如：費(fèi)用、可靠性等)。

3)波音IVHM技術(shù)的發(fā)展：波音公司預(yù)研部門(mén)開(kāi)發(fā)的IVHM技術(shù)可轉(zhuǎn)化為應(yīng)用到實(shí)際飛行中的成熟產(chǎn)品，其產(chǎn)品的重點(diǎn)是在于系統(tǒng)集成與信息集成[2]。 為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，“鬼怪”工作室開(kāi)發(fā)一個(gè)健康管理工程環(huán)境，包括項(xiàng)目分析與建模環(huán)境、開(kāi)發(fā)環(huán)境和使用環(huán)境，這3個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境為波音公司IVHM項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供了一組過(guò)程與工具，促進(jìn)集成與完善IVHM所必需的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 國(guó)內(nèi)在民機(jī)PHM系統(tǒng)上的發(fā)展

國(guó)內(nèi)自“十二五”以來(lái)，在飛機(jī)PHM領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展廣泛的研究，如飛機(jī)故障預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)(PHMS)、直升機(jī)健康與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(HUMS)、遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)等，并在狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷技術(shù)研究等領(lǐng)域有了較大突破。

由于國(guó)內(nèi)民機(jī)發(fā)展比較晚，C919大飛機(jī)目前處于研制試飛階段，民航相關(guān)部門(mén)認(rèn)識(shí)到研制民機(jī)PHM系統(tǒng)的重要性和緊迫性，組織國(guó)內(nèi)專(zhuān)家進(jìn)行PHM的評(píng)估和驗(yàn)證工作。

代京等人詳細(xì)描述NASA的 AHMS的驗(yàn)證與評(píng)估測(cè)試環(huán)境和評(píng)估指標(biāo)體系[3]，Impact公司的PHM驗(yàn)證與評(píng)估虛擬測(cè)試臺(tái)、驗(yàn)證與評(píng)估數(shù)據(jù)源和驗(yàn)證與評(píng)估指標(biāo)體系，波音公司的健康管理工程環(huán)境的項(xiàng)目分析與建模環(huán)境、開(kāi)發(fā)環(huán)境、操作運(yùn)行環(huán)境等國(guó)外研究情況，并針對(duì)國(guó)內(nèi)的開(kāi)展PHM驗(yàn)證與評(píng)價(jià)研究的提出了一些重要的建議。

馬寧等人針對(duì)機(jī)電液壓系統(tǒng)構(gòu)建了PHM仿真驗(yàn)證框架結(jié)構(gòu)[4]，對(duì)基于混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測(cè)方法等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，最后利用液壓泵殼體的虛擬仿真信號(hào)對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

吳明強(qiáng)等人分析了國(guó)內(nèi)外飛行器故障預(yù)測(cè)與健康管理集成工程環(huán)境研究[5]，提出了構(gòu)建PHM 的通用化支撐平臺(tái)和驗(yàn)證環(huán)境的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)闡述了PHM開(kāi)發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境和驗(yàn)證環(huán)境等功能模塊。

王志鵬等人提出了基于仿真試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)的PHM演示驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法[6]、PHM系統(tǒng)評(píng)價(jià)技術(shù)和平臺(tái)架構(gòu)，用于對(duì)PHM產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)。

樊旭斌對(duì)國(guó)內(nèi)外PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)研分析[7]，對(duì)通用PHM功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基于UML的建模，建立不同功能層的驚天數(shù)據(jù)模型，最后使用LabVIEW和MATLAB建模技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)接卸轉(zhuǎn)子的相關(guān)故障進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證。

楊洲、景博等人從設(shè)計(jì)過(guò)程的角度分析了PHM驗(yàn)證與評(píng)價(jià)中的不足[8]，并詳細(xì)闡述的3種驗(yàn)證模式，包括基于分析評(píng)估的方法、基于仿真(全系統(tǒng)仿真和半實(shí)物仿真)的方法和基于試驗(yàn)的方法，最后對(duì)現(xiàn)有性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分類(lèi)，給出了相應(yīng)的使用范圍。并指出這3種方法只有相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，才能構(gòu)成完善的驗(yàn)證體系，確保AHMS的設(shè)計(jì)功能得以完全實(shí)現(xiàn)。

馬小駿等人介紹了C919大型客機(jī)的健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，劃分了功能模塊，分析了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的地面實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)、趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)方法、剩余壽命預(yù)測(cè)方法、故障診斷算法、維修決策方法以及系統(tǒng)研制仿真技術(shù)等6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和方法，并搭建了半物理仿真平臺(tái)[9]，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能。

1.3 民機(jī)PHM頂層架構(gòu)的仿真需求

民機(jī)PHM系統(tǒng)涉及范圍廣泛，包括機(jī)載、地面、航空公司、通信、客服等方面，頂層架構(gòu)仿真需要集成機(jī)載各子系統(tǒng)的功能[10]，根據(jù)民機(jī)PHM系統(tǒng)的特點(diǎn)，從使用、功能的角度進(jìn)行劃分，民機(jī)PHM系統(tǒng)可分為5個(gè)部分：

1)機(jī)上PHM系統(tǒng)；

2)空地?cái)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)；

3)地面健康管理平臺(tái)；

4)航空公司的地面運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)；

5)地面健康管理平臺(tái)/航空公司的地面運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)-使用狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

2 民機(jī)PHM頂層架構(gòu)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 民機(jī)PHM頂層架構(gòu)的仿真系統(tǒng)組成

仿真驗(yàn)證平臺(tái)由4臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)和1臺(tái)打印機(jī)組成，4臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)包括機(jī)載PHM仿真系統(tǒng)、地面健康管理仿真系統(tǒng)、配置管理系統(tǒng)及驗(yàn)證仿真系統(tǒng)。機(jī)載PHM仿真系統(tǒng)主要包括仿真任務(wù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、維護(hù)模塊以及通訊模塊；地面PHM仿真系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、故障診斷、健康評(píng)估、機(jī)隊(duì)管理模塊等；配置管理計(jì)算機(jī)用于PHM頂層架構(gòu)選擇、機(jī)載子系統(tǒng)選擇，故障類(lèi)型選擇等模塊；驗(yàn)證仿真系統(tǒng)完成PHM頂層架構(gòu)評(píng)估驗(yàn)證模塊。 仿真系統(tǒng)中各設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)和無(wú)線WIFI方式進(jìn)行連接。

民機(jī)PHM仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 民機(jī)PHM頂層架構(gòu)仿真驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)流程圖

2.2 機(jī)載PHM仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)載PHM仿真系統(tǒng)采用LabView和Matlab 兩款軟件作為主要開(kāi)發(fā)工具，LabView用于界面的顯示以及各層靜態(tài)數(shù)據(jù)模型的搭建，Matlab用于算法，并集成到LabView 搭建的機(jī)載仿真框架中。

圖2為機(jī)載PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)圖，外部的CMC/IMA配置管理系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)指令使主程序框架內(nèi)的各個(gè)功能模塊開(kāi)始運(yùn)行，將航班配置和故障類(lèi)型信息傳入空地通信模塊。在主程序運(yùn)行的過(guò)程中，飛行狀態(tài)監(jiān)控模塊通過(guò)讀取飛行仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示飛行參數(shù)。同時(shí)，空地通信模塊每隔一秒鐘就給地面PHM系統(tǒng)發(fā)送事件&監(jiān)控&故障報(bào)文。如果出現(xiàn)故障，故障告警模塊根據(jù)空地通信模塊發(fā)送的故障碼顯示不同的故障類(lèi)型。

圖2 機(jī)載PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

機(jī)載子系統(tǒng)選擇燃油系統(tǒng)和客艙系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，圖3為機(jī)載子系統(tǒng)-多功能告警顯示器的仿真界面，仿真界面完成飛行信息顯示和告警信息顯示兩個(gè)功能，飛行信息信息顯示主要包括飛機(jī)強(qiáng)制顯示的參數(shù)，如飛行高度、飛行速度、俯仰角、左右發(fā)動(dòng)機(jī)N1/N2、油溫EGT、油壓、日期和時(shí)間等。

圖3以仿真燃油系統(tǒng)的1#油箱的相關(guān)狀態(tài)告警為例，通過(guò)不同顏色區(qū)分告警信息的危險(xiǎn)程度。同時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示故障碼，并通過(guò)故障報(bào)(ACMF)形式發(fā)送到地面PHM仿真系統(tǒng)。

圖3 機(jī)載仿真系統(tǒng)界面(燃油系統(tǒng))

2.3 地面PHM仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面PHM系統(tǒng)提供與外部系統(tǒng)通信的接口，并管理各子模塊的應(yīng)用，其功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 地面PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

PHM地面系統(tǒng)軟件與外部交互主要通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通信模塊的功能是收發(fā)地面系統(tǒng)軟件與外界交互的信息，包括航班信息、飛參數(shù)據(jù)、故障信息及狀態(tài)評(píng)估信息等。

其中地面分析中與故障分析、維護(hù)保障系統(tǒng)相關(guān)的定義如表1所示。

表3 傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

地面PHM仿真平臺(tái)完成的功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、地面分析、故障診斷和健康評(píng)估等功能，圖5是地面PHM仿真系統(tǒng)接收機(jī)載PHM各類(lèi)數(shù)據(jù)報(bào)信息后，進(jìn)行解析并實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)控界面包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)飛行狀態(tài)、燃油情況、故障信息等。

圖5 地面系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)

仿真驗(yàn)證系統(tǒng)在功能和性能上采用多角度對(duì)PHM頂層架構(gòu)的評(píng)估，如信號(hào)采集、異常監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障檢測(cè)率、隔離率、虛警率等，全面定量、定性對(duì)架構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。

3.1 系統(tǒng)驗(yàn)證方法

PHM架構(gòu)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)主要包含以下幾方面功能：

1)接收地面數(shù)據(jù)：從地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，包括檢測(cè)到的飛機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障和地面分析評(píng)估的系統(tǒng)健康度；

2)統(tǒng)計(jì)分析：針對(duì)仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)注入的故障激勵(lì)數(shù)據(jù)在實(shí)際運(yùn)行中的結(jié)果，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和統(tǒng)計(jì)分析，得出故障檢測(cè)率、隔離率、虛警率等參數(shù)；

3)費(fèi)效性評(píng)價(jià)：完成基于統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和基于PHM帶來(lái)的維修時(shí)間、維修成本、機(jī)隊(duì)簽派率等參數(shù)的分析得出維修時(shí)間/成本的減少量、簽派率提高帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)收益等參數(shù)，按照給定的評(píng)價(jià)算法得出所選架構(gòu)設(shè)計(jì)的費(fèi)效性結(jié)果。

圖6為PHM架構(gòu)評(píng)價(jià)模塊的功能架構(gòu)圖。

圖6 PHM架構(gòu)評(píng)價(jià)模塊的功能架構(gòu)圖

驗(yàn)證評(píng)價(jià)系統(tǒng)接收地面PHM發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出仿真系統(tǒng)故障檢測(cè)率、隔離率、虛警率等參數(shù)；基于統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和基于PHM帶來(lái)的維修時(shí)間、維修成本、機(jī)隊(duì)簽派率等參數(shù)的分析得出維修時(shí)間/成本的減少量、簽派率提高帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)收益等參數(shù)，根據(jù)評(píng)價(jià)算法得出所選架構(gòu)設(shè)計(jì)的費(fèi)效性結(jié)果。

3.2 費(fèi)效性評(píng)價(jià)模塊設(shè)計(jì)

PHM系統(tǒng)費(fèi)效性表征實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)故障診斷、預(yù)測(cè)和狀態(tài)健康管理能力節(jié)省的費(fèi)用與實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)代價(jià)之間的權(quán)衡。其度量模型為：

式中,VTOTAL為PHM系統(tǒng)總技術(shù)價(jià)值，是所欲故障模式技術(shù)價(jià)值的總和；TV為針對(duì)某一個(gè)故障模式，采用PHM系統(tǒng)技術(shù)的技術(shù)價(jià)值；FM為故障模式數(shù)；Bcost為PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代價(jià)。

根據(jù)任務(wù)計(jì)算機(jī)中PHM系統(tǒng)架構(gòu)的評(píng)價(jià)算法，開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)軟件模塊。通過(guò)輸入給定PHM系統(tǒng)架構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)(加載可靠性、維修性和測(cè)試性等參數(shù)，如圖7)，評(píng)價(jià)軟件可以計(jì)算出每個(gè)系統(tǒng)的PHM費(fèi)效比。

圖7 費(fèi)效性分析數(shù)據(jù)輸入

3.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

系統(tǒng)綜合各子系統(tǒng)的費(fèi)效性，計(jì)算飛機(jī)級(jí)費(fèi)效性，結(jié)合功能完整性，從而得出驗(yàn)證結(jié)論(如圖8所示)。仿真驗(yàn)證平臺(tái)以客艙子系統(tǒng)和燃油子系統(tǒng)為例，建立民機(jī)PHM頂層架構(gòu)仿真驗(yàn)證平臺(tái)，構(gòu)建若干類(lèi)型PHM頂層架構(gòu)，從費(fèi)效性和功能完整性可驗(yàn)證不同架構(gòu)的優(yōu)劣。

圖8 費(fèi)效性分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)于民機(jī)PHM技術(shù)發(fā)展，文中提出一種民機(jī)PHM頂層架構(gòu)仿真驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，此仿真驗(yàn)證平臺(tái)可完成民機(jī)PHM功能仿真，包括民機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、健康評(píng)估、健康管理等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同民機(jī)PHM架構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)，獲取更適合的飛機(jī)PHM頂層架構(gòu)。平臺(tái)下一步工作可通過(guò)航空公司或者飛機(jī)試飛院等部門(mén)，獲取民機(jī)的各子系統(tǒng)的參數(shù)、故障模式、以及歷史飛行數(shù)據(jù)等信息[11]，突破PHM關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)適合我國(guó)民用飛機(jī)的PHM體系結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用的目標(biāo)。