黃 俊,顧嘉旭
(1.中國(guó)民用航空上海適航審定中心,上海 200335;2.上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司,上海 200241)
自20世紀(jì)90年代引入飛機(jī)健康管理(AHM,aircraft health monitoring)技術(shù)以來,隨著民用航空器自動(dòng)化和智能化的不斷發(fā)展,各系統(tǒng)安裝了大量傳感器,并建立起基于空地雙向數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與健康管理系統(tǒng),可實(shí)時(shí)收集飛機(jī)的狀態(tài)信息,并及時(shí)獲取飛機(jī)的健康狀態(tài),對(duì)飛機(jī)全壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)進(jìn)行管理[1-2]。
AHM 理念和技術(shù)源于20世紀(jì)美國(guó)軍方提出的故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM,prognostics and health management),并逐步發(fā)展為新的基于狀態(tài)的維修[3](CBM,condition-based maintenance),也形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)體系,如開發(fā)系統(tǒng)聯(lián)盟(OSA,Open System Alliance)、美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE,Society of Automotive Engineers)、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers)等[4-5],并都發(fā)布了各自的標(biāo)準(zhǔn),包含系統(tǒng)架構(gòu)、核心算法、平臺(tái)規(guī)則等?;谶@些標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的健康管理技術(shù)和平臺(tái),有效增強(qiáng)了飛機(jī)的安全性、可用性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
圍繞健康管理技術(shù),大型裝備制造商和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了大量研究。工業(yè)界主要聚焦于健康管理系統(tǒng)的模型搭建和系統(tǒng)算法,特別是OSA 提出的OSACBM 和OSA-EAI 標(biāo)準(zhǔn)[6],在工業(yè)界獲得了廣泛認(rèn)可,其中發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)開發(fā)案例最為成功,基本完成了“標(biāo)準(zhǔn)制定[7]和具體應(yīng)用[8]”,且獲得了實(shí)際收益。在民航業(yè)方面,直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS,helicopter health &usage monitoring accelerometers)已在直升機(jī)上廣泛應(yīng)用,并初步實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)、診斷預(yù)測(cè)及維護(hù)決策的集成化和智能化[9]。波音、空客等制造商提供的飛機(jī)健康管理平臺(tái)(如AHM、AIRMAN 等)通過空地?cái)?shù)據(jù)鏈,在地面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和自動(dòng)分析,實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)預(yù)測(cè),一定程度上彌補(bǔ)了飛機(jī)設(shè)計(jì)的缺陷,提升了維修效能[10-12]。同時(shí),新的維修理念也影響到了維修計(jì)劃的制定,基于健康管理系統(tǒng),并結(jié)合維修任務(wù)基本屬性,可更科學(xué)合理地安排維修準(zhǔn)備和維修任務(wù),降低維修成本[13]。
眾所周知,完整的維修鏈包括維修方案分析與制定、維修計(jì)劃與安排和維修實(shí)施。從目前的行業(yè)實(shí)踐來看,AHM 技術(shù)應(yīng)用主要停留在維修實(shí)施層面和部分維修計(jì)劃方面,借助狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測(cè)技術(shù),在計(jì)劃準(zhǔn)備和故障排除方面發(fā)揮了作用。而作為源頭的維修方案分析與制定,由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章的具體指導(dǎo),尚未與AHM 技術(shù)充分融合。目前,MSG-3 是國(guó)際上主流的維修方案分析方法,其作為預(yù)防類維修理念的代表,在保證安全性的同時(shí),并兼顧了運(yùn)行性和經(jīng)濟(jì)性[14]。但從實(shí)際情況來看,MSG-3 更多依靠工程判斷和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),存在一定的局限性,如在初始制定階段沒有確切的可靠性數(shù)據(jù)支持,導(dǎo)致檢查類任務(wù)往往采用偏保守的檢查間隔,在執(zhí)行大量任務(wù)時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)故障,存在過度維修。而在飛機(jī)取證運(yùn)行后再試圖調(diào)整維修方案,往往需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及嚴(yán)格的分析過程,實(shí)施難度極大。因此,迫切需要從源頭,即在MSG-3 分析過程中融入AHM 理念,從而降低維修任務(wù)量,提高維修經(jīng)濟(jì)性。
基于MSG-3 和相關(guān)國(guó)際規(guī)范,解讀AHM 相關(guān)分析邏輯的技術(shù)要點(diǎn)和具體步驟,并識(shí)別制定飛機(jī)維修計(jì)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié),明確前提條件和實(shí)施要求,在計(jì)劃維修要求的分析制定中融入AHM 理念的具體方案,為航空器制造廠家在型號(hào)研制中深度應(yīng)用AHM 方案提供了技術(shù)路徑及實(shí)施方案,也為局方開展相關(guān)適航審定明確了審查要點(diǎn)。
飛機(jī)健康管理技術(shù)經(jīng)歷了模擬信號(hào)階段、健康監(jiān)測(cè)階段和健康管理階段的發(fā)展,目前已經(jīng)形成了相當(dāng)規(guī)范和成熟的體系,并已在大型裝備制造中得到廣泛應(yīng)用[3],相關(guān)行業(yè)也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如SAE、IEEE等),典型的健康管理系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 典型的飛機(jī)健康管理系統(tǒng)Fig.1 Typical AHM system
AHM 技術(shù)在民航領(lǐng)域的大量應(yīng)用和初步實(shí)踐,也證明其能有效提高行業(yè)的智能化和數(shù)字化水平,提高效率并降低成本,對(duì)運(yùn)行和維修產(chǎn)生了深刻的影響。隨著AHM 技術(shù)的發(fā)展完善和逐步成熟,其理念開始影響傳統(tǒng)的計(jì)劃維修大綱制定(基于MSG-3),新的“視情維護(hù)”成為行業(yè)內(nèi)民機(jī)維護(hù)的發(fā)展方向,IP180[15]的討論和發(fā)布就是順應(yīng)了這一現(xiàn)狀。
國(guó)際維修審查委員會(huì)政策委員會(huì)(IMRBPB,International Maintenance Review Board Policy Board)成立于1994年,成員由最初的歐洲聯(lián)合航空局、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局和加拿大民用航空局?jǐn)U大至目前包括中國(guó)民用航空局在內(nèi)的9 家局方。其宗旨是為各型號(hào)的維修審查委員會(huì)(MRB,Maintenance Review Board)提供政策、程序和指導(dǎo),促進(jìn)MRB 與局方的協(xié)調(diào),倡導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化的MRB 政策和程序(包括MSG-3 的持續(xù)修訂)。IMRBPB 每年舉行會(huì)議,討論各國(guó)MRB 活動(dòng)中遇到的技術(shù)與管理問題,這些問題以候選問題紀(jì)要(CIP,candidated issue paper)形式提交,批準(zhǔn)后生成IP(issue paper),其內(nèi)容會(huì)體現(xiàn)在下一版本的MSG-3 文件中。
為符合市場(chǎng)和技術(shù)的發(fā)展形勢(shì),2016年,IMRBPB成立專門工作組,成員包括各國(guó)局方、主制造商、發(fā)動(dòng)機(jī)廠商、航空公司等,研究將AHM 理念融合到MSG-3流程中。經(jīng)過多輪討論,2018年4月IMRBPB 通過了IP 180[15],在目前MSG-3 兩層分析邏輯的基礎(chǔ)上增加第3 層分析,對(duì)具備AHM 能力的系統(tǒng)按需生成AHM 任務(wù),替代傳統(tǒng)的定期檢查任務(wù)。IP180 計(jì)劃正式加入MSG-3 2021 版本中。
自20世紀(jì)80年代MSG-3 誕生及發(fā)展以來,系統(tǒng)/動(dòng)力部分包含兩層分析邏輯,第1 層分析包括:重要維修項(xiàng)目(MSI,maintenance significant item)的選擇,功能、功能失效、失效影響、失效原因的劃分及功能失效類別的判斷;第2 層分析即任務(wù)的選擇。具體分析流程如圖2所示。
圖2 現(xiàn)有MSG-3 流程Fig.2 Logic diagram of MSG-3
IP180 在現(xiàn)有MSG-3 兩層分析的基礎(chǔ)上引入第3層分析,專門用于判斷AHM 系統(tǒng)對(duì)于故障原因的適用性和有效性。類似于兩層分析中任務(wù)的選擇步驟,第3 層分析通過3 個(gè)步驟的問題逐一詢問,判斷基于AHM 系統(tǒng)能否產(chǎn)生替代或部分替代傳統(tǒng)檢查任務(wù)的 AHM 備選方案或混合方案,具體邏輯如圖3所示。
圖3 IP180 邏輯圖Fig.3 Diagram of IP180 logic
IP180 的分析邏輯解決了具有AHM 能力的系統(tǒng)以視情維護(hù)任務(wù)替代按固定間隔執(zhí)行的例行任務(wù),符合當(dāng)前技術(shù)和理念的發(fā)展趨勢(shì),得到了行業(yè)內(nèi)的廣泛支持。但I(xiàn)P180 還面臨較大缺陷,即缺少對(duì)AHM 能力的定位和具體評(píng)定方法,這是將其融合進(jìn)MSG-3 中的前提,也是IMRBPB 會(huì)上爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。雖然IP180 對(duì)此有提及,但僅限于概念和方向,缺少實(shí)質(zhì)性指導(dǎo),工業(yè)方和局方也沒有達(dá)成完全共識(shí),IP180 在實(shí)施過程中面臨無法落地的困境。
由對(duì)IP180 文件的介紹可看出,IP180 的核心前置要求是一套合理可靠的AHM 系統(tǒng)。因此,在采用IP180 進(jìn)行MSG-3 分析前,必須解決AHM 能力的定位和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),涉及機(jī)載系統(tǒng)、空地傳輸鏈和地面分析/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
IP180 中對(duì)AHM 的定義如下:使用飛機(jī)特定系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)來監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)故障或功能退化進(jìn)行探測(cè),以及時(shí)安排維護(hù)行動(dòng)(通常包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)分析和安排維修)。
從定義中可以看出,AHM 能力不直接支持航空器的日常飛行,其是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)健康監(jiān)控與管理的一套綜合系統(tǒng),包含機(jī)載和地面部分,且都由硬件和軟件組成,還需要空地?cái)?shù)據(jù)鏈的支持與配合。
由于AHM 能力的評(píng)定是實(shí)施IP180 分析邏輯的前提和重要條件,結(jié)合AHM 的定義和定位,建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定。
3.2.1 機(jī)載系統(tǒng)
AHM 的機(jī)載系統(tǒng)可分為兩大類方案:①基于現(xiàn)有飛機(jī)機(jī)載設(shè)備和傳感器的AHM 數(shù)據(jù)采集方案;②加裝或改裝為獨(dú)立的AHM 系統(tǒng)。這兩套方案的共同需求是能夠提供滿足AHM 工作所需要的數(shù)據(jù)以供航空器運(yùn)營(yíng)人進(jìn)行監(jiān)控和分析,且所有設(shè)備均需經(jīng)過局方認(rèn)可。在設(shè)計(jì)階段,方案①屬于將AHM 能力融入系統(tǒng),只需依照所屬系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估,提取關(guān)鍵要素并說明具體的使用情況;而方案②由于是獨(dú)立系統(tǒng),航空器在運(yùn)行過程中不會(huì)直接使用到該系統(tǒng),因而其可靠性要求可稍低于前者,但由于AHM 系統(tǒng)影響了維修大綱的制定,間接影響到了飛機(jī)適航性,應(yīng)參考文獻(xiàn)[16]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì),且需要進(jìn)行獨(dú)立評(píng)定,從功能的完整性、可靠性、冗余性等方面完成相關(guān)報(bào)告或試驗(yàn)。綜合來看,方案①因無需增加額外設(shè)備而更易實(shí)施,也更易被局方接受。兩種方案具體圖例如圖4所示。
圖4 AHM 框架Fig.4 Framework of AHM
3.2.2 空地傳輸鏈
方案①由于并不是獨(dú)立系統(tǒng),空地通訊需要依附于已有的機(jī)載設(shè)備?,F(xiàn)今,越來越多的飛機(jī)開始配備機(jī)載WIFI 設(shè)備,并基于陸地基站和衛(wèi)星開展通訊,能夠提供較大的帶寬,但數(shù)據(jù)連接的穩(wěn)定性和延遲問題得不到有效解決,且在帶寬并不特別富裕的情況下,當(dāng)乘客或AHM任意一方數(shù)據(jù)傳輸量突發(fā)峰值都有可能導(dǎo)致另一方無法正常通訊。對(duì)乘客施以QoS(quality of service)限制以保證AHM 的帶寬,是現(xiàn)有條件下的一種妥協(xié)。而方案②中,由于AHM 系統(tǒng)獨(dú)立,空地通訊可以使用獨(dú)立設(shè)備,帶寬就有了保障,但由于高帶寬通訊手段仍然基于空地或衛(wèi)星通訊,數(shù)據(jù)連接的不穩(wěn)定性和延遲仍然是需要解決的問題。
由于AHM 數(shù)據(jù)的特殊性及帶寬的限制,合理的數(shù)據(jù)加密手段和數(shù)據(jù)壓縮算法及校驗(yàn)碼是必要的??紤]到機(jī)載設(shè)備計(jì)算能力限制,加密方案、壓縮算法及校驗(yàn)算法不宜過于復(fù)雜,以避免高算力導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱,進(jìn)而影響電子設(shè)備艙的運(yùn)行溫度。
在不能保障數(shù)據(jù)連接穩(wěn)定性的情況下,確認(rèn)飛機(jī)連接狀態(tài)及連接丟失恢復(fù)后如何獲取丟包的狀態(tài)成了另一個(gè)問題。通??梢圆扇☆愃菩奶臋C(jī)制,定時(shí)交換空地?cái)?shù)據(jù),并實(shí)時(shí)糾錯(cuò)。通過數(shù)據(jù)包頭部編號(hào)可得知是否存在丟包現(xiàn)象,并可要求航空器按照丟失的編號(hào)重新發(fā)送數(shù)據(jù)包,以確保數(shù)據(jù)完整性。具體數(shù)據(jù)鏈框架如圖5所示。
圖5 空地?cái)?shù)據(jù)鏈框架圖Fig.5 Framework of air-ground datalink
3.2.3 地面分析/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
商業(yè)運(yùn)行環(huán)境中,保障數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及平臺(tái)運(yùn)行的安全穩(wěn)定需要放在首位。硬件設(shè)備必須存放或托管于A級(jí)機(jī)房中,且必須有異地容災(zāi)備份方案并按需進(jìn)行冷備。租用數(shù)據(jù)中心比自建成本低,但同時(shí)也產(chǎn)生了更多不可控情況及數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和平臺(tái)運(yùn)行必須在物理上進(jìn)行隔離,以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。隨著機(jī)隊(duì)的增長(zhǎng)擴(kuò)容,系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮擴(kuò)展性,以適應(yīng)未來發(fā)展趨勢(shì)。考慮技術(shù)發(fā)展進(jìn)程,由機(jī)器學(xué)習(xí)來訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型是大勢(shì)所趨,因而設(shè)備需要具備機(jī)器學(xué)習(xí)的算力。
軟件平臺(tái)的穩(wěn)定性是重中之重,由于數(shù)據(jù)量龐大,選擇合適的數(shù)據(jù)庫是首要任務(wù)。AHM 終端依靠地面軟件平臺(tái),因此該平臺(tái)應(yīng)具有故障報(bào)警、故障預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)調(diào)取、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、空地連接狀態(tài)顯示等基本功能,預(yù)留API(application programming interface)可方便接入航空公司的計(jì)劃部門、航材部門和運(yùn)行部門,進(jìn)一步帶動(dòng)航空公司降本增效。
3.2.4 AHM 系統(tǒng)綜合評(píng)定
在完成上述各項(xiàng)分析和評(píng)定后,還需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施綜合評(píng)定。實(shí)際上線前需進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)以確定系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能實(shí)現(xiàn)規(guī)劃功能,滿足初期設(shè)計(jì)需求。AHM 必須經(jīng)歷數(shù)據(jù)采集和處理(采集數(shù)據(jù)用于確認(rèn)退化特性曲線以確認(rèn)告警閾值及確認(rèn)空地通訊系統(tǒng)可靠穩(wěn)定)、健康監(jiān)控(故障報(bào)警,確認(rèn)系統(tǒng)可在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)告知地面監(jiān)控人員并驗(yàn)證設(shè)定閾值是否合理)、健康管理(系統(tǒng)模擬上線,利用設(shè)定的閾值實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)驗(yàn)證)、正式上線使用。
從系統(tǒng)工程和可靠性的角度考量,建議分步實(shí)施,從簡(jiǎn)單系統(tǒng)到復(fù)雜系統(tǒng),從一般系統(tǒng)到重要系統(tǒng),逐步積累和總結(jié),并不斷完善。
AHM 系統(tǒng)的綜合性決定了其開發(fā)與運(yùn)用涉及局方、工業(yè)方、航空公司、科研院所、軟件廠商等,需要各方積極參與和共同推動(dòng)。從國(guó)內(nèi)民機(jī)發(fā)展的角度,應(yīng)由飛機(jī)制造商牽頭,將民機(jī)研發(fā)運(yùn)行的上下游(設(shè)計(jì)方、運(yùn)行方、部件廠商、航空公司)協(xié)同起來,打通整個(gè)技術(shù)過程和路徑,與局方共同建立統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或指南。
按照上文所提原則建立起完整的AHM 系統(tǒng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)體系后,即可對(duì)現(xiàn)有的AHM 系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)或測(cè)試,如符合標(biāo)準(zhǔn),IP180 的前置條件可判斷為滿足,可將其運(yùn)用于MSG-3 來開展具體的第3 層分析過程。
針對(duì)隱性故障任務(wù),以傳統(tǒng)任務(wù)目視檢查剎車指示銷為例:某采用電剎車機(jī)型現(xiàn)有任務(wù)為目視檢查剎車指示銷,間隔為100 飛行循環(huán)(FC,flight cycle)。在額外采集電剎車作動(dòng)器電機(jī)電壓的數(shù)據(jù)后,可通過該數(shù)據(jù)判斷剎車盤磨損狀態(tài),并在即將到達(dá)閾值時(shí)發(fā)出剎車組件更換需求信息。該數(shù)據(jù)可選擇傳輸?shù)降孛婢S修中心,將傳統(tǒng)的人工目視檢查剎車指示銷轉(zhuǎn)變?yōu)橐暻榈腁HM 替代方案。傳統(tǒng)任務(wù)目視檢查剎車指示銷IP180 替代方案如表1所示。
表1 IP180 替代案例1Tab.1 Alternative case 1 to IP180
從表1可看出,在AHM 介入后,一線機(jī)務(wù)無需再執(zhí)行該檢查任務(wù),而是將任務(wù)轉(zhuǎn)移到地面監(jiān)控人員或監(jiān)控平臺(tái),并直接將故障信息傳遞給維修計(jì)劃部門,極大地減少了例行檢查任務(wù)所消耗的人工時(shí)。
針對(duì)具有退化特性的被檢測(cè)件,以再循環(huán)空氣過濾器為例:假設(shè)某機(jī)型再循環(huán)空氣過濾器傳統(tǒng)任務(wù)報(bào)廢間隔為1 000 飛行小時(shí)(FH,flight hour),通過在濾器和循環(huán)風(fēng)扇之間增加1 個(gè)壓差傳感器,地面工程人員可通過壓差變化分析最佳報(bào)廢時(shí)間。傳統(tǒng)任務(wù)報(bào)廢再循環(huán)空氣過濾器的IP180 替代方案如表2所示。
表2 IP180 替代方案2Tab.2 Alternative case 2 to IP180
從這個(gè)例子可以看到,由于AHM 介入,地面工程師可以通過分析數(shù)據(jù)確認(rèn)報(bào)廢時(shí)間,避免了過度維修的情況,延長(zhǎng)了任務(wù)間隔,降低任務(wù)頻率,有效減少了人工時(shí)和航材成本。
其他如通過分析數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)來替代定期功能檢查,依照分析結(jié)果靈活安排拆換任務(wù),有效提高飛機(jī)利用率等優(yōu)點(diǎn),不再舉例展開描述。
雖然國(guó)內(nèi)部分航空公司已開始使用類似AHM 的系統(tǒng)實(shí)施健康管理工作,但尚沒有從源頭上影響現(xiàn)行有效的計(jì)劃維修要求,成效有限。IP180 文件雖然規(guī)范了相關(guān)分析邏輯,但并沒有明確指出AHM 技術(shù)實(shí)施的實(shí)際需求。通過解讀IP180,初步總結(jié)了AHM 系統(tǒng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)并提出了具體建議和實(shí)施路徑,相關(guān)細(xì)節(jié)仍需要由局方和工業(yè)方進(jìn)一步細(xì)化標(biāo)準(zhǔn),并在行業(yè)內(nèi)積極嘗試,以點(diǎn)帶面并不斷總結(jié)。
目前,中國(guó)對(duì)融合AHM 理念的MSG-3 分析邏輯研究和使用與國(guó)際主流民機(jī)制造商處于同一起跑線。AHM 系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用需要整條產(chǎn)業(yè)鏈自上而下地配合,中國(guó)民航產(chǎn)業(yè)鏈完整,機(jī)隊(duì)數(shù)量龐大,運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富,國(guó)產(chǎn)民機(jī)制造商在AHM 方面的拓展與應(yīng)用有望與國(guó)際主流民機(jī)制造商并跑甚至實(shí)現(xiàn)局部領(lǐng)先。