陸云龍 齊 樂 王洪瑋
(1、天津航空機(jī)電有限公司,天津300308 2、空裝駐天津地區(qū)第二軍事代表室,天津300300)
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,飛機(jī)的綜合化、復(fù)雜化、智能化程度也隨之提高。對(duì)機(jī)載設(shè)備的多功能、高聚合的要求也越來越高,同時(shí)機(jī)載設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境更加惡劣,導(dǎo)致飛機(jī)設(shè)備的失效模式多種多樣,故障傳播的影響更加復(fù)雜[1]。傳統(tǒng)的基于“事后維修”和“計(jì)劃維修”的被動(dòng)維修保障模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化多電/全電飛機(jī)的需求。出于飛機(jī)的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等多方面考慮,故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)(Prognostics and Health Management,PHM)日益受到更多的重視,并應(yīng)用于以預(yù)測(cè)技術(shù)為核心的策略。作為實(shí)現(xiàn)視情維修和自主保障的重要技術(shù)手段,PHM技術(shù)已經(jīng)在航空等領(lǐng)域開展了廣泛的研究[2-4]。
然而,現(xiàn)有的飛機(jī)級(jí)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)架構(gòu)體系的應(yīng)用重點(diǎn)放在了發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)機(jī)體及材料結(jié)構(gòu)、飛行控制系統(tǒng)和航空電子系統(tǒng)等,尚未建立專門針對(duì)配電系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與健康管理架構(gòu)。
配電系統(tǒng)作為機(jī)上電源系統(tǒng)的不可缺失的組成部分,因?yàn)槠渑c機(jī)上絕大部分設(shè)備有著交聯(lián)關(guān)系,為PHM系統(tǒng)的信息采集、處理以及健康管理的執(zhí)行提供了極大地便利條件,成為了PHM系統(tǒng)中不可或缺的一部分。如今國(guó)內(nèi)民、軍機(jī)電源系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的研究尚在起步階段,民機(jī)C919以及ARJ21開展了配電系統(tǒng)PHM技術(shù)初步研究。雖然目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)PHM的研究成果較少,但針對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)中各分系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵部件已經(jīng)計(jì)劃開展故障診斷和預(yù)測(cè)方法研究。配電產(chǎn)品作為配電系統(tǒng)中主要組成設(shè)備,成為了最靠近用電設(shè)備的一個(gè)環(huán)節(jié),因此也成為了最能反映用電設(shè)備真實(shí)狀態(tài)以及用電設(shè)備最終使用的電源品質(zhì)的一級(jí)設(shè)備。如今,在一些新型研制的飛機(jī)型號(hào)中,已經(jīng)對(duì)配電產(chǎn)品的健康管理功能提出了要求。因此,配電產(chǎn)品的PHM技術(shù)的研究成為了必然的趨勢(shì)。
本文就配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),從飛機(jī)系統(tǒng)對(duì)配電產(chǎn)品的要求出發(fā),進(jìn)行架構(gòu)的分解,形成配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu)。
故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)概括來說,就是將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合,由計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的模型,依據(jù)相應(yīng)的算法得到檢測(cè)目標(biāo)當(dāng)前的狀態(tài)和未來一段時(shí)間的變化趨勢(shì)。故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)主要包括“健康管理”和“故障預(yù)測(cè)”兩部分內(nèi)容[5-7]。故障預(yù)測(cè),即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài),確定部件正常工作的時(shí)間長(zhǎng)度;健康管理,即根據(jù)診斷、預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策[8-10]。PHM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括:故障診斷自動(dòng)化程度高,其精準(zhǔn)性、時(shí)效性好;能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)測(cè),降低維修成本,提高裝備實(shí)時(shí)可靠性等[11]。
PHM的一般技術(shù)框架按照對(duì)象層、數(shù)據(jù)層、信息層及決策層的層次結(jié)構(gòu)劃分,如圖1所示。
圖1 PHM的一般技術(shù)框架
基于PHM的一般技術(shù),結(jié)合配電產(chǎn)品的功能性能,設(shè)計(jì)配電產(chǎn)品匹配的PHM總體架構(gòu),如圖2所示。
圖2 配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu)
基于圖2所示的配電產(chǎn)品的PHM總體架構(gòu),對(duì)各層次進(jìn)行分析,提取接口數(shù)據(jù)定義。
PHM系統(tǒng)外部接口圖如圖3所示。
圖3 配電產(chǎn)品外部接口
2.1.1 接口定義
2.1.1.1 電源接口:為配電產(chǎn)品提供功率電源、工作電源,通過機(jī)上功率線纜將機(jī)上電源與配電產(chǎn)品連接。
2.1.1.2 上位機(jī)接口:為配電產(chǎn)品提供與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互的接口,通過機(jī)上通訊總線將上位機(jī)與配電產(chǎn)品連接。
2.1.1.3 負(fù)載接口:配電產(chǎn)品通過該接口為各負(fù)載分配電能,通過機(jī)上功率線纜將機(jī)上負(fù)載與配電產(chǎn)品連接。
2.1.2 接口數(shù)據(jù)
表1 配電產(chǎn)品外部接口數(shù)據(jù)
2.2.1 功能定義
作為健康管理系統(tǒng)內(nèi)的物理基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)物理數(shù)據(jù)的輸入以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出功能,是PHM系統(tǒng)的被測(cè)對(duì)象之一,接收所有被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)。
2.2.2 數(shù)據(jù)處理
表2 物理層數(shù)據(jù)
2.2.3 層級(jí)間接口
表3 物理層接口
2.3.1 功能定義
分析層在健康管理系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)對(duì)感知層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和特征提取,形成特征數(shù)據(jù)和故障診斷層所需數(shù)據(jù)。
2.3.2 數(shù)據(jù)處理
對(duì)電源電壓U、電源電路I輸出電壓u、功率管漏源極電壓UDS、輸出電壓i、功率管漏源極電流IDS、電纜阻抗信號(hào)、負(fù)載電壓、負(fù)載電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,如電壓/電流均值濾波、狀態(tài)判定,電流時(shí)頻域分析,入射信號(hào)與反射信號(hào)相關(guān)運(yùn)算等操作,同時(shí)從接收到的數(shù)據(jù)中提取出電壓/電流時(shí)域特征、電流頻域特征、電纜阻抗特征等特征信息。
2.3.3 層級(jí)間接口
表4 分析層接口
2.4.1 功能定義
故障診斷層在健康管理系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)依據(jù)前一層所提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障診斷,進(jìn)行故障和狀態(tài)判斷。
2.4.2 數(shù)據(jù)處理
2.4.2.1 進(jìn)行簡(jiǎn)單算法故障診斷
依據(jù)分析層傳遞過來的特征信息和處理后的信息,利用簡(jiǎn)單的邏輯和數(shù)據(jù)對(duì)比,進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)判斷,如過欠壓檢測(cè)、BIT檢測(cè)、電弧檢測(cè)與定位、短路開路檢測(cè)。
2.4.2.2 進(jìn)行復(fù)雜算法故障診斷
依據(jù)分析層傳遞過來的特征信息和處理后的信息以及原始數(shù)據(jù)信息,結(jié)合成熟的數(shù)據(jù)算法,如故障字典、混合邏輯算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊自適應(yīng)算法,進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理,取得算法結(jié)果用于進(jìn)一步的故障預(yù)測(cè)。
2.4.3 層級(jí)間接口
表5 故障診斷層接口
2.5.1 功能定義
故障預(yù)測(cè)層在健康管理系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)依據(jù)前一層所提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障預(yù)測(cè),形成故障預(yù)測(cè)結(jié)果。
2.5.2 數(shù)據(jù)處理
依據(jù)故障診斷層傳遞過來的故障、狀態(tài)診斷結(jié)論信息和復(fù)雜算法處理的數(shù)據(jù)信息,通過專家知識(shí)處理,如經(jīng)典數(shù)據(jù)庫、負(fù)載特性庫、故障模式統(tǒng)計(jì)庫檢索等方式,對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行故障預(yù)測(cè),包括對(duì)負(fù)載端、線纜端、電源端,得到電纜絕緣層老化失效預(yù)測(cè)結(jié)果、負(fù)載故障預(yù)測(cè)結(jié)果等。
2.5.3 層級(jí)間接口
表6 故障預(yù)測(cè)層接口
2.6.1 功能定義
健康管理層在健康管理系統(tǒng)作為最高層,負(fù)責(zé)最終的健康管理判斷,得到合理的健康管理處理方式判斷。
2.6.2 數(shù)據(jù)處理
依據(jù)故障診斷層傳遞過來的故障、狀態(tài)診斷結(jié)論信息和復(fù)雜算法處理的數(shù)據(jù)信息,和故障預(yù)測(cè)層的故障預(yù)測(cè)結(jié)果,依托于配電產(chǎn)品的管理權(quán)限,進(jìn)行故障隔離與重構(gòu)、負(fù)載管理、任務(wù)規(guī)劃以及維護(hù)/維修定位等操作。
本文結(jié)合故障預(yù)測(cè)和健康管理一般架構(gòu),從配電產(chǎn)品的功能性能出發(fā),搭建了配電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)與健康管理總體架構(gòu),并對(duì)架構(gòu)中各層次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與接口設(shè)定。為后續(xù)配電產(chǎn)品PHM技術(shù)的研究和發(fā)展提供了方向,也為配電網(wǎng)絡(luò)如何融入飛機(jī)PHM系統(tǒng)中提供了思路。