魏元雷

(上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，上海 2000241)

0 引言

在民航維修領(lǐng)域，飛機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)(prognostics and health management，簡稱PHM)已獲得了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以適應(yīng)預(yù)測(cè)維修、精準(zhǔn)維修、智能維修的發(fā)展趨勢(shì)。波音、空客等民機(jī)巨頭正在利用其在飛機(jī)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定及系統(tǒng)集成方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和豐富經(jīng)驗(yàn)，借助其在飛機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取、分析技術(shù)、市場(chǎng)領(lǐng)先地位，不僅開發(fā)出廣受歡迎的AHM、AIRMAN技術(shù)服務(wù)，還積極推出了一系列大數(shù)據(jù)分析與運(yùn)行支持平臺(tái)，如波音的AnalytX、空客的Skywise、GE的Predix/APM、Honeywell的FORGE，建立新的航空維修數(shù)字服務(wù)生態(tài)環(huán)境，將形成行業(yè)核心技術(shù)、市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)鏈的壟斷前景?？陀^上，上述服務(wù)優(yōu)化了航空公司運(yùn)營、提升了機(jī)隊(duì)維護(hù)效率和飛機(jī)性能。但對(duì)國外技術(shù)和服務(wù)產(chǎn)品的依賴，我國將失去航空維修產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)權(quán)，面臨極大的數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)和重大經(jīng)濟(jì)損失等隱患。國內(nèi)航空公司和飛機(jī)主制造商目前已開始重視自主開發(fā)健康管理系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品，以規(guī)避上述風(fēng)險(xiǎn)。

然而，目前我國民機(jī)PHM系統(tǒng)研制和標(biāo)準(zhǔn)編制總體還處于起步跟蹤階段，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃、研究和制定成果匱乏，已成為制約我國民機(jī)PHM系統(tǒng)研制和應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸之一。歐美國家在PHM標(biāo)準(zhǔn)研究和制定方面已建成成熟體系，獲得了蓬勃發(fā)展，因此非常有必要分析借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)。本文全面系統(tǒng)研究了現(xiàn)有的國外PHM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系和應(yīng)用范圍，提出了我國民機(jī)PHM標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)規(guī)劃建議。

1 概述

國外以SAE、MIMOSA、ARINC和FAA為代表的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)組織，基于系統(tǒng)工程的方法論，分工協(xié)作，共同構(gòu)建起飛機(jī)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系，包含了應(yīng)遵循的適航規(guī)章、需求與技術(shù)要求、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接口、驗(yàn)證與評(píng)價(jià)、開發(fā)實(shí)施與系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)也針對(duì)PHM機(jī)載和地面系統(tǒng)中應(yīng)用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，涵蓋了機(jī)電/航電系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、APU、機(jī)體結(jié)構(gòu)等典型系統(tǒng)部件，發(fā)布了技術(shù)規(guī)范、指南和實(shí)用信息報(bào)告。

國際上主要的民機(jī)健康管理標(biāo)準(zhǔn)組織和機(jī)構(gòu)，如：美國汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)、機(jī)械信息管理開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(MIMOSA)、美國航空無線電公司(ARINC)、美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)、美國航空無線電委員會(huì)(RTCA)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)等，所編寫的針對(duì)IVHM/EHM/HUMS的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其各自的研究方向和面向領(lǐng)域如圖1所示。

圖1 國外健康管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織

SAE標(biāo)準(zhǔn)體系側(cè)重于飛機(jī)及其成員系統(tǒng)PHM、發(fā)動(dòng)機(jī)EHM、飛機(jī)結(jié)構(gòu)SHM、直升機(jī)HUMS等。對(duì)民用固定翼和旋翼飛機(jī)都可用，適用于健康管理系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)、研制、驗(yàn)證、實(shí)施過程。同時(shí)為符合適航當(dāng)局的要求，還需遵循相關(guān)FAA、ARINC、RTCA的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于電子系統(tǒng)PHM測(cè)試和診斷信息的通用描述，可用于飛機(jī)航電系統(tǒng)PHM的規(guī)劃與開發(fā)。MIMOSA的OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)適用于視情維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及CBM系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換。目前ISO機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷(CM&D)系列標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)機(jī)、液壓、電力領(lǐng)域。

2 飛機(jī)健康管理(PHM)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 SAE HM-1委員會(huì)

SAE HM-1標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(SAE HM-1 Integrated Vehicle Health Management Committee)成立于2010年，成員來自O(shè)EM廠商如Airbus、Boeing、BAE、EUROCOPTER、GE、Pratt & Whitney、Rolls-Royce、Goodrich、Honeywell、Meggitt、Parker Aerospace等，政府與監(jiān)管當(dāng)局如EASA、FAA、ICAO、Transport Canada，航空公司如United Airlines、Lufthansa，研究機(jī)構(gòu)如NASA、Cranfield University等，該委員會(huì)的主要職責(zé)是：跟蹤分析行業(yè)最新IVHM需求、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，為IVHM設(shè)定健康管理標(biāo)準(zhǔn)的路線圖，制定相關(guān)的SAE標(biāo)準(zhǔn)，并監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用與修訂。

健康管理組織目標(biāo)涉及了運(yùn)營人、系統(tǒng)供應(yīng)商、主制造商等多個(gè)利益攸關(guān)方，同時(shí)健康管理對(duì)象涉及所有機(jī)載成員系統(tǒng)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)等多級(jí)多個(gè)系統(tǒng)、多個(gè)學(xué)科，健康管理對(duì)象、功能、特點(diǎn)、架構(gòu)等不全相同，因此，確定明確的組織目標(biāo)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、開發(fā)流程相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)框架是第一步。該委員會(huì)2012年確定了需要編寫的標(biāo)準(zhǔn)體系，覆蓋了組織目標(biāo)、系統(tǒng)需求、架構(gòu)、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)、實(shí)施與應(yīng)用，構(gòu)建了健康管理頂層標(biāo)準(zhǔn)體系。

SAE HM-1截至2021年4月已經(jīng)編制發(fā)布18項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[1-18]，正在編制的標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)5項(xiàng)[19]，下文將全面分析描述SAE HM-1編制發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.1 系統(tǒng)組織目標(biāo)

ARP6275提供了在航空器上實(shí)施IVHM時(shí)的成本效益分析(CBA)的方法，需要考慮復(fù)雜特性、執(zhí)行CBA的不同工具和方法，用于評(píng)估投資回報(bào)。

AIR6900給出了IVHM設(shè)計(jì)批準(zhǔn)、運(yùn)營人以及MRO的一系列適航法規(guī)、政策和指導(dǎo)文件，這是IVHM解決方案獲得適航批準(zhǔn)的基礎(chǔ)，是型號(hào)合格證(TC)、補(bǔ)充型號(hào)合格證(STC)、修訂TC或修訂STC活動(dòng)的一部分。飛機(jī)運(yùn)營人將IVHM作為飛機(jī)維修計(jì)劃的一部分，也是飛機(jī)運(yùn)營許可證授權(quán)批準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

ARP7122給出了飛機(jī)運(yùn)行階段使用IVHM系統(tǒng)完成維修信用(MC)的過程，以檢查單和示例的形式詳細(xì)說明了標(biāo)準(zhǔn)化流程。使用IVHM系統(tǒng)輔助飛機(jī)維修程序，多家IVHM系統(tǒng)已經(jīng)獲得適航當(dāng)局批準(zhǔn)。FAA已經(jīng)發(fā)布了咨詢通告指導(dǎo)IVHM系統(tǒng)適航認(rèn)證的申請(qǐng)和實(shí)施，本文旨在就如何批準(zhǔn)此類系統(tǒng)獲得MC提供更具規(guī)范的指導(dǎo)，涵蓋了IVHM機(jī)載和地面系統(tǒng)。

2.1.2 需求分析

ARP6883給出了飛機(jī)IVHM系統(tǒng)需求編寫指南，提供了IVHM功能需求和技術(shù)要求開發(fā)的一種系統(tǒng)化方法，重點(diǎn)是IVHM的獨(dú)特要素和準(zhǔn)則、各利益攸關(guān)方的一般要求和關(guān)注點(diǎn)、需求分解結(jié)構(gòu)，還提供了IVHM完整的基于系統(tǒng)工程的開發(fā)流程、波音787、A350、F-35、AH-6健康管理系統(tǒng)需求編制實(shí)際樣例。

JA6268給出了飛機(jī)健康就緒部件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與運(yùn)行數(shù)據(jù)交換規(guī)范，系統(tǒng)各功能層級(jí)之間數(shù)據(jù)交換規(guī)范的最佳實(shí)踐和指南，以便將部件和子系統(tǒng)IVHM功能集成到飛機(jī)或平臺(tái)級(jí)別的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能退化的跟蹤監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.1.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

ARP6407從可行性評(píng)估、概念設(shè)計(jì)分析以及開發(fā)階段為IVHM設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，并考慮了權(quán)衡研究、技術(shù)指標(biāo)和生命周期影響。

AIR6915提供了設(shè)計(jì)和實(shí)施軍用和民用固定翼飛機(jī)IVHM時(shí)應(yīng)考慮的人為因素。這些因素涵蓋了機(jī)組人員和維修人員根據(jù)IVHM系統(tǒng)的輸出所采取的感知、分析和行動(dòng)。

AS4831A給出了IVHM地面系統(tǒng)的軟件接口規(guī)范，為IVHM地面系統(tǒng)用于多個(gè)制造商的設(shè)備狀態(tài)和性能監(jiān)控，建立了軟件輸入和輸出接口規(guī)范。接口標(biāo)準(zhǔn)化有利于提高IVHM業(yè)務(wù)靈活性和效率以及成本效益(例如：更易于實(shí)施)。

ARP6290將為創(chuàng)建IVHM系統(tǒng)架構(gòu)提供最佳實(shí)踐和指導(dǎo)，還將提供架構(gòu)設(shè)計(jì)參考工具、參考案例。本項(xiàng)指南把ISO13374 CBM系統(tǒng)的功能層納入IVHM架構(gòu)開發(fā)的具體準(zhǔn)則。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)目前還是草案。

2.1.4 驗(yàn)證與確認(rèn)

ARP6887將涵蓋IVHM系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)過程中各節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)和活動(dòng)，以確保IVHM系統(tǒng)的高質(zhì)量和安全級(jí)別。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)目前還是草案。

2.1.5 系統(tǒng)實(shí)施

ARP6803探討了IVHM功能的全面構(gòu)建，提供了與IVHM相關(guān)的概念、技術(shù)和實(shí)現(xiàn)的頂層視圖，但沒有提供詳細(xì)的實(shí)施步驟。

JA6097給出了發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)系統(tǒng)在長期運(yùn)營成本最低的條件下，基于可靠性模型優(yōu)化維護(hù)成本、制定系統(tǒng)維修方案的方法。

JA1013將給出一些視情維修(CBM)最佳實(shí)踐，視情維修實(shí)施路徑，包括設(shè)計(jì)和運(yùn)行支持階段。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)目前還是草案。

2.2 SAE E-32委員會(huì)

SAE E-32航空航天推進(jìn)系統(tǒng)健康管理委員會(huì)發(fā)布了一系列燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋了EHM機(jī)載與地面系統(tǒng)架構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、氣路溫度、傳動(dòng)系統(tǒng)、APU監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)等具體監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)規(guī)范和要求。

現(xiàn)行有效SAE E-32標(biāo)準(zhǔn)總計(jì)19項(xiàng)，截至2021年4月共發(fā)布30項(xiàng)[20-49]、在編1項(xiàng)、在修訂6項(xiàng)、作廢12項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[50]。2011年AIR1872B作廢，2009年AIR4986A作廢；2016年AIR1873A、AIR4061C、AIR4175B、AIR5120A四個(gè)AIR合并成ARP5120；2015年AIR4176A作廢并由ARP4176A代替，2020年ARP4176A作廢并由ARP6275代替；2017年AS8054A、AIR1839D作廢，都由ARP1839代替。AIR4985和AIR5909將作廢，由2020年10月發(fā)布的AIR7999代替。

2.2.1 EMS體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1981年SAE發(fā)布了ARP1587《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)指南》，2013年發(fā)布了B版。在E-32的EHM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，ARP1587屬于基石文件，該標(biāo)準(zhǔn)給出了關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理(EHM)系統(tǒng)完整的頂層體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)選項(xiàng)。這個(gè)關(guān)鍵里程碑式的規(guī)范提供了EHM頂層視圖，給出了EHM的系統(tǒng)描述、功能、優(yōu)勢(shì)、示例，并提供了具有參考價(jià)值的實(shí)例，解決了一般性的實(shí)施問題，但沒有提供詳細(xì)的實(shí)施步驟。

AIR1871給出了EHM開發(fā)實(shí)施“經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)”，針對(duì)多個(gè)類型的發(fā)動(dòng)機(jī)EHM開發(fā)案例，給出了簡要的技術(shù)描述、設(shè)計(jì)要求、研發(fā)成就、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和未來建議，包含了EHM地面系統(tǒng)、金屬屑末、滑油、傳動(dòng)等系統(tǒng)。

2020年10月發(fā)布的AIR5871A發(fā)動(dòng)機(jī)故障預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，給出了故障預(yù)測(cè)的含義、能力和局限性，以及現(xiàn)有故障預(yù)測(cè)方法的使用指南和示例，但沒有涉及驗(yàn)證和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

ARP5120《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)開發(fā)與集成指南》提供了適用于端到端EHM系統(tǒng)開發(fā)的最佳實(shí)踐推薦、程序和技術(shù)，以指導(dǎo)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置(APU)的高可靠性EHM系統(tǒng)的軟硬件功能設(shè)計(jì)、開發(fā)、集成、驗(yàn)證和確認(rèn)。本規(guī)范也給出了EHM系統(tǒng)研制要素、方法、活動(dòng)和技術(shù)要求，包含了EHM系統(tǒng)的機(jī)載部分和地面部分，以開發(fā)和驗(yàn)證高可靠度EHM。

ARP5120提供了典型EHM系統(tǒng)參數(shù)需求、樣本參數(shù)矩陣、接口參數(shù)類型、信號(hào)數(shù)據(jù)處理方法，考慮了氣路性能、機(jī)械參數(shù)、低周疲勞和發(fā)動(dòng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)記錄，EHM地面系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)需求和維修系統(tǒng)接口需求。

2.2.2 EMS性能評(píng)估指標(biāo)

AIR7999《發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測(cè)指標(biāo)體系》融合擴(kuò)展了以前發(fā)布的AIR4985《發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的量化評(píng)價(jià)方法》和AIR5909《EHM系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)指標(biāo)》，以適應(yīng)近年來發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，提供了故障診斷與預(yù)測(cè)模型算法及EHM系統(tǒng)規(guī)范化的性能和效能度量指標(biāo)體系、必要的指標(biāo)定義和數(shù)據(jù)源。

2.2.3 典型系統(tǒng)及部件PHM標(biāo)準(zhǔn)

AIR1828C給出了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指南，描述了滑油系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)、金屬屑末監(jiān)測(cè)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)、方法、分析及應(yīng)用。

ARP1839《航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EVM)指南》重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素，也描述了目前正在使用的EVM系統(tǒng)及其未來發(fā)展趨勢(shì)。AS5391、AS5392、AS5393、AS5394、AS5395涵蓋了HUMS更多方面。

AIR4174A給出了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指南，可以幫助管理層、設(shè)計(jì)人員和用戶確定發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求、定義技術(shù)成熟度和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和組件選擇、優(yōu)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能和成本效益。涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件、接口、傳動(dòng)裝置、齒輪箱、吊架軸承、軸系和相關(guān)旋轉(zhuǎn)附件、螺旋槳和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

AIR5317A《飛機(jī)輔助動(dòng)力單元(APU)健康管理指南》給出了APU主要監(jiān)測(cè)參數(shù)清單和數(shù)據(jù)處理方法，為健康管理系統(tǒng)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

AIR1900A給出了發(fā)動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測(cè)元件和系統(tǒng)選用指南，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)區(qū)域溫度測(cè)量方法和監(jiān)測(cè)硬件的選擇準(zhǔn)則。AIR65給出了幾種典型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱電偶的性能及修正方法，以校正熱電偶的設(shè)計(jì)、傳導(dǎo)、輻射、響應(yīng)速度和氣體速度的影響。ARP690給出了測(cè)量空氣與排氣溫度的標(biāo)準(zhǔn)無遮蔽連接熱電偶設(shè)計(jì)規(guī)范，包括熱電偶電動(dòng)勢(shì)測(cè)量校正、導(dǎo)桿類型、傳導(dǎo)誤差控制要求等。AIR46B討論了發(fā)動(dòng)機(jī)鎳鎘鋁熱電偶的測(cè)量準(zhǔn)備與使用。ARP464、ARP465B分別給出了發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器表貼安裝設(shè)計(jì)、法蘭結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計(jì)指南。

2.2.4 EHM系統(tǒng)持續(xù)適航要求

ARP5987給出了EHM系統(tǒng)生命周期維護(hù)信用保證流程，提供了EHM系統(tǒng)維護(hù)信用保證流程和檢查表的詳細(xì)使用指導(dǎo)、應(yīng)用案例。它適用于端到端EHM系統(tǒng)的整個(gè)生命周期，包含機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)以檢查單的形式來體現(xiàn)這一標(biāo)準(zhǔn)化流程。該文件沒有規(guī)定EHM硬件或軟件保證水平，其安全保證等級(jí)由“申請(qǐng)人”和適航監(jiān)管機(jī)構(gòu)共同確定。

為了支持飛機(jī)的持續(xù)適航性，SAE E-32委員會(huì)制定了ARP6835《基于持續(xù)適航的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)，特別強(qiáng)調(diào)支持ETOPS運(yùn)行規(guī)章要求，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序必須能在航前確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠在批準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行限制范圍內(nèi)提供所需的最大持續(xù)功率或推力、引氣和功率提取。應(yīng)用EMS系統(tǒng)檢測(cè)、預(yù)測(cè)這種惡化或故障征兆，對(duì)減少機(jī)隊(duì)運(yùn)行事件和中斷至關(guān)重要。EMS預(yù)測(cè)和檢測(cè)的準(zhǔn)確性應(yīng)該保證在允許范圍。

2.3 SAE AISCSHM委員會(huì)

截至目前，SAE AISC-SHM(Aerospace Industry Steering Committee on Structural Health)已發(fā)布3項(xiàng)、正在編制1項(xiàng)共計(jì)4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[51-53]，涉及了固定翼和旋翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)施、損傷檢測(cè)能力評(píng)估分析、適航要求。

ARP6461提供了固定翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)施指南，適用于SHM的定義、開發(fā)和認(rèn)證。

AIR6892提供了旋翼飛機(jī)SHM技術(shù)的定義、開發(fā)、集成、認(rèn)證和部署方面的指導(dǎo)。重點(diǎn)解決旋翼飛機(jī)上實(shí)施SHM的獨(dú)特性，沒有重復(fù)ARP6461中的通用部分。

ARP6821提供了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)損傷檢測(cè)能力評(píng)估指南。該指南給出了量化評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)SHM系統(tǒng)的能力。

AIR6245給出了軍方和工業(yè)方關(guān)于SHM的要求與難點(diǎn)，幫助SHM系統(tǒng)開發(fā)人員理解軍方發(fā)布的大量適航規(guī)章、要求和標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 FAA 標(biāo)準(zhǔn)組織

PHM系統(tǒng)應(yīng)遵循的適航規(guī)范，主要包括FAA AC43-218、FAA Order 8110.49、FAA 25-356-SC及FAA AC29C MG-15。

FAA AC43-218《飛機(jī)綜合健康管理系統(tǒng)(IAHM)的運(yùn)行批準(zhǔn)》給出了飛機(jī)健康管理系統(tǒng)可接受的端到端開發(fā)流程、方法指南與適航符合性要求。即將發(fā)布的AC43-218將為運(yùn)營人獲得飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)持續(xù)適航符合性批準(zhǔn)提供指導(dǎo)。該文件包括以下幾方面內(nèi)容：

1)提供IAHM系統(tǒng)開發(fā)指南，包括飛機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析/實(shí)施；

2)描述設(shè)計(jì)批準(zhǔn)持有人(DAH)的責(zé)任；

3)飛機(jī)維護(hù)的觸發(fā)要求；

4)系統(tǒng)培訓(xùn)、數(shù)據(jù)及其傳輸安全要求；

5)不得代替的性能必檢項(xiàng)目(RII)；

6)運(yùn)營人操作程序和監(jiān)管方通告事項(xiàng)。

FAA Order 8110.49A機(jī)載軟件批準(zhǔn)指南，用來指導(dǎo)飛機(jī)認(rèn)證服務(wù)，即如何應(yīng)用DO-178B批準(zhǔn)機(jī)載軟件。

FAA 25-356-SC是針對(duì)波音787飛機(jī)創(chuàng)新的飛機(jī)機(jī)載數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)發(fā)布的安全標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)飛機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問，建立與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全水平相等的安全水平。

FAA AC29C MG-15是旋翼飛機(jī)HUMS的適航性建議，給出了HUMS的驗(yàn)證、安裝、認(rèn)證、持續(xù)適航的實(shí)施方法步驟。

2.5 ARINC標(biāo)準(zhǔn)組織

ARINC美國航空無線電公司制定的ARINC624《飛機(jī)機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》和ARINC604《機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)和使用指南》[55]兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)代民航飛機(jī)維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的核心規(guī)范。機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)通常被視為飛機(jī)PHM機(jī)載系統(tǒng)。

ARINC604描述了航線維修中BITE的角色、航電設(shè)備對(duì)BITE規(guī)格要求，提出了BITE設(shè)計(jì)和使用、集中式故障顯示系統(tǒng)(CFDS)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，其目標(biāo)是幫助用戶降低維修成本、提高維修效率、簡化維修程序并縮減人員培訓(xùn)。

ARINC624綜合了每個(gè)成員系統(tǒng)LRU中的BITE系統(tǒng)、BITE接口與訪問系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、故障和失效的自動(dòng)隔離(CMC)以及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(ACMS)的具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 MIMOSA標(biāo)準(zhǔn)組織

機(jī)器信息管理開放系統(tǒng)聯(lián)盟(MIMOSA)是一個(gè)非盈利性行業(yè)協(xié)會(huì)，由工業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)供應(yīng)商及工業(yè)資產(chǎn)最終用戶組成。OSA-CBM規(guī)范最初由MIMOSA以及多個(gè)CBM技術(shù)應(yīng)用企業(yè)(如波音、GE、Rockwell Collins等)共同制定，由MIMOSA對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理維護(hù)，版本經(jīng)過多次更新，已經(jīng)比較完善。

OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ISO13374定義的CBM系統(tǒng)的功能架構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)，CBM系統(tǒng)需遵循的體系結(jié)構(gòu)，從邏輯上分為傳感器層、數(shù)據(jù)處理層、狀態(tài)監(jiān)測(cè)層、健康評(píng)估層、預(yù)測(cè)層、決策支持層和表示層共七個(gè)層次，還包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信接口、算法組織以及從信號(hào)采集到?jīng)Q策建議的數(shù)據(jù)處理流程的規(guī)定。ARP6290、ARP1587即是基于OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)編制了飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)指南。

2.7 RTCA標(biāo)準(zhǔn)組織

RTCA是由美國民間非營利性股份公司運(yùn)作的國際著名組織，主要針對(duì)航空領(lǐng)域內(nèi)的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和空中交通管理系統(tǒng)問題，提出一致性的建議。在健康管理系統(tǒng)研發(fā)當(dāng)中，DO-178B、DO-160G、DO-254和DO-278四份標(biāo)準(zhǔn)可分別作為對(duì)機(jī)載軟件認(rèn)證、環(huán)境條件和測(cè)試程序、機(jī)載硬件和地面軟件的要求[55]。

2.8 IEEE標(biāo)準(zhǔn)組織

2017年IEEE發(fā)布了《1856 電子系統(tǒng)PHM的標(biāo)準(zhǔn)框架》[56]，用于支持電子系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)的規(guī)劃，內(nèi)容覆蓋了PHM名詞術(shù)語定義，PHM系統(tǒng)能力、功能模型、全壽命周期過程、性能度量等框架性指導(dǎo)。

與PHM有關(guān)的還有IEEE Std1232《面向所有測(cè)試環(huán)境的人工智能交換和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)》和IEEE Std1636《維修信息收集和分析的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)》系列標(biāo)準(zhǔn)，用于電子系統(tǒng)的測(cè)試性分析設(shè)計(jì)。

3 我國民機(jī)PHM標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)淺析

3.1 我國PHM標(biāo)準(zhǔn)研究差距

目前我國現(xiàn)有民機(jī)PHM標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)測(cè)試性、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面，幾大航空公司豐富的國外PHM系統(tǒng)的使用及開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、飛機(jī)主制造商及供應(yīng)商PHM技術(shù)預(yù)研和應(yīng)用成果形成了部分企標(biāo)和行標(biāo)，如參考ARP1587形成的7個(gè)HB/Z 286系列《發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施指南》仍為1996版，國內(nèi)民機(jī)主制造商僅形成了少量的健康管理功能試驗(yàn)方法、通用要求、研制程序等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于機(jī)載PHM，呈現(xiàn)零散、局部、獨(dú)立的特點(diǎn)，缺少系統(tǒng)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及框架的規(guī)劃與建設(shè)，導(dǎo)致系統(tǒng)研制過程中架構(gòu)與數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與實(shí)施等方面缺乏依據(jù)和指導(dǎo)。目前，我國PHM標(biāo)準(zhǔn)編制和應(yīng)用都與國外存在較大的差距。

3.2 我國民機(jī)PHM標(biāo)準(zhǔn)體系框架設(shè)計(jì)

基于上述國外先進(jìn)健康管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的分析與理解，參考SAE HM-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的規(guī)劃和建設(shè)思路，本文初步規(guī)劃了我國民用飛機(jī)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系，如圖2所示，體現(xiàn)了PHM標(biāo)準(zhǔn)體系多維度不同層面的技術(shù)要素，涵蓋了從組織目標(biāo)、系統(tǒng)需求，到系統(tǒng)架構(gòu)與詳細(xì)設(shè)計(jì)/典型系統(tǒng)及部件、確認(rèn)驗(yàn)證與取證、應(yīng)用實(shí)施等PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程，并給出了各專題下分解的標(biāo)準(zhǔn)題目。

圖2 民用飛機(jī)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系框架

我國PHM標(biāo)準(zhǔn)編制，應(yīng)首先通過借鑒轉(zhuǎn)化SAE、ARINC、FAA等的健康管理標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要素、標(biāo)準(zhǔn)體系及實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，基于航空公司/維修單位、飛機(jī)主制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商的使用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求、研制模式，以實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的民用飛機(jī)健康管理為引領(lǐng)，通過持續(xù)積累PHM技術(shù)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)PHM技術(shù)與系統(tǒng)的企業(yè)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，滿足航空公司的運(yùn)營維修和民機(jī)型號(hào)研制需求，達(dá)到深化和推動(dòng)我國民機(jī)健康管理技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用的目標(biāo)，并積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)組織。

在實(shí)施層面，可由中國航空學(xué)會(huì)各專業(yè)技術(shù)委員會(huì)組織成立編制工作組，在“十四五”、“十五五”期間，跟蹤分析行業(yè)最新PHM需求、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，設(shè)定民機(jī)PHM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)展路線圖，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制宣貫、應(yīng)用監(jiān)控、反饋修訂。

4 結(jié)論

1)全面梳理分析了國外民用飛機(jī)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系的編制現(xiàn)狀、核心內(nèi)容和應(yīng)用范圍。

2)國外已經(jīng)建立起民機(jī)PHM數(shù)據(jù)信息流程、研制流程、專業(yè)技術(shù)對(duì)象等多維度、多層次、相對(duì)成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3)首次提出了我國民用飛機(jī)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系完整的初步規(guī)劃建議，編制工作實(shí)施思路。