丁杰，陳圣斌，郝宗敏

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

美國航空管理局航空應(yīng)用技術(shù)管理中心和西科斯基飛機(jī)公司在2012～2014年聯(lián)合負(fù)責(zé)完成了一項“基于能力的使用和支撐技術(shù)-航空（COST-A）計劃”。這項計劃的目標(biāo)是為旋翼航空器的6個主要系統(tǒng)開發(fā)、演示/試驗一套高價值的診斷、預(yù)測和系統(tǒng)健康管理技術(shù)以降低目前過重的維修負(fù)擔(dān)，降低使用維修費(fèi)用，提高飛行安全性和使用可用度，旋翼航空器6個主要系統(tǒng)之一即是動力系統(tǒng)。

1 COST-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)COST-A計劃，動力系統(tǒng)這一工作的主要目標(biāo)是開發(fā)相應(yīng)的診斷和預(yù)測運(yùn)算律，以便對動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的健康提供深入了解。對發(fā)動機(jī)主要的關(guān)鍵外場可更換單元等開發(fā)各自的診斷運(yùn)算律用于評估發(fā)動機(jī)燃?xì)馔贰⒄麢C(jī)和每個主要模塊（燃?xì)獍l(fā)生器、動力渦輪）的健康和評估傳感器的性能，以確認(rèn)其偏差。將所有這些運(yùn)算律的信息融合在一起，并利用一系列的推理運(yùn)算律，將狀態(tài)指示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可實施的信息以便支持維修決策。在這份報告中，細(xì)地討論了上述幾項COST-A計劃的動力系統(tǒng)技術(shù)，并利用案例精心地闡述了診斷和推理功能。

由于動力系統(tǒng)的診斷和預(yù)測技術(shù)都綜合于COST-A系統(tǒng)中，因此，這里首先論述了COST-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。COST-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由硬件和軟件單元組成，包括機(jī)上和地面功能。這種結(jié)構(gòu)分為兩類：“基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)”和“事務(wù)處理邏輯”。

1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元和體系結(jié)構(gòu)

綜合系統(tǒng)分為兩個主要的分系統(tǒng)，機(jī)載系統(tǒng)（OBS）和地面系統(tǒng)（GBS）。

（1）機(jī)載系統(tǒng)（OBS）。這一機(jī)載系統(tǒng)。是在安裝于大多數(shù)旋翼航空器的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，主要是通過在這一典型的HUMS系統(tǒng)上附加相應(yīng)的裝置構(gòu)建成機(jī)載系統(tǒng)（OBS），包括光電主網(wǎng)絡(luò)、OBS軟件、新的預(yù)測和健康管理裝置電路板、網(wǎng)絡(luò)和采集接口裝置，各個診斷和參數(shù)處理運(yùn)算律全部綜合到同一機(jī)載軟件系統(tǒng)中進(jìn)行驗證試驗。

（2）地面系統(tǒng)（GBS）。飛機(jī)筆記本、部隊服務(wù)器，它提供了地面診斷、預(yù)測和維修規(guī)劃工具以便能進(jìn)一步降低模糊性，并預(yù)測今后的健康趨勢，利用機(jī)群歷史數(shù)據(jù)的運(yùn)算技術(shù)，給出維修決策。

1.2 事務(wù)邏輯和推理結(jié)構(gòu)

組成COST-A邏輯和推理結(jié)構(gòu)的高層次的程序表示在圖1中，包括診斷、維修集生成、故障模式推理、機(jī)載維修推理、健康累積評估、飛機(jī)筆記本顯示和部隊服務(wù)器程序。

2 動力診斷單元

作為這一工作的一部分，動力系統(tǒng)開發(fā)或改進(jìn)了幾個診斷單元，這包括用以評估主發(fā)動機(jī)燃?xì)馔ǖ澜】档倪\(yùn)算

律，發(fā)動機(jī)各個外場可更換單元和動力系統(tǒng)其他主要部件的診斷。

圖1 COST-A軟件和推理結(jié)構(gòu)

2.1 改進(jìn)功率保證

改進(jìn)功率保證的主要目標(biāo)是，改進(jìn)旋翼航空器自動功率保證計算運(yùn)算律。發(fā)動機(jī)扭矩系數(shù)（ETF）是整個發(fā)動機(jī)健康指示，陸軍、海軍和直升機(jī)其他用戶使用ETF來確定發(fā)動機(jī)性能退化到予以更換的時間點(diǎn)。

影響ETF測量精度的一個主要因素是：當(dāng)前是否正從發(fā)動機(jī)提取引氣，以用來發(fā)動機(jī)防冰或通過環(huán)境控制系統(tǒng)給座艙加溫，在提取引氣時進(jìn)行ETF測量，發(fā)動機(jī)將出現(xiàn)亞健康（非健康）狀態(tài)。在COST-A計劃中開發(fā)了發(fā)動機(jī)防冰和直升機(jī)加溫使用的引氣補(bǔ)償方法以減少這種事件發(fā)生時的ETF誤差，這一補(bǔ)償功能已經(jīng)綜合到自動功率保證運(yùn)算律中，以便在COST-A機(jī)載系統(tǒng)中實時使用。

2.2 外場可更換單元（LRU）診斷

發(fā)動機(jī)的許多LRU研發(fā)了診斷方法，這就可能大大地降低整個維修負(fù)擔(dān)。這一部分所討論的所有運(yùn)算律都是集中在COST-A的機(jī)載系統(tǒng)中使用。在COST-A中開發(fā)的發(fā)動機(jī)主要LRU的診斷方法對象為以下部件：防冰/氣動引氣活門、流體-機(jī)械裝置、進(jìn)氣道粒子分離器壓氣機(jī)、主發(fā)動機(jī)氣動起動機(jī)、交輸引氣活門。

2.3 地面系統(tǒng)軟件

為了補(bǔ)充或增強(qiáng)OBS（機(jī)載系統(tǒng)）的診斷能力，開發(fā)了多個GBS軟件模塊，這一GBS軟件包包括的主要是輔助動力裝置（APU）和主發(fā)動機(jī)的診斷。這兩個診斷采用基于模型的方法進(jìn)行診斷，它通過收集APU或主發(fā)動機(jī)的測量數(shù)據(jù)，對照主結(jié)構(gòu)部件（即壓縮機(jī)、渦輪機(jī)）內(nèi)失效部件的故障特征和傳感器的偏離故障（如溫度、速度等）與故障模型確定的診斷結(jié)果最相符的的基準(zhǔn)項目相比較。

3 動力系統(tǒng)故障案例

3.1 診斷程序

這一案例進(jìn)行分析的第一步就是執(zhí)行診斷程序，這一程序本身是由幾個分程序組成的。

（1）診斷程序說明。①傳感器數(shù)據(jù)：表示傳感器數(shù)據(jù)的收集、匯總和調(diào)整，以便為數(shù)據(jù)控制運(yùn)算律使用。②數(shù)據(jù)控制運(yùn)算律：將原始數(shù)據(jù)處理成有用輸出參數(shù)，以用于生成狀態(tài)指示。③診斷運(yùn)算律：將傳感器的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成狀態(tài)指示。④部件健康指標(biāo)生成運(yùn)算律，將多個狀態(tài)指示融合成每一部件的健康指標(biāo)。⑤建立標(biāo)準(zhǔn)化的門限值，并將其應(yīng)用于部件的健康指標(biāo)。

（2）動力系統(tǒng)案例診斷說明。傳感器數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)和采集接口裝置內(nèi)轉(zhuǎn)換成輸出線索，這就使數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇HMU（預(yù)測和健康管理裝置）電路板上，動力系統(tǒng)這一數(shù)據(jù)在PHMU內(nèi)的診斷運(yùn)算律的運(yùn)行包括：①改進(jìn)的功率保證；②防冰/起動引氣活門診斷。

（3）地面主發(fā)動機(jī)診斷。地面發(fā)動機(jī)診斷設(shè)計成分析一組所記錄的傳感器數(shù)據(jù)。在COST-A綜合的OBS（機(jī)載系統(tǒng)）內(nèi)改進(jìn)的功率保證運(yùn)算律運(yùn)行產(chǎn)生的實時ETF的實際輸出中。在整個飛行過程中，只要每一時間段產(chǎn)生了新的輸出，健康指標(biāo)生成運(yùn)算律也將各個狀態(tài)指示融合成健康指標(biāo)，這些健康是利用前面所說的顏色標(biāo)識進(jìn)行顯示。

3.2 維修集生成程序

（1）程序功能。維修集生成程序的目標(biāo)是，對由診斷程序所確定的不正常狀態(tài)而生成的維修集，確定是否存在模糊性。

（2）實例說明。對于這一案例的故障后區(qū)域，由于診斷和改進(jìn)功率保證運(yùn)算律的輸出結(jié)果，使得1#PT1（1#發(fā)動力渦輪）和1#發(fā)GG1（1#燃?xì)獍l(fā)生器）都偏離正常狀態(tài)，并超過了“綠”到“黃”的閾值，1#發(fā)的防冰起動引氣活門的閾值超過所有方式而進(jìn)入紅區(qū)，維修集生成功能利用查詢（圖2）建立了已知或給定這些閾值超過情況下可能的維修措施。由于閾值和維修工作之間的連接性大于1對1，它們產(chǎn)生的觀測、檢查和維修活動的維修措施集要進(jìn)入推理結(jié)構(gòu)后續(xù)的分析，以進(jìn)一步化解模糊性。

圖2 維修集生成結(jié)果

3.3 故障模式推理

如果飛行人員或維修人員可能采取的維修集仍是模糊的（即維修集生成運(yùn)算律的輸出是1對多個，而不是1對1的維修集），那么就是實施故障/失效模式的推理程序。

（1）故障模式（F/FM）推理功能。在動力系統(tǒng)故障案例的故障后區(qū)域，3個CI都超過了特定閾值，ETF退化的CI信號指示旗來自1#發(fā)動機(jī)功率保證運(yùn)算律，CI信號指示旗來自1#發(fā)的防冰起動引氣活門診斷運(yùn)算律，而核心損傷CI來自1#發(fā)地面診斷，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)段是有效的。

（2）動力系統(tǒng)級F/FM推理機(jī)。系統(tǒng)級推理機(jī)評估有效數(shù)據(jù)（例證）段，評估了相關(guān)性模型上下關(guān)系內(nèi)的有效和無效數(shù)據(jù)（例證）狀態(tài)集。其輸出在已知的數(shù)據(jù)狀態(tài)特定特征條件下，是最有可能發(fā)生的故障模式排序表。

案例最前面的兩個故障/失效模式是：①1#發(fā)動機(jī)AISBV（防冰/起動引氣活門）粘接--0.905。②1#發(fā)動機(jī)HMU（流體機(jī)械裝置）黏結(jié)/性能退化—0.5000。

3.4 機(jī)載維修推理

維修推理機(jī)在排序好的F/FM集和最有可能要對已確認(rèn)的F/FMs的推薦的維修集之間進(jìn)行相互映對，所產(chǎn)生的維修推薦集是與所識別的F/FMs相關(guān)的維修措施表。維修措施對應(yīng)著與其鏈接的最高序列的任一有效故障模式。

這包括：（1）哪個閾值已超出正常范圍。（2）著陸時或離機(jī)之前推薦的監(jiān)視或觀測。（3）如果其中某些部件表明其健康不正常時，可能現(xiàn)在就要予以檢查。（4）可能要采取一組內(nèi)所有可能的糾正措施。（5）對這些最有可能處理或解決問題的糾正措施排序。

3.5 健康累積評估

分系統(tǒng)和系統(tǒng)健康累積評估，將組成部件的狀態(tài)指示CI或健康指標(biāo)融合上一層次的健康指示。在這一案例故障前區(qū)域，所有的各個部件健康指標(biāo)都是綠色。這樣，如果使用精確的遺傳圖進(jìn)行健康評估，那么整個動力系統(tǒng)的健康是綠色的。這就指示目前系統(tǒng)是正常和健康的。

當(dāng)考慮這一案例故障后的區(qū)域，1#發(fā)動機(jī)的AISBV的紅色健康指示累積到整個動力系統(tǒng)為紅色健康指示，這就表明要采取維修措施。

3.6 飛機(jī)筆記本顯示

ACN飛機(jī)筆記本顯示器，對機(jī)載系統(tǒng)計算的所有信息提供了直接的存儲之地，也作為一個通路，以便將機(jī)載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲筷牐ù箨牸壔驙I級）服務(wù)器。

空勤人員可能要看顏色識別動力系統(tǒng)部件的健康顯示，此顯示給出最有可能的故障根因是AISBV，接著，空勤人員可能要進(jìn)行所建議的觀測，記錄COST-A系統(tǒng)對AISBV故障所推薦的維修程序，然后，將這一信息下傳到維修規(guī)劃活動。

4 結(jié)語

該文詳細(xì)論述了動力系統(tǒng)的故障診斷和推理技術(shù)，以便將該系統(tǒng)多種觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為維修人員可實施的維修措施。

文中使用了一較為復(fù)雜的案例，以演示/驗證了COST-A綜合化系統(tǒng)的成功應(yīng)用，并達(dá)到了在典型系統(tǒng)環(huán)境中所要求的性能。

動力系統(tǒng)所研發(fā)和改進(jìn)的技術(shù)將隨同COST-A系統(tǒng)將在機(jī)上進(jìn)行飛行試驗以提升其技術(shù)成熟度水平，以便不久的未來，在傳統(tǒng)的直升機(jī)和新研的旋翼航空器上應(yīng)用。到那時，將實現(xiàn)基于狀態(tài)維修（CBM），降低維修負(fù)擔(dān)，提高旋翼航空器的安全性和使用可用度。