多機(jī)種一體化故障預(yù)測與健康管理技術(shù)應(yīng)用研究

毛海濤　潘華

摘 要： 基于故障預(yù)測與健康管理的自主式保障是新一代飛機(jī)和直升機(jī)設(shè)計的基本能力，是航空裝備綜合保障領(lǐng)域的重要變革。研究介紹了飛機(jī)PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，劃分出機(jī)載PHM系統(tǒng)和地面PHM系統(tǒng)，提出機(jī)載PHM系統(tǒng)采用分層智能推理機(jī)構(gòu)，地面PHM系統(tǒng)宿駐在地面自主保障信息系統(tǒng)，并優(yōu)化了PHM系統(tǒng)工作過程；根據(jù)現(xiàn)實與可能，提出了實用性的綜合智能故障診斷方法和維修任務(wù)預(yù)測算法；從多機(jī)種一體化保障需要，提出了飛機(jī)多機(jī)種自主式保障設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)和研究方向。

關(guān)鍵字： 一體化故障預(yù)測； 健康管理； 自主式保障； PHM系統(tǒng)

中圖分類號： TN06?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0046?05

Research on technology application of integrated fault prognostic and health management

MAO Hai?tao， PAN Hua

（Unit 92728 of PLA， Shanghai 200436， China）

Abstract： AL （autonomic logistics） based on PHM （prognostics and health management） is a basic capacity of the new generation airplane and helicopter， as well as an important revolution in the field of aviation equipment integrated logistic support. The structure of PHM system including on?board and off?line systems is introduced in this paper. The organization of intelligent hierarchy inference is adopted in on?board system. The off?line system is stationed in the ground AL information system. An utility method of intelligent fault diagnosis and an algorithm of maintenance task prediction are proposed. On the other hand， the key technology and research direction on the AL design of multi kind airplanes are put forward.

Keywords： integrated fault prognostic； health management； autonomic logistics； PHM system

0 引 言

隨著各種大型復(fù)雜系統(tǒng)性能的不斷提高以及復(fù)雜性的不斷增加，系統(tǒng)的可靠性、故障診斷和預(yù)測以及維修保障等問題越來越受到重視。目前，對于大型系統(tǒng)的維修仍以定期維護(hù)為主，采用多、勤、細(xì)來預(yù)防系統(tǒng)故障。這種方式不僅耗費資源，而且效率低下。為此，從20世紀(jì)90年代中期開始，美、英等國在國防采辦改革及后續(xù)的相關(guān)大型裝備項目研究中均將“經(jīng)濟(jì)可承受性”列為重點考慮因素。

由于視情維修要求系統(tǒng)自身具有對其故障進(jìn)行預(yù)測并對其健康狀態(tài)進(jìn)行管理的能力，具有后勤規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)可承受性好、自動化、高效率以及可避免重大災(zāi)難性事故等顯著優(yōu)勢，可以實現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)可承受性”的目標(biāo)，也由此產(chǎn)生了自主式保障和故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的概念。

目前在國外尤其是美國，在自主式保障領(lǐng)域已經(jīng)開展了廣泛的研究，不同軍種和不同行業(yè)中也廣泛地開展了自主式保障相關(guān)的故障預(yù)測與健康管理研究和應(yīng)用。比如在航空領(lǐng)域，由美國、英國以及其他國家軍方合作開發(fā)的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)JSF項目中的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（PHM），系統(tǒng)綜合健康管理系統(tǒng)（ISHM）或飛機(jī)健康管理系統(tǒng)（AHM），美國空軍試驗室項目中的系統(tǒng)綜合健康管理系統(tǒng)（ISHM）等。表1中總結(jié)了國外常見的一些預(yù)測與健康管理概念的應(yīng)用情況。

聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)F?35（JSF），其故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)作為自主保障的核心技術(shù)，起到了重要作用。目前，PHM中的數(shù)據(jù)采集、故障診斷、預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)都已取得了重要進(jìn)展。F?35采用的PHM系統(tǒng)是一種軟件密集型系統(tǒng)，分為機(jī)上PHM（機(jī)載PHM）和機(jī)下PHM（離線PHM）兩部分。機(jī)上PHM由飛機(jī)總師單位進(jìn)行設(shè)計，預(yù)先安裝在飛機(jī)機(jī)載環(huán)境中。機(jī)上PHM可以實現(xiàn)對單機(jī)關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和預(yù)測。機(jī)下PHM基于專家系統(tǒng)進(jìn)行全機(jī)及機(jī)群等更大范圍的狀態(tài)數(shù)據(jù)集成、性能指標(biāo)集成、性能趨勢分析、故障診斷、故障預(yù)測及剩余壽命預(yù)測，以保證實現(xiàn)全作戰(zhàn)單位的維修預(yù)測，為自主保障提供支持。其結(jié)構(gòu)特點是采用分層智能推理結(jié)構(gòu)，綜合多個設(shè)計層次上的多種類型的推理機(jī)軟件，便于從部件級到整個系統(tǒng)級綜合應(yīng)用故障診斷和預(yù)測技術(shù)。F?35飛機(jī)的PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 新型飛機(jī)PHM系統(tǒng)體系設(shè)計方法

飛機(jī)PHM利用盡可能少的傳感器采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助各種智能推理算法來評估飛機(jī)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、機(jī)電、管理、任務(wù)等系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對其故障進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施以實現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)的視情維修。

1.1 飛機(jī)PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

飛機(jī)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以區(qū)分為廣義和狹義兩種：從廣義上講，飛機(jī)PHM系統(tǒng)是指為實現(xiàn)PHM目標(biāo)的全部技術(shù)手段和系統(tǒng)的集成，不僅包括機(jī)載嵌入式診斷系統(tǒng)，還包括地面自主保障系統(tǒng)（實現(xiàn)維修管理決策支持功能）；從狹義上來講，實現(xiàn)自主保障的關(guān)鍵技術(shù)之一是要求飛機(jī)具備PHM系統(tǒng)，因此也可以將PHM系統(tǒng)理解為機(jī)載嵌入式診斷與預(yù)測系統(tǒng)。這里采用的是廣義的概念。

飛機(jī)PHM系統(tǒng)頂層設(shè)計的原理是：當(dāng)檢測出故障時能夠自動進(jìn)行故障隔離，機(jī)載PHM系統(tǒng)無需人的干預(yù)，自動和無縫地完成更高級別的分析。通過系統(tǒng)設(shè)計，飛行員干預(yù)的需求將保持最少。故障檢測和故障隔離數(shù)據(jù)盡可能快地下傳給地面，以便啟動自主維修保障過程，使飛機(jī)恢復(fù)使用。

飛機(jī)PHM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：機(jī)載PHM系統(tǒng)和多機(jī)種一體化地面PHM系統(tǒng)。如圖2所示。

（1） 機(jī)載PHM系統(tǒng)

機(jī)載PHM系統(tǒng)采用分層智能推理機(jī)構(gòu)，分為三個層次：最底層是分布在飛機(jī)各分系統(tǒng)最底層零部件（或器件）中的傳感器或機(jī)內(nèi)測試/機(jī)內(nèi)測試設(shè)備（BIT/BITE），中間層是區(qū)域管理器，頂層是飛機(jī)管理器。最底層作為識別故障的信息源，借助傳感器、模型等檢測故障，但不做預(yù)測和故障隔離，將有關(guān)信息直接提交給中間層的區(qū)域管理器。各區(qū)域管理器（推進(jìn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、任務(wù)系統(tǒng)等）將區(qū)域故障信息經(jīng)過信息處理和特征提取等整理后，傳送給更高層的飛機(jī)管理器。飛機(jī)管理器通過對所有系統(tǒng)故障信息的相互關(guān)聯(lián)，確認(rèn)并隔離故障，包括狀態(tài)監(jiān)控、健康評估、故障預(yù)測、建議生成等處理過程，最終形成維修信息和供飛行員使用的知識信息，傳給地面PHM系統(tǒng)。

（2） 地面PHM系統(tǒng)

地面PHM系統(tǒng)相當(dāng)于離線的PHM，宿駐在地面自主保障信息系統(tǒng)（ALIS）中。它采用與機(jī)載PHM系統(tǒng)類似的分層智能推理機(jī)構(gòu)，接收通過維修下傳鏈路、維修接口和便攜式存儲裝置的機(jī)載PHM數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、判斷飛機(jī)的安全性，調(diào)整使用計劃，實施技術(shù)狀態(tài)管理，更新飛機(jī)的狀態(tài)記錄，形成維修工作項目，以及分析整個機(jī)群的健康狀況，并啟動自主維修保障過程。

機(jī)載PHM和地面PHM系統(tǒng)共同構(gòu)成飛機(jī)的PHM體系，共同確保對飛機(jī)故障的高效率和費用有效的維修，保障快速、直接地對飛機(jī)部件與結(jié)構(gòu)壽命行使管理，以基于狀態(tài)的維修取代傳統(tǒng)的定期更換和檢查。

1.2 飛機(jī)PHM系統(tǒng)工作過程

PHM系統(tǒng)的一個顯著特點是充分利用現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，盡量少地設(shè)置專用傳感器，并通過分層推理機(jī)實現(xiàn)準(zhǔn)確的故障診斷和壽命預(yù)測，這一過程是基于各種先進(jìn)人工智能算法和信息融合技術(shù)。

PHM數(shù)據(jù)從最初發(fā)現(xiàn)飛機(jī)分系統(tǒng)中的一個故障，經(jīng)過飛機(jī)結(jié)構(gòu)，到自主保障（AL）系統(tǒng)，產(chǎn)生維修活動的整個過程。它將包括其確定根本原因的過程：從分系統(tǒng)識別故障；在機(jī)載知識庫內(nèi)做出系統(tǒng)級推理；利用交叉相關(guān)功能驗證該故障；到地面PHM系統(tǒng)中的信息流顯示維修人員如何處理該故障。

1.2.1 機(jī)載PHM系統(tǒng)工作過程

（1） 每個區(qū)域管理器都針對特定的飛機(jī)設(shè)備子系統(tǒng)或整機(jī)系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)不斷地信號檢測和分析。

（2） 區(qū)域管理器中的數(shù)據(jù)處理模塊通過一些特征提取算法，把所獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成狀態(tài)監(jiān)控、健康評估和預(yù)測層所需要的形式，這些信號特征能夠以某一種形式表征系統(tǒng)/組件的健康。

（3） 飛機(jī)管理器中的狀態(tài)監(jiān)控模塊接收來自傳感器、信息處理以及其他狀態(tài)監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)，完成與系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)特征的計算和估計，即將獲取的數(shù)據(jù)同預(yù)定的失效判據(jù)等進(jìn)行比較來監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，根據(jù)預(yù)定的各種參數(shù)指標(biāo)極限值/閾值來提供故障報警能力。

（4） 飛機(jī)管理器中的健康評估模塊接收來自不同狀態(tài)監(jiān)控模塊以及其他健康評估模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)控層的輸出和歷史的狀態(tài)評估值，主要評估被監(jiān)測的飛機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)或部件當(dāng)前的健康狀態(tài)，確定這些系統(tǒng)是否降級。如果系統(tǒng)的健康狀態(tài)降級，該層會產(chǎn)生診斷信息，提示可能發(fā)生的故障。一個故障可能產(chǎn)生多個健康報告代碼，只有那些被設(shè)定為根本原因的健康報告代碼才傳給飛行員用于顯示，或傳給機(jī)載系統(tǒng)用于維修下傳。數(shù)據(jù)傳給飛機(jī)存儲裝置/便攜式存儲裝置存儲起來。

（5） 飛機(jī)管理器中的故障預(yù)測模塊綜合前面各層的數(shù)據(jù)信息，評估和預(yù)測被監(jiān)測飛機(jī)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件未來的健康狀態(tài)。主要功能是對系統(tǒng)、子系統(tǒng)或部件在工作應(yīng)力下的剩余使用壽命進(jìn)行估計。故障預(yù)測層可以報告系統(tǒng)的未來健康狀態(tài)或者評估組件的剩余使用壽命。

1.2.2 地面PHM系統(tǒng)工作過程

（1） 從飛機(jī)便攜式內(nèi)存裝置下載了PHM數(shù)據(jù)后，地面PHM系統(tǒng)將提取、存儲和分發(fā)這些PHM數(shù)據(jù)。這些下載的數(shù)據(jù)將包括：飛機(jī)健康報告代碼數(shù)據(jù)、飛機(jī)壽命部件性能數(shù)據(jù)、飛機(jī)性能數(shù)據(jù)、推進(jìn)等系統(tǒng)PHM數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)疲勞數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)用于向機(jī)下輔助跟蹤和測量飛機(jī)部件健康的工具和過程提供輸入。

（2） 提取的數(shù)據(jù)被分配給指定的數(shù)據(jù)庫，以便能系統(tǒng)地應(yīng)用本地的算法庫進(jìn)行分析和決策支持。這些數(shù)據(jù)庫保存來自飛機(jī)的PHM、壽命消耗、結(jié)構(gòu)、疲勞、推進(jìn)系統(tǒng)和性能等文件。

（3） 地面PHM系統(tǒng)將來自不同平臺以及相同平臺上不同來源的PHM數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)訪問接口加載到多機(jī)種一體化PHM數(shù)據(jù)倉庫中，實現(xiàn)對飛機(jī)多機(jī)型PHM數(shù)據(jù)的同時處理。

（4） 地面PHM系統(tǒng)對飛機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括與飛機(jī)明顯不一致性的比較。處理結(jié)果將是一組最低限度的工作單建議，再由維修管理部門將其轉(zhuǎn)化為工作單。向用戶提供一種決策支持機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)影響安全的關(guān)鍵故障模式時，協(xié)助做出停飛決策；同樣，當(dāng)故障影響飛機(jī)當(dāng)前分派的任務(wù)時，提供一種輔助用戶的決策支持機(jī)制。

（5） 完成特定的損傷評估，確定修理飛機(jī)使其恢復(fù)能力所需的工作單；如果沒有完成修理，機(jī)下任務(wù)保障環(huán)境決定哪些類型的任務(wù)不給以保障。

（6） 評估對后續(xù)任務(wù)的影響，并更新所有受影響的資產(chǎn)狀態(tài)，完成維修進(jìn)度安排。

2 飛機(jī)故障預(yù)測與健康管理主要關(guān)鍵技術(shù)

為了達(dá)到飛機(jī)PHM系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，需要實現(xiàn)PHM與自主保障信息系統(tǒng)的有效集成，需要重點研究：機(jī)上、機(jī)下PHM的故障診斷及預(yù)測技術(shù)，利用海量的歷史數(shù)據(jù)（飛行數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等），采用多種工具、模型和算法，多角度全方位實現(xiàn)；維修預(yù)測技術(shù)，PHM健康管理的一個主要目標(biāo)是根據(jù)采集的飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷和可用時間預(yù)測，并根據(jù)診斷及預(yù)測結(jié)果安排維修工作；任務(wù)決策（保障計劃生成）技術(shù)，從整個機(jī)群出發(fā)，將PHM系統(tǒng)和維修系統(tǒng)、訓(xùn)練系統(tǒng)、供應(yīng)系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)充分整合，實現(xiàn)以任務(wù)為中心的自主保障；動態(tài)資源調(diào)度技術(shù)，在執(zhí)行任務(wù)的過程中會遇到許多突發(fā)情況，需要第一時間監(jiān)控到問題，并高效進(jìn)行各類資源的協(xié)調(diào)使用，以及時完成任務(wù)。本文重點研究故障診斷及預(yù)測算法以及維修任務(wù)預(yù)測算法兩項關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 故障診斷及預(yù)測算法

2.1.1 綜合智能故障診斷方法

新一代飛機(jī)故障診斷方法應(yīng)是一個綜合專家經(jīng)驗、數(shù)據(jù)融合、學(xué)習(xí)優(yōu)化、IETM故障隔離、故障樹、FMECA轉(zhuǎn)換FTA等技術(shù)的綜合智能故障診斷方法。其實現(xiàn)思想如圖3所示。

飛機(jī)綜合智能故障診斷方法不但對空地勤人員發(fā)現(xiàn)的故障和地面監(jiān)測到的故障進(jìn)行診斷，還可通過空地數(shù)據(jù)鏈實時接收機(jī)上PHM記錄的各項傳感器參數(shù)、狀態(tài)信息和警告提示信息進(jìn)行故障的診斷。為了在最短的時間內(nèi)得到故障診斷結(jié)果指導(dǎo)維修排故，飛機(jī)綜合智能故障診斷方法首先采用案例匹配法進(jìn)行故障診斷，若成功匹配則給出故障模式和推薦維修措施以完成診斷，輸出診斷結(jié)果；若通過提供的特征參數(shù)和現(xiàn)象無法推導(dǎo)出故障模式或維修措施，則采用基于IETM的故障診斷方法進(jìn)行故障診斷隔離，若通過IETM引導(dǎo)隔離出故障并給出了維修措施，則完成診斷；否則，就采用基于計算機(jī)系統(tǒng)的智能故障診斷方法。飛機(jī)的綜合智能診斷流程如圖4所示。

2.1.2 故障預(yù)測算法

PHM中進(jìn)行故障預(yù)測（重點是預(yù)測剩余可用時間）主要使用的方法包括貝葉斯評估方法、預(yù)測和統(tǒng)計方法以及基于計算機(jī)智能技術(shù)研發(fā)的人工智能工具及方法等。

2.2 維修任務(wù)預(yù)測算法

飛機(jī)未來將支持兩類維修：預(yù)防性維修及修復(fù)性維修。其中預(yù)防性維修又分為傳統(tǒng)的定時維修和基于狀態(tài)的維修。PHM系統(tǒng)應(yīng)提供方法實現(xiàn)對以上三種維修的維修決策，但維修決策是一項復(fù)雜的學(xué)科，必須要與資源狀態(tài)、任務(wù)要求、故障危害度以及機(jī)群梯次使用綜合考慮，才能給出準(zhǔn)確的維修決策。維修決策分為兩部分：一部分給出定時維修、PHM診斷故障的修復(fù)性維修、PHM預(yù)測出的基于狀態(tài)維修的基本預(yù)測方法，另一部分把維修決策的結(jié)果放到整個任務(wù)決策中進(jìn)一步分析和權(quán)衡，給出整個機(jī)群的維修計劃。在IETM中實現(xiàn)定義的各類DM可以解決如何維修的問題。

3 飛機(jī)多機(jī)種一體化自主式保障設(shè)計方向

基于故障預(yù)測與健康管理的飛機(jī)多機(jī)種一體化的自主式保障設(shè)計，是未來多機(jī)種保障的需要，建立高效獲取、存儲和處理大量來自多機(jī)型多種類型數(shù)據(jù)的先進(jìn)方法，可以通過為多種飛機(jī)機(jī)上和機(jī)下生成的多種類型數(shù)據(jù)提供通用的數(shù)據(jù)存儲、檢索和處理方法來實現(xiàn)。針對多機(jī)種一體化自主式保障設(shè)計的需求和特點，需要開展以下技術(shù)的相關(guān)研究：

（1） 多機(jī)種自主式保障一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

提出分層的飛機(jī)多機(jī)種自主式保障一體化的體系結(jié)構(gòu)框架，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層、接口層和業(yè)務(wù)層；研究并建立一套為應(yīng)用于開發(fā)、管理、交換及使用等工程環(huán)節(jié)的飛機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)與事務(wù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，建立共享的、通用的集成數(shù)據(jù)環(huán)境。

（2） 多機(jī)種自主式保障一體化數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

研究基于公用數(shù)據(jù)模型的飛機(jī)多機(jī)種自主式保障一體化數(shù)據(jù)表示技術(shù)，建立相應(yīng)的一體化數(shù)據(jù)倉庫，并對CRIS數(shù)據(jù)模型進(jìn)行定制和增強(qiáng)；研究跨平臺數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、跨平臺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將來自不同數(shù)據(jù)源的PHM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為艦基PHM系統(tǒng)可以識別的形式。

（3） 多機(jī)種自主式保障一體化數(shù)據(jù)訪問和轉(zhuǎn)換設(shè)計

研究飛機(jī)多機(jī)種自主式保障一體化數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，提供外部應(yīng)用和人員到一體化數(shù)據(jù)倉庫的訪問接口；研究飛機(jī)多機(jī)種自主式保障一體化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，對各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一保存和管理。

（4） 基于多機(jī)種PHM一體化的診斷和預(yù)測設(shè)計

借鑒單機(jī)型PHM系統(tǒng)的方法研究成果，研究飛機(jī)多機(jī)種PHM系統(tǒng)一體化的可擴(kuò)展、可復(fù)用的故障診斷、故障預(yù)測與剩余壽命預(yù)測以及系統(tǒng)級健康評估算法，實現(xiàn)擴(kuò)展功能的算法管理平臺。

4 結(jié) 語

本文從多機(jī)種一體化自主式保障需求出發(fā)，分析提出了新一代飛機(jī)PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和分層智能推理架構(gòu)，梳理優(yōu)化了PHM系統(tǒng)工作過程，提出了飛機(jī)多機(jī)種自主式保障設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)和研究方向。但目前在多型機(jī)開展一體化自主式保障研制過程中，還面臨大量的理論與實際相結(jié)合的問題，需要開展進(jìn)一步的研究和實踐工作。

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