某型發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)的研究

馮 彬，鄧新華，蘇育峰

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

飛機發(fā)動機的健康狀況直接影響飛行安全。為了保證飛行安全、縮短再次出動準備的時間、提高裝備的完好率，結(jié)合航空發(fā)動機機務維護的特點，采用知識點分類的方法構(gòu)建知識庫，利用工程技術人員的專業(yè)技術知識和使用維護經(jīng)驗，減少了飛機發(fā)動機的健康診斷范圍，提高了發(fā)動機故障診斷的準確率和效率，為飛機維護提供了技術保障，從而提高了飛機的出勤率和使用效率。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能設計

1）數(shù)據(jù)管理功能。數(shù)據(jù)管理分為用戶和工程技術人員管理兩類：用戶主要完成歷史故障庫和數(shù)據(jù)庫、發(fā)動機履歷本的節(jié)流特性數(shù)據(jù)及電子調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)值、發(fā)動機原始參數(shù)（即裝上飛機第一次地面試車數(shù)據(jù)）、最后一次大修后的總工作時間、發(fā)動機序列號及飛機編號、發(fā)動機日常維護情況的瀏覽、編輯、刪除、添加、打印等操作。工程技術人員根據(jù)需要修改知識庫并追加知識，對知識庫的一致性、完整性、正確性以及由此引起的一切必要的改動進行修改完善。

2）故障診斷功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)知識庫的知識，通過推理模塊功能完成發(fā)動機的故障分析和推理，并找到發(fā)生故障的元部件及故障原因，便于維護人員的理解、接收和處理。

3）用戶權限管理功能。系統(tǒng)可以設置用戶級別，對使用用戶的權限進行管理。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)系統(tǒng)功能要求及各功能之間的關系，本系統(tǒng)主要包括知識處理模塊、推理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖形處理模塊及系統(tǒng)幫助模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）知識處理模塊的作用 工程技術人員針對知識庫進行維護完善，保證知識的一致性、完整性、正確性。

2）推理模塊的作用 利用知識庫已有的知識，按照一定的推理策略和邏輯關系，完成故障的診斷，并控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)的各個模塊使之能夠很好地協(xié)同工作。

3）數(shù)據(jù)處理模塊的作用 從機載記錄的數(shù)據(jù)通過參數(shù)極值和數(shù)學算法剔除記錄中的無效數(shù)據(jù)；同時將通過推理模塊處理的數(shù)據(jù)以表格和報表形式輸出。

4）圖形處理模塊的作用 根據(jù)用戶選擇相應的一組參數(shù)繪制出隨時間變化的曲線（含診斷報文）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 知識庫和知識表示

2.1 知識庫

健康診斷系統(tǒng)是人工智能技術的一個重要組成部分。它將工程技術人員的知識、經(jīng)驗輸入計算機中，使計算機能夠以“思維”、“推理”的方式利用這些知識、經(jīng)驗，解決特定的問題。發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)的知識包括維護一線工程技術人員的經(jīng)驗知識、發(fā)動機維護規(guī)程和航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)原理性知識。通過對某型飛機發(fā)動機結(jié)構(gòu)、功能和結(jié)構(gòu)機理的分析，得到該型發(fā)動機故障分析樹如圖2所示。

為了將知識表達清晰，采用了基于故障分析樹的知識點分類方法。故障分析樹第二層的每一個節(jié)點都是知識點，都含有一定數(shù)量的分支節(jié)點，每個分支節(jié)點都有不同的知識表示，各分支節(jié)點相對獨立。本文將第二層不同的節(jié)點形成不同的知識表，有助于減少診斷推理過程中的搜索量，有效提高故障診斷效率，并有利于知識庫的維護完善。該型發(fā)動機故障分析可歸納為八個知識點，即起動過程、慢車狀態(tài)、最大巡航狀態(tài)、額定狀態(tài)、最大狀態(tài)、加減速狀態(tài)、停車過程、滑油系統(tǒng)。每個知識表都有其固有的特性，不同的故障知識點用不同的知識表來存儲，共同構(gòu)成整個健康診斷系統(tǒng)知識庫。

圖2 某型飛機發(fā)動機故障分析示意圖

2.2 知識表示

知識表示是建造健康診斷系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，知識表示方法的好壞直接影響系統(tǒng)的推理效率，知識庫的模型不僅要符合健康診斷系統(tǒng)推理的思維，同時又要具備不斷自我擴充的能力。因此，知識表示方法要具有可擴充性、簡潔性和清晰性。

發(fā)動機的故障模式復雜，診斷過程也不盡相同，有的故障只憑經(jīng)驗簡單判斷就可得出結(jié)論，有的故障則需對系統(tǒng)工作過程進行詳細的剖析并經(jīng)過復雜推理及排除各因素后方可判斷。故障診斷只需分析到外場可更換單元（LRU）。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，除了系統(tǒng)操作界面突出人性化外，知識庫中的表示結(jié)構(gòu)也要符合人的故障分析思維。下面以起動過程知識表為例說明：

1）起動準備階段

判斷：燃油切斷閥已打開；燃油增壓泵工作；發(fā)動機負載未接通；環(huán)控引氣斷開。若其中一項不滿足，則報出“不能保證起動”，同時報出哪一項不滿足要求。

2）起動過程中

判斷：

（1）起動時間：在標準大氣條件，起動時間不超過40秒；非標準大氣條件，起動時間不超過60秒。若不滿足，則報出“起動時間長”。

（2）N2開始上升：從“空氣渦輪起動機活門打開”信號開始，t≤5秒，N2轉(zhuǎn)速上升。若不滿足，則報出“N2開始上升時間晚”。

（3）N1開始上升：當N2≤20%時，出現(xiàn)N1轉(zhuǎn)速。若不滿足，則報出“N1開始上升時間晚”。

（4）空氣渦輪起動機活門關閉：當49.5%≤N2≤50.2%范圍內(nèi)，空氣渦輪起動機活門關閉。若不滿足，則報出“ATS關閉早”或“ATS關閉晚”。

（5）T4出現(xiàn)時間：從“空氣渦輪起動機活門打開”信號開始，t≤30秒，T4上升。若不滿足，則報出“T4開始上升時間晚”。

（6）滑油壓力開始上升：當N2≤45%時，出現(xiàn)滑油壓力。若不滿足，則報出“Poil上升緩慢”。

（7）T4超過最大值：T4＞660℃，則報出“T4超過最大值”。

（8）T4超過極限值：T4＞700℃或“起動時T4極限值”信號，則報出“T4超過極限值”。

（9）起動不成功：當出現(xiàn)“起動時終止供工作燃油”和“終止起動”信號，則報出“起動不成功”。

（10）出現(xiàn)“ATS應急節(jié)流門關閉”信號，則報出“ATS應急節(jié)流門關閉”。

（11）出現(xiàn)“ATS極限轉(zhuǎn)速”信號，則報出“ATS極限轉(zhuǎn)速”。

（12）出現(xiàn)“起動時滑油壓力低”信號，則報出“起動時滑油壓力低”。

（13）出現(xiàn)“燃燒室未點火”信號，則報出“燃燒室未點火”。

（14）在起動過程中未形成任何診斷報文和信息報文，則報出“發(fā)動機起動參數(shù)正?！薄?/p>

統(tǒng)計發(fā)動機起動參數(shù)及診斷報文：

…批…架某型飛機配裝的No…….動力裝置的發(fā)動機起動參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機起動參數(shù)表

3 結(jié) 論

1）本文提出的發(fā)動機健康診斷知識庫結(jié)構(gòu)可有效地描述知識模型，使得知識庫結(jié)構(gòu)簡單直觀、方便可靠、提高了故障診斷的效率。

2）本系統(tǒng)按照知識點分類的方法進行健康診斷知識庫的分類管理和維護，有助于知識庫中知識的擴充和完善。

3）本系統(tǒng)有助于機務人員對發(fā)動機的健康狀況更加深入了解，支持發(fā)動機管理和后勤的決策，確保飛行安全。

[1]Nail.某發(fā)動機技術狀態(tài)地面自動監(jiān)控控制率.北京：北京航空航天大學，2007.

[2]陳志英.航空發(fā)動機機務維護專家系統(tǒng)的研究與故障診斷.北京：航空工業(yè)出版社，2008.

[3]吳今培.智能故障診斷與專家系統(tǒng).北京：國防工業(yè)出版社，2001.