民用飛機(jī)預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)與系統(tǒng)特征參數(shù)研究

謝原安

【摘 要】本文對(duì)預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)安全、維修領(lǐng)域的發(fā)展與重要作用進(jìn)行了說(shuō)明，同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在民用飛機(jī)研究中的關(guān)鍵技術(shù)—狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集、特征參數(shù)、剩余有效壽命預(yù)測(cè)等技術(shù)的研究進(jìn)行的了說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】預(yù)測(cè)與健康管理；剩余有效壽命；特征參數(shù)

0 概述

民用飛機(jī)的安全性設(shè)計(jì)是決定飛機(jī)型號(hào)生命的至關(guān)因素，而民用飛機(jī)的維修性設(shè)計(jì)是決定飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性與市場(chǎng)成功的重要考量，安全性設(shè)計(jì)直接決定了民用飛機(jī)型號(hào)的生死，維修性設(shè)計(jì)決定了民用飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)市場(chǎng)的成功與否，歷來(lái)為各航空制造商和運(yùn)營(yíng)商所重視。飛機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜、技術(shù)最為綜合、科技含量最高的產(chǎn)品之一，飛機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)繁雜，零部件數(shù)量龐大。這也決定了民用飛機(jī)的故障模式難以預(yù)測(cè)，對(duì)于飛機(jī)而言，排查故障、準(zhǔn)確定位、快速隔離、簡(jiǎn)化維修、及時(shí)保障、降低資源損耗，提高飛行安全，這對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高的設(shè)計(jì)要求。

為了應(yīng)對(duì)層出不窮的飛行安全問題，航空運(yùn)營(yíng)企業(yè)、飛機(jī)制造商、航空研究機(jī)構(gòu)不斷地探索各種安全與維護(hù)的新課題，力圖通過(guò)對(duì)民用飛機(jī)飛行過(guò)程中各系統(tǒng)、設(shè)備、零部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)采集的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)異常、診斷并隔離故障，對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)健康趨勢(shì)和可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前進(jìn)行維修決策和保障資源的配置，合理的提前安排維修計(jì)劃、有效地減少保障資源的浪費(fèi)、有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)活動(dòng)，阻止事故的發(fā)生，提高飛機(jī)的綜合安全性和維修性。

1 預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)

預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)（Prognostics & Health Management，簡(jiǎn)稱PHM）就是各種綜合測(cè)試技術(shù)、維護(hù)技術(shù)、航電綜合技術(shù)、后勤保障技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等在長(zhǎng)期發(fā)展融合演進(jìn)中形成的。它利用遍布全機(jī)的各類傳感裝置，實(shí)時(shí)采集飛機(jī)上各系統(tǒng)的狀態(tài)信息，監(jiān)測(cè)并診斷已發(fā)生的故障和損傷，預(yù)測(cè)各系統(tǒng)剩余壽命，與地面控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，根據(jù)故障診斷和預(yù)測(cè)結(jié)果，采取合適的減緩措施和維護(hù)策略，提前合理安排維護(hù)計(jì)劃、提前調(diào)配保障設(shè)施資源，避免事故發(fā)生，降低維護(hù)成本。該技術(shù)是提高飛機(jī)飛行簽派率、提高飛機(jī)可靠性、保證飛機(jī)運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)民用飛機(jī)視情維護(hù)（Condition Based Maintenance，簡(jiǎn)稱CBM），降低運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于飛機(jī)特別是民機(jī)的運(yùn)營(yíng)支持和產(chǎn)品支援具有重要意義。

2 狀態(tài)監(jiān)控

PHM涉及到對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的綜合健康監(jiān)控，飛機(jī)綜合健康監(jiān)控需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象較多，涉及機(jī)械、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備等多種對(duì)象，涉及傳感器種類不同，故障診斷監(jiān)測(cè)原理不同，預(yù)測(cè)方法不同，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜。為此在全機(jī)綜合健康管理系統(tǒng)硬件集成方面，首先需要針對(duì)不同監(jiān)測(cè)參數(shù)的傳感器進(jìn)行選擇、評(píng)價(jià)與布置研究；然后對(duì)多個(gè)同質(zhì)和不同質(zhì)的傳感器的信息進(jìn)行處理、特征提取，以此來(lái)完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，從而為下一階段的故障診斷與預(yù)測(cè)打下基礎(chǔ)。

建立機(jī)載系統(tǒng)特征參數(shù)庫(kù)，研究飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的故障失效、性能退化與狀態(tài)參數(shù)變化之間的關(guān)系，研究關(guān)鍵典型系統(tǒng)部件的特征參數(shù)譜，分析主要特征參數(shù)與系統(tǒng)故障的表征關(guān)系。

研究不同特征參數(shù)在系統(tǒng)工作狀態(tài)及失效狀態(tài)所表現(xiàn)出的變化趨勢(shì)，結(jié)合系統(tǒng)自身故障失效機(jī)理分析不同特征參數(shù)在量化和趨勢(shì)上與系統(tǒng)故障之間的映射關(guān)系。不同的特征參數(shù)在診斷和預(yù)測(cè)故障時(shí)的表現(xiàn)特征，從而可以利用其對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)變化曲線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)健康狀態(tài)的預(yù)測(cè)。

3 特征參數(shù)

在飛機(jī)的預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)中利用對(duì)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及時(shí)的判定飛機(jī)系統(tǒng)的健康狀態(tài)和故障信息，通過(guò)對(duì)特征參數(shù)的信息收集和數(shù)據(jù)分析，來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的健康趨勢(shì)和剩余有效壽命。系統(tǒng)的測(cè)試性分析可以提供功能流相關(guān)性模型，建立系統(tǒng)功能、失效機(jī)理和系統(tǒng)傳感器布局模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控的仿真模型。通過(guò)系統(tǒng)的功能流相關(guān)性模型可以分析得到系統(tǒng)失效過(guò)程模型，以及功能流傳播表即系統(tǒng)狀態(tài)與特征參數(shù)的相關(guān)性矩陣，基于系統(tǒng)失效模型和相關(guān)性矩陣選出系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集，研究系統(tǒng)失效過(guò)程中，單個(gè)特征參數(shù)的跟隨趨勢(shì)，或者多個(gè)特征參數(shù)的響應(yīng)狀態(tài)，建立與系統(tǒng)狀態(tài)變化相一致的特征參數(shù)譜。

利用對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)部件健康狀態(tài)特征參數(shù)監(jiān)控分析，獲取關(guān)鍵系統(tǒng)部件實(shí)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)狀態(tài)參數(shù)選擇和優(yōu)化方法的研究，來(lái)選取出關(guān)鍵系統(tǒng)部件中的特征參數(shù)用于監(jiān)控并預(yù)測(cè)系統(tǒng)健康趨勢(shì)，通過(guò)收集的數(shù)據(jù)信息繪制關(guān)鍵系統(tǒng)部件的特征參數(shù)譜，特征參數(shù)譜用于故障診斷、故障預(yù)測(cè)模型的研究和分析，是建立故障預(yù)測(cè)模型的輸入和分析的重要依據(jù)，建立與健康狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)譜，搭建關(guān)鍵機(jī)載系統(tǒng)部件狀態(tài)監(jiān)控與健康管理模塊，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理等模塊，實(shí)現(xiàn)該部件狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

4 機(jī)載健康管理平臺(tái)

飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)眾多，不同的參數(shù)反應(yīng)了飛機(jī)各系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中表現(xiàn)出的不同特性和狀態(tài)。系統(tǒng)失效過(guò)程中，不同狀態(tài)參數(shù)的變化形式和幅度不同，合理選取適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)，既準(zhǔn)確又能經(jīng)濟(jì)、及時(shí)、高效的進(jìn)行故障診斷、預(yù)測(cè)。機(jī)載健康管理系統(tǒng)研究的難點(diǎn)，通過(guò)建模、分析、計(jì)算、對(duì)比、綜合分析等手段，才能給出系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)優(yōu)化方法。

建立系統(tǒng)功能失效與測(cè)試的相關(guān)性矩陣模型。在系統(tǒng)功能流模型中，系統(tǒng)的功能失效等價(jià)于系統(tǒng)特征參數(shù)的非正常變化，因此可得到系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)與測(cè)試的相關(guān)性模型。在該模型中添加系統(tǒng)正常狀態(tài)則可得到系統(tǒng)的所有狀態(tài)，并可給出系統(tǒng)所有狀態(tài)與測(cè)試的關(guān)聯(lián)模型，基于該關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式，綜合測(cè)試的檢測(cè)信息量、隔離信息量和診斷信息量，以及對(duì)測(cè)試點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器的可靠性、成本、監(jiān)控檢測(cè)費(fèi)用、傳感器數(shù)量和重量等因素的考量，建立各個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控的權(quán)值，通過(guò)比較測(cè)試權(quán)值篩選出最優(yōu)的測(cè)試集，即可得到優(yōu)化后的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集。最優(yōu)的狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)集對(duì)應(yīng)了機(jī)載健康管理系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的監(jiān)控位置和傳感器布置情況。

通過(guò)系統(tǒng)功能流模型中加入測(cè)試與監(jiān)控信號(hào)，建立系統(tǒng)失效狀態(tài)與測(cè)試的相關(guān)性模型，基于該模型，創(chuàng)造性地利用數(shù)學(xué)建模的方式，將影響系統(tǒng)特征參數(shù)測(cè)試的各個(gè)因素建立到模型中并計(jì)算出各個(gè)測(cè)試集的狀態(tài)監(jiān)控權(quán)值，利用權(quán)值能快速地給出可以覆蓋系統(tǒng)所有狀態(tài)監(jiān)控的測(cè)試集，即特征參數(shù)集。

機(jī)載系統(tǒng)失效過(guò)程導(dǎo)致特征參數(shù)譜的變化和參數(shù)譜表現(xiàn)出的異常通常反應(yīng)了系統(tǒng)的狀態(tài)，也可通過(guò)對(duì)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的分析用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障的先兆。特征參數(shù)譜與系統(tǒng)的功能原理和故障失效機(jī)理存在著特定的映射關(guān)系，正確的描述特征參數(shù)譜不僅需要分析系統(tǒng)的功能原理、失效機(jī)理還要結(jié)合系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及自身功能原理，綜合利用特征參數(shù)模型和實(shí)際的物理模型共同解析得到系統(tǒng)的特征參數(shù)譜是健康管理技術(shù)中計(jì)算剩余有效壽命和趨勢(shì)預(yù)測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)。此外，特征參數(shù)譜是狀態(tài)參數(shù)通過(guò)傳感器采集到的信息數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)的實(shí)時(shí)反映，傳感器在數(shù)據(jù)采集過(guò)程引入的異常信號(hào)導(dǎo)致繪制特征參數(shù)譜難以應(yīng)用于故障診斷和故障預(yù)測(cè)的算法開發(fā)，因此對(duì)異常信號(hào)的處理應(yīng)該在建立預(yù)測(cè)模型之前完成。

5 結(jié)論

飛機(jī)健康管理系統(tǒng)是民用飛機(jī)目前發(fā)展和研制的必然趨勢(shì)，民用飛機(jī)的預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，涉及到的學(xué)科和專業(yè)很多，在民用飛機(jī)上建立健康管理監(jiān)控系統(tǒng)提高飛機(jī)的安全性、簽派可靠度、維修能力和保障能力需要各系統(tǒng)的全面綜合。對(duì)民用飛機(jī)特征參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)的研究是建立民用飛機(jī)健康管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

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