基于飛行數(shù)據(jù)分析的發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)研究

吳文淵，王志永，裴立明，陳林杰

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

教練機是培養(yǎng)飛行員的核心裝備，發(fā)動機作為教練機的動力裝置，是教練機的關(guān)鍵部件，發(fā)動機的維護保養(yǎng)和故障診斷預(yù)測是飛機維護保養(yǎng)工作的核心環(huán)節(jié)之一。因此，研究先進高效可靠的發(fā)動機故障診斷和維護方法具有重要現(xiàn)實意義。

航空發(fā)動機是由數(shù)以萬計的零組件組成的轉(zhuǎn)子動力裝置，是一個極為復(fù)雜的大型機電控制系統(tǒng)，其正常工作對保障教練機的飛行安全起著至關(guān)重要的作用。使用經(jīng)驗表明，發(fā)動機的故障和飛行數(shù)據(jù)之間有著極其重要的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過飛行數(shù)據(jù)的變化可以發(fā)現(xiàn)和預(yù)測發(fā)動機故障。

本文主要是通過建立專家系統(tǒng)知識庫方法對飛行數(shù)據(jù)進行分析，對發(fā)動機狀態(tài)進行推測，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，然后對各種故障發(fā)生的原因以及部位展開分析，并對故障發(fā)生的部位或故障隱患給出維修建議。

1 影響發(fā)動機性能的飛行數(shù)據(jù)

目前多數(shù)現(xiàn)代軍用飛機一般配有飛行數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，用于記錄飛行中的飛行姿態(tài)、環(huán)境以及發(fā)動機工作參數(shù)等。此外，在先進的航空發(fā)動機中有專門的發(fā)動機參數(shù)記錄設(shè)備，記錄了發(fā)動機大量的內(nèi)部氣動、熱和外部環(huán)境參數(shù)，這些數(shù)據(jù)較為全面地反映了發(fā)動機各部件在空中的實時工作情況。

飛行數(shù)據(jù)系統(tǒng)，主要采集和記錄3大類數(shù)據(jù)：

1）氣路數(shù)據(jù)：包括發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、燃油流量、排氣溫度、壓氣機導(dǎo)向器葉片角度、壓氣機出口壓力等。

2）機械狀態(tài)參數(shù)：包括滑油溫度、滑油壓力、發(fā)動機振動值、滑油系統(tǒng)金屬屑信號等。

3）大氣數(shù)據(jù)：包括空速值、大氣溫度、大氣壓力等。飛行數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄的每個參數(shù)的正常工作值都有上、下限，如果記錄的某些數(shù)據(jù)超出正常值范圍，說明相應(yīng)的某個部件可能發(fā)生故障。比如發(fā)動機操縱系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)故障，分析速度和油門位置關(guān)系，以監(jiān)控發(fā)動機燃油和控制系統(tǒng)的狀態(tài)，如數(shù)據(jù)整體下降，燃料和控制系統(tǒng)可能存在錯誤，如燃油管堵塞，油門位置變化，需提醒地勤人員加強檢查；發(fā)動機滑油系統(tǒng)，潤滑油壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以反映潤滑油系統(tǒng)的故障。

2 發(fā)動機故障診斷方法

故障診斷的支撐技術(shù)主要分為兩類：基于模型的和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，基于模型的技術(shù)主要依賴準(zhǔn)確的系統(tǒng)動態(tài)模型，且能夠檢測到非預(yù)期故障。這種技術(shù)利用實際系統(tǒng)和模型輸出產(chǎn)生殘差，判定潛在的故障狀態(tài)，一般采用濾波器準(zhǔn)確定位發(fā)生故障的部件。數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)一般只能處理預(yù)期的故障狀態(tài)，用于在線檢測并確定故障發(fā)生的部件，數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)不需要依賴模型，只需要獲得故障相關(guān)數(shù)據(jù)即可，因而更加靈活。

依據(jù)這兩種支撐技術(shù)，發(fā)動機故障診斷方法主要分為三類：

1）歷史數(shù)據(jù)診斷法

在航空裝備中有大量的歷史失效數(shù)據(jù)，將歷史存儲的失效數(shù)據(jù)與測量信號比較能夠檢測出故障狀態(tài)。采用歷史數(shù)據(jù)診斷的技術(shù)挑戰(zhàn)是需要從非常龐大的數(shù)據(jù)中提取有用的診斷信息。目前此類數(shù)據(jù)分析方法有統(tǒng)計關(guān)聯(lián)/回歸方法、模糊邏輯分類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類技術(shù)等。

2）數(shù)據(jù)驅(qū)動法

當(dāng)無法直接獲得系統(tǒng)物理模型時，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動法一般能得到較為理想的結(jié)果?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的診斷方法是以發(fā)動機測量數(shù)據(jù)作為部件故障診斷依據(jù)，在無需建立系統(tǒng)精確解析模型的情況下，實現(xiàn)對發(fā)動機故障診斷，常見的數(shù)據(jù)驅(qū)動法有支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

3）專家系統(tǒng)法

除了上述診斷技術(shù)外，專家系統(tǒng)也是一種較為成熟的診斷技術(shù)。專家系統(tǒng)有三個特點，即：啟發(fā)性，能運用專家的知識和經(jīng)驗進行推理和判斷；透明性，能解決本身的推理過程，能回答用戶提出的問題；靈活性，能不斷地增長知識，修改原有的知識。目前已研究的專家系統(tǒng)模型有很多種，其中較為流行的有：基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、基于案例的專家系統(tǒng)、基于框架的專家系統(tǒng)、基于模糊邏輯的專家系統(tǒng)、基于D-S證據(jù)理論的專家系統(tǒng)、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)和基于遺傳算法的專家系統(tǒng)等。

3 發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計內(nèi)容

飛行數(shù)據(jù)包含飛機飛行過程中發(fā)動機各種傳感器和信號器的數(shù)據(jù)，包括壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動、油濾堵塞等信息，能夠反映飛行過程中發(fā)動機的工作狀態(tài)。發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)將飛行數(shù)據(jù)分類提取，其中包含告警信號的數(shù)據(jù)經(jīng)過故障診斷知識庫去除虛警信號，從而降低虛警率；其他模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量的發(fā)動機數(shù)據(jù)經(jīng)過故障診斷知識庫的解析輸出飛行解析故障。發(fā)動機排故系統(tǒng)用于飛行數(shù)據(jù)告警和飛行解析故障的排除，排故人員不但可以使用排故知識庫中的處理方法，而且能夠?qū)⑿碌墓收咸幚磙k法添加到排故知識庫中，不斷完善排故知識庫。

發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)將每個架次的飛行數(shù)據(jù)導(dǎo)入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫用于發(fā)動機狀態(tài)分析、發(fā)動機壽命分析、附件壽命分析、偏差分析和趨勢分析；經(jīng)過對發(fā)動機飛行數(shù)據(jù)的分析可有效提高故障檢測率和故障隔離率，為維修人員排故過程提供指導(dǎo)。發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計圖

3.2 專家系統(tǒng)知識庫內(nèi)容

專家系統(tǒng)知識庫包括：故障知識庫、數(shù)據(jù)分析知識庫和排故知識庫3部分，其中包含發(fā)動機手冊、功能圖表、供油圖表、電氣圖表、滑油圖表、主系統(tǒng)控制圖表和應(yīng)急系統(tǒng)控制圖表等技術(shù)文檔，與故障診斷相關(guān)的故障診斷依據(jù)，維修人員長期排故過程中積累、整理、總結(jié)的發(fā)動機常見故障、故障點和排故經(jīng)驗。本文故障診斷專家系統(tǒng)知識庫采用基于規(guī)則和基于案例的專家系統(tǒng)方法，訓(xùn)練出故障診斷模型，能夠快速完成對飛行數(shù)據(jù)的分析，輸出故障診斷結(jié)果和故障排除建議。

3.3 故障診斷

1）飛行告警信息處理

發(fā)動機故障診斷結(jié)果來源于發(fā)動機數(shù)據(jù)中的告警信息和飛行數(shù)據(jù)分析得出的故障信息。其中發(fā)動機告警信息中存在大量的虛警信息，造成維修人力的浪費。發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)首先分類提取故障告警信息，然后將告警信息相關(guān)的飛行數(shù)據(jù)和分類的告警信息經(jīng)過故障知識庫分析去除虛警信息。經(jīng)過對飛行告警信息的處理，可極大的降低虛警率，有效減少維修人力、增加飛機出動架次。飛行告警信息處理流程，如圖2所示。

圖2 飛行告警信息處理流程

2）飛行數(shù)據(jù)分析方法

利用傳感器和信號器數(shù)據(jù)和故障診斷模型輸出產(chǎn)生殘差，通過故障診斷決策邏輯輸出故障點，并由排故知識庫輸出發(fā)動機排故建議。飛行數(shù)據(jù)分析流程，如圖3所示。

圖3 飛行數(shù)據(jù)分析流程

3.4 歷史數(shù)據(jù)分析

航空發(fā)動機故障診斷過程是一個發(fā)動機狀態(tài)綜合分析的過程，一個架次的飛行數(shù)據(jù)雖能夠反映發(fā)動機的狀態(tài)，但無法對發(fā)動機狀態(tài)進行預(yù)測，也無法反映發(fā)動機整體狀態(tài)。因此，本系統(tǒng)將存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的飛行數(shù)據(jù)通過濾波、求均值等數(shù)學(xué)處理后用于發(fā)動機壽命分析、附件壽命分析、趨勢分析和偏差分析。發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)對某航空發(fā)動機壽命分析結(jié)果如圖4所示，其相關(guān)參數(shù)分別為T總、T最大總、T教學(xué)總、T最大連續(xù)、N慢車連續(xù)、N循環(huán)和N啟動，參數(shù)反映發(fā)動機當(dāng)前飛行時間占最大飛行時間的比例、當(dāng)前啟動次數(shù)占總啟動次數(shù)的比例等信息。

圖4 發(fā)動機壽命分析結(jié)果

發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)對某航空發(fā)動機啟動分析結(jié)果如圖5所示，發(fā)動機啟動狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)分別為：發(fā)動機啟動時間、發(fā)動機點火時間、發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子慣性運轉(zhuǎn)時間、發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子慣性運轉(zhuǎn)時間，參數(shù)變化趨勢如圖5所示。通過對發(fā)動機啟動趨勢分析，了解發(fā)動機啟動過程的變化情況，對發(fā)動機故障進行預(yù)測，降低災(zāi)難性失效發(fā)生概率，適時維修縮短裝備停機時間。

圖5 發(fā)動機啟動趨勢分析結(jié)果

4 結(jié)語

基于飛行數(shù)據(jù)，建立發(fā)動機專家系統(tǒng)故障診斷模型，能夠有效的監(jiān)控發(fā)動機的健康狀況，保障航空發(fā)動機的安全性能，為發(fā)動機故障預(yù)測和診斷提供重要的參考依據(jù)。