大數(shù)據(jù)分析在A320液壓系統(tǒng)預(yù)測(cè)性維修中的研究與應(yīng)用

熊斌華 趙紅華 程偉

摘要：液壓系統(tǒng)是A320飛機(jī)的重要系統(tǒng)，通過采取預(yù)測(cè)性維修方式，借助EMS軟件對(duì)WQAR數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析歸納總結(jié)，找出系統(tǒng)工作規(guī)律，確認(rèn)系統(tǒng)參數(shù)正常性能范圍，將之運(yùn)用于系統(tǒng)監(jiān)控，對(duì)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的性能退化的飛機(jī)系統(tǒng)提前采取維護(hù)措施，使之恢復(fù)到合理的范圍，避免飛機(jī)帶“病”執(zhí)行航班至系統(tǒng)徹底失效而影響到航班安全性。預(yù)測(cè)性維修大大降低了系統(tǒng)故障、完全失效的發(fā)生概率，有效保障航班的安全。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；AIRMAN；預(yù)測(cè)性維修；正態(tài)分布；EMS；WQAR

Keywords：hydraulic system；AIRMAN；predictive-maintenance；Gaussian distribution；EMS；WQAR

0 引言

2020年6月19日某航一架B-99XX A320飛機(jī)執(zhí)行航班過程中，機(jī)組空中報(bào)告綠液壓系統(tǒng)油箱超溫警告，機(jī)組按操作手冊(cè)關(guān)閉綠液壓系統(tǒng)，落地前重力放起落架，飛機(jī)AOG排故，后續(xù)航班取消，造成一起SDR事件。

早期的低慢小飛機(jī)可以通過鋼索或者連桿機(jī)構(gòu)連接舵面操縱，隨著飛機(jī)高速化大型化的發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱機(jī)構(gòu)已經(jīng)不能滿足飛機(jī)操縱的要求，現(xiàn)代飛機(jī)的操縱系統(tǒng)已經(jīng)被液壓系統(tǒng)取代，液壓系統(tǒng)的性能好壞直接影響飛行的安全。

1 航空企業(yè)對(duì)液壓系統(tǒng)管控現(xiàn)狀

從2016—2020年某航A320機(jī)隊(duì)因液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致的不正常事件統(tǒng)計(jì)（見圖1）中可知航班延誤達(dá)145起，其中導(dǎo)致返航/備降/滑回等SDR事件45起，多次導(dǎo)致返航重力放起落架的情況發(fā)生，給航空公司造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響，液壓系統(tǒng)的可靠性已成為影響飛行安全和航班正常的重要因素。

國內(nèi)很多航空公司對(duì)A320的液壓系統(tǒng)監(jiān)控大多建立在航前、短停、航后檢查、機(jī)組報(bào)告以及定檢定期維護(hù)等比較原始的重復(fù)性檢查基礎(chǔ)上，受人員技能、環(huán)境因素、人員疲勞等因素影響較大，往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的缺陷。目前，比較先進(jìn)的監(jiān)控手段是借助空客AIRMAN監(jiān)控軟件（見圖2），但該軟件存在的問題是，當(dāng)AIRMAN監(jiān)控到系統(tǒng)觸發(fā)警告信息時(shí)就意味著故障已經(jīng)發(fā)生，相關(guān)系統(tǒng)已不能正常工作，對(duì)飛行安全、航班正常性已造成了事實(shí)上的損害，因此該監(jiān)控軟件僅僅解決了地面同步掌握飛機(jī)是否觸發(fā)故障警告的問題。隨著機(jī)隊(duì)規(guī)模的擴(kuò)大、航班數(shù)量的增加，現(xiàn)有的技術(shù)手段以及維修模式已不能滿足大機(jī)隊(duì)運(yùn)行的需求，液壓系統(tǒng)預(yù)測(cè)性監(jiān)控需求在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。

2 A320液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為避免單一液壓系統(tǒng)失效導(dǎo)致飛機(jī)完全無法操控的情況發(fā)生，A320飛機(jī)設(shè)計(jì)了三套液壓系統(tǒng)：綠液壓系統(tǒng)、藍(lán)液壓系統(tǒng)、黃液壓系統(tǒng)。綠液壓系統(tǒng)由EDP（engine drive pump）和PTU（power tranfer unit）組成，負(fù)責(zé)某些飛控舵面操作、起落架收放、正常剎車系統(tǒng)、左發(fā)反推。藍(lán)液壓系統(tǒng)由EDP和RAT（ram air turbin）組成，負(fù)責(zé)某些飛控舵面操作、應(yīng)急發(fā)電機(jī)。黃液壓系統(tǒng)由EDP、ELECTRIC PUMP、PTU、HAND PUMP組成，負(fù)責(zé)某些飛控舵面操作、備用/停留剎車系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)、右發(fā)反推、貨艙門操作。

三套液壓系統(tǒng)互為備份，每套液壓系統(tǒng)都能保障飛機(jī)的基本飛行操作，一套液壓系統(tǒng)失效雖不會(huì)嚴(yán)重危及飛行安全，但會(huì)嚴(yán)重降低飛行安全系數(shù)，現(xiàn)代大型飛機(jī)液壓系統(tǒng)大都設(shè)計(jì)為多套系統(tǒng)互相備份，通過提高系統(tǒng)冗余度的方式保證飛行安全。

3 液壓系統(tǒng)監(jiān)控預(yù)測(cè)性報(bào)警開發(fā)

3.1 故障特征分析

對(duì)上述B-99XX故障航班數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼分析，并與其他飛機(jī)的正常航班數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見圖3），故障航班最大綠系統(tǒng)液壓壓力3500psi，綠系統(tǒng)液壓溫度99℃（見圖4），同一航班其他飛機(jī)綠系統(tǒng)最大壓力3072psi（見圖3），綠系統(tǒng)溫度66℃（見圖4），故障航班液壓壓力和液壓溫度遠(yuǎn)大于正常航班數(shù)值，說明液壓壓力和液壓溫度可以間接反映出液壓系統(tǒng)“健康”狀態(tài)。

3.2 液壓系統(tǒng)壓力/溫度合理范圍的分析方法

A320飛機(jī)綠系統(tǒng)、藍(lán)系統(tǒng)、黃系統(tǒng)三套液壓系統(tǒng)其組成、工作負(fù)載和油箱容量大小不盡相同，通過持續(xù)監(jiān)控液壓系統(tǒng)壓力/溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)的監(jiān)控。首先需要確認(rèn)液壓系統(tǒng)壓力/溫度分布的合理范圍，此處采用常用的大數(shù)據(jù)分析方法——正態(tài)分布。

正態(tài)分布有極其廣泛的實(shí)際背景，生產(chǎn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)中很多隨機(jī)變量的概率分布都可以近似地用正態(tài)分布來描述，為研究液壓系統(tǒng)失效模式提供了理論基礎(chǔ)。

1）確定正常液壓壓力分布

利用EMS譯碼軟件將某航2018～2020年A320機(jī)隊(duì)100多萬個(gè)航班的WQAR數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并利用EMS軟件采集每個(gè)航班綠、藍(lán)、黃三套液壓系統(tǒng)的最大壓力，得到綠、藍(lán)、黃三套液壓系統(tǒng)分布圖如圖5、圖6、圖7所示，橫坐標(biāo)表示航班運(yùn)行中系統(tǒng)出現(xiàn)的最大壓力值，縱坐標(biāo)表示在某個(gè)特定最大壓力值下出現(xiàn)的航班次數(shù)。以綠系統(tǒng)為例，在運(yùn)行的70多萬航班中，綠系統(tǒng)最大壓力值為3008psi。從圖中能明顯看到液壓壓力分布呈現(xiàn)出正態(tài)分布的形態(tài)，中間段（2944～3200psi）出現(xiàn)頻率較高，兩側(cè)（壓力過大/壓力過?。┏霈F(xiàn)概率較小，可以理解為液壓系統(tǒng)性能退化。

借鑒正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)中常用95%置信區(qū)間，可認(rèn)為采集到的最大液壓壓力數(shù)據(jù)中95%的數(shù)據(jù)都是合理的、正常的，而將過大、過小的壓力數(shù)據(jù)視為異常航班數(shù)據(jù)，對(duì)這些航班需要加以關(guān)注，為此初步確定了液壓壓力正常分布范圍為2600～3200psi。

2）確定正常液壓溫度分布

利用EMS軟件將某航2018—2020年A320機(jī)隊(duì)100多萬個(gè)航班WQAR數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并利用EMS軟件采集每個(gè)航班綠、藍(lán)、黃三套液壓系統(tǒng)的最大溫度，得到綠、藍(lán)、黃三套液壓系統(tǒng)分布圖如圖8、圖9、圖10所示。

從液壓系統(tǒng)溫度分布圖中明顯看出，液壓溫度也呈現(xiàn)出正態(tài)分布形態(tài)，借鑒正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)中常用95%置信區(qū)間，即認(rèn)為95%的數(shù)據(jù)溫度是合理的、正常的數(shù)據(jù)。但液壓溫度設(shè)置上需要具體問題具體分析，液壓系統(tǒng)工作會(huì)對(duì)液壓油產(chǎn)生加熱效應(yīng)，液壓系統(tǒng)超溫會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，而受外界極寒天氣影響使得低溫并非異?，F(xiàn)象，且液壓系統(tǒng)低溫并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此對(duì)溫度需要更多關(guān)注右側(cè)溫度過高的區(qū)間，為此確定了液壓系統(tǒng)合理溫度為系統(tǒng)溫度≤80℃。

綜上所述，通過利用EMS對(duì)100萬個(gè)航班進(jìn)行譯碼，并對(duì)每個(gè)航班采集綠、藍(lán)、黃三套液壓系統(tǒng)的最大壓力和最大溫度，明確了液壓系統(tǒng)正常的性能參數(shù)范圍（見表1）。

3.3 過濾數(shù)據(jù)后確定參數(shù)門限值

確定了液壓系統(tǒng)正常壓力溫度范圍后，理論上只需監(jiān)控液壓/溫度，一旦發(fā)現(xiàn)超過正常范圍，產(chǎn)生報(bào)警即可，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于信號(hào)干擾或其他因素的影響可能導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)短暫波動(dòng)，如圖11所示，這種短暫波動(dòng)在實(shí)際航班運(yùn)行中被證實(shí)并非是真正的故障，因此需要在設(shè)置報(bào)警中過濾掉此類波動(dòng)數(shù)據(jù)。

由圖11可知，可以通過設(shè)置壓力/溫度超過正常范圍的持續(xù)時(shí)間來清洗過濾掉此類波動(dòng)性帶來的假報(bào)警，由此帶來一個(gè)新的問題，壓力/溫度超過正常范圍持續(xù)時(shí)間如何確定？為此需要對(duì)溫度/壓力超限持續(xù)時(shí)間做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)100萬個(gè)航班溫度/壓力超過正常范圍持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2、表3所示。其中，表2第1列表示有1039178個(gè)航班的液壓壓力不大于3200psi或低于2600psi；第2列表示有8919個(gè)航班的液壓壓力超過3200psi或者低于2600psi，且持續(xù)時(shí)間小于10s；其他列以此類推。表3第1列表示有1045692個(gè)航班的液壓溫度低于80℃；第2列表示有935個(gè)航班的液壓溫度>80℃，且持續(xù)時(shí)間小于10s；其他列以此類推。

根據(jù)表2和表3得到監(jiān)控液壓系統(tǒng)的監(jiān)控模型，即液壓壓力大于3200psi或小于 2600psi且持續(xù)時(shí)間超過20s；液壓溫度大于80℃且持續(xù)時(shí)間超過60s。

4 液壓系統(tǒng)監(jiān)控模型實(shí)際運(yùn)用

某航根據(jù)上述液壓系統(tǒng)壓力/溫度門限值，利用譯碼軟件自動(dòng)解碼功能進(jìn)行解碼并對(duì)相關(guān)液壓溫度/壓力參數(shù)設(shè)置超限報(bào)警，在實(shí)際航班運(yùn)行中提前發(fā)現(xiàn)了某飛機(jī)液壓系統(tǒng)潛在的性能退化，并在系統(tǒng)完全失效前采取排故措施，使系統(tǒng)恢復(fù)“健康”狀態(tài)，避免了飛機(jī)突發(fā)故障導(dǎo)致AOG。

2020年12月14日，某航B65XX 5698航班觸發(fā)藍(lán)系統(tǒng)低壓報(bào)警郵件（見圖12），顯示藍(lán)系統(tǒng)壓力896psi。2020年12月17日，更換藍(lán)系統(tǒng)釋壓活門后系統(tǒng)測(cè)試正常（見表4）。

為進(jìn)一步驗(yàn)證監(jiān)控模型是否有效，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)已有多起液壓系統(tǒng)故障被監(jiān)控模型提前發(fā)現(xiàn)，從而驗(yàn)證了監(jiān)控模型的有效性。

1）2020年1月，某航B64XX飛機(jī)液壓壓力超出3200psi，如圖13中藍(lán)線右側(cè)所示，液壓最大壓力逐漸增加，6月19日維修記錄顯示發(fā)現(xiàn)故障，更換EDP后正常（見表5）。

2）某航B99XX飛機(jī)自2019年開始綠系統(tǒng)壓力超過3200psi，系統(tǒng)性能退化但并未失效，直到2020年4月最大壓力/溫度逐漸增大（如圖14中藍(lán)框所示），系統(tǒng)性能進(jìn)一步惡化，6月20日綠系統(tǒng)空中觸發(fā)超溫故障警告，導(dǎo)致飛機(jī)AOG，最終更換EDP后故障排除（見表6）。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的飛機(jī)維修模式建立在航線維修/定檢維修模式上，而航線維修/定檢維修建立在重復(fù)性/定期的檢查測(cè)試基礎(chǔ)上，其弊端在于不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)不間斷的跟蹤監(jiān)控，很難提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在的性能退化，更多的是一種當(dāng)系統(tǒng)徹底失效觸發(fā)故障警告再進(jìn)行維修的事后維修模式。

預(yù)測(cè)性維修模式通過譯碼軟件自動(dòng)對(duì)航班WQAR數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，將成千上萬航班數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)歸納分析總結(jié)，并利用大數(shù)據(jù)分析工具找出系統(tǒng)工作規(guī)律，確定系統(tǒng)參數(shù)合理的性能范圍，以此參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)的不間斷的跟蹤監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能退化將觸發(fā)警戒，而此時(shí)系統(tǒng)并未完全失效還能繼續(xù)工作，從而為后續(xù)合理安排排故措施，為恢復(fù)系統(tǒng)性能爭(zhēng)取到寶貴時(shí)間，能有效避免非計(jì)劃應(yīng)急搶修的發(fā)生。這種能“預(yù)知未來”的預(yù)測(cè)性維修模式是航空維修行業(yè)的新模式，將對(duì)整個(gè)航空維修行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)積極的影響。