基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷

本文介紹了2022 年南航首屆機(jī)務(wù)智慧維修創(chuàng)新大賽參賽項(xiàng)目《飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)》。該平臺(tái)以“智慧維修、數(shù)字驅(qū)動(dòng)、融合賦能”為主旨，聚焦飛機(jī)故障的預(yù)見、報(bào)告、處理全流程管控,利用數(shù)字驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)新智慧維修的探索，融合南航現(xiàn)有信息化創(chuàng)新成果，旨在解決南航現(xiàn)有遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)在一線落地最后一公里的問題，確保為飛行正常提供可靠的運(yùn)力保障。

0 引言

2022 年中國民航局發(fā)布《智慧民航建設(shè)路線圖》。智慧民航建設(shè)涉及行業(yè)全領(lǐng)域、全主體、全要素、全周期，是“十四五”民航發(fā)展的主線，是民航高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向，也是多領(lǐng)域民航強(qiáng)國建設(shè)的強(qiáng)大支撐。民航業(yè)是一個(gè)沉浸在大數(shù)據(jù)中的行業(yè)，管好用好數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造價(jià)值，是智慧民航建設(shè)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)、關(guān)鍵中的關(guān)鍵。在機(jī)務(wù)維修領(lǐng)域，要使用好飛行大數(shù)據(jù)，利用飛行大數(shù)據(jù)服務(wù)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷。因此，基于大數(shù)據(jù)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)適應(yīng)了局方關(guān)于智慧民航建設(shè)的要求。

當(dāng)前國內(nèi)外飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障預(yù)警主要是通過飛機(jī)駕駛艙效應(yīng)、飛行員和航線工作者人工上報(bào)以及發(fā)動(dòng)機(jī)廠家郵件提醒等較為簡單粗放的預(yù)警方式，在信息傳遞過程中存在信息傳遞滯后、可靠性不高，甚至信息傳遞缺失等諸多問題，造成飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)不到位、不及時(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致航班運(yùn)行事件或?qū)C(jī)組操作造成影響。在一線看來，故障預(yù)警來源繁雜，缺少統(tǒng)一平臺(tái)，需要同時(shí)監(jiān)控多個(gè)平臺(tái)信息，故障診斷預(yù)警平臺(tái)輸入接口復(fù)雜，在各個(gè)平臺(tái)操作流程不同，需要專門練習(xí)，實(shí)際應(yīng)用體驗(yàn)差。故障預(yù)警后輸出動(dòng)作不規(guī)范，自選動(dòng)作隨意，容易導(dǎo)致故障處理不及時(shí)或不正確進(jìn)而造成運(yùn)行事件。此外，運(yùn)用自編故障診斷模型對故障預(yù)警后的跟蹤和評(píng)價(jià)系統(tǒng)尚未建立，因此缺少改進(jìn)措施，導(dǎo)致故障預(yù)警工作開展難以得到各方面支持，不能持續(xù)開展，缺少對故障診斷系統(tǒng)規(guī)范管理的文件體系。

南航工程技術(shù)分公司吉林基地開發(fā)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)，具體開發(fā)思路和理念如圖1 所示。它是利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)手段驅(qū)動(dòng)飛行大數(shù)據(jù)，立足南航目前投入使用的飛機(jī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)、LeAPS 系統(tǒng)（中國南方航空云機(jī)務(wù)平臺(tái)）、天瞳系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)譯碼ALPHA 平臺(tái)的應(yīng)用開發(fā)，以制度程序建立為主干，軟硬件開發(fā)為載體，摸索智慧維修在故障管控方面的運(yùn)用。其創(chuàng)新先進(jìn)的維修管理方法賦能現(xiàn)有機(jī)務(wù)一線保障單位故障管理的維修場景，從航線運(yùn)行保障角度出發(fā)，解決一線操作端收到故障信息滯后、收到的故障信息內(nèi)容不完整、故障處置預(yù)案不完備的生產(chǎn)痛點(diǎn)和難點(diǎn)，提高故障處理效率，使“為飛行正常提供可靠的運(yùn)力保障”工作理念在機(jī)務(wù)故障管控這一重要維修場景得以全面實(shí)現(xiàn)。

圖1 本項(xiàng)目的開發(fā)思路和理念

1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 故障預(yù)警應(yīng)用部分構(gòu)架設(shè)計(jì)

通過對維修理論進(jìn)行創(chuàng)新，將故障從航線運(yùn)行角度分為“影響運(yùn)行項(xiàng)目”“預(yù)見性維修項(xiàng)目”“工程關(guān)注/航線便利項(xiàng)目”三類，如圖2 所示。

圖2 故障從航線運(yùn)行角度進(jìn)行的分類

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)還涵蓋了三位一體的預(yù)警平臺(tái)，包括聲光報(bào)警系統(tǒng)、短信警告系統(tǒng)和郵件/微信報(bào)警系統(tǒng)。

1.2 故障診斷模型開發(fā)部分構(gòu)架設(shè)計(jì)

故障診斷模型使用的快速存取記錄器（QAR）全譯碼數(shù)據(jù)，主要是基于南航目前主流的空客飛機(jī)譯碼平臺(tái)，且已在QAR 數(shù)據(jù)譯碼平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。

對故障診斷模型的建模是基于以下4 種飛行大數(shù)據(jù):

● 基于QAR 全數(shù)據(jù)譯碼模型事件開發(fā)；

● 基于飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS）報(bào)文內(nèi)容的模型事件開發(fā)；

● 基于發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)控的模型事件開發(fā)；

● 基于上述混合事件模型的開發(fā)。

1.3 平臺(tái)管理方案設(shè)計(jì)

平臺(tái)的管理方案對故障預(yù)警模型的開發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)及平臺(tái)日常使用管理等各方面都做出了明確的規(guī)定。

建模項(xiàng)目的技術(shù)管理要求具體包括故障后對譯碼復(fù)盤的強(qiáng)制要求，評(píng)估是否有建模的可能性、模型調(diào)試的管理要求、模型入平臺(tái)的管理要求、模型變更警報(bào)級(jí)別或退出的管理要求。

同時(shí)，按部門和崗位工作任務(wù)進(jìn)行分工并明確崗位職責(zé)。

平臺(tái)日常管理要求包括定期測試系統(tǒng)有效性，以及報(bào)警系統(tǒng)故障要及時(shí)報(bào)告啟動(dòng)備份方案、開發(fā)日志管理等。

2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)核心技術(shù)內(nèi)容

2.1 聲光報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

聲光報(bào)警設(shè)備為自主開發(fā)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)艄鈱?shí)時(shí)警告設(shè)備，通過聲音和閃光的形式實(shí)現(xiàn)了終端輸出，對飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)警告，以便提醒值班人員及時(shí)處理故障，從而更好地保障飛行安全。該設(shè)備集合南航飛機(jī)遠(yuǎn)診平臺(tái)、云機(jī)務(wù)平臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理平臺(tái)等相關(guān)數(shù)據(jù)接口，當(dāng)某個(gè)平臺(tái)產(chǎn)生警告后，該項(xiàng)目將同步產(chǎn)生聲音和光兩種形式的報(bào)警，便于監(jiān)控人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)警告并采取相應(yīng)處理措施。

2.2 短信警告系統(tǒng)、郵件/微信報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

2.2.1 對接ACARS 系統(tǒng)

系統(tǒng)會(huì)接收ACARS 系統(tǒng)發(fā)送的飛機(jī)綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)（AIDS）報(bào)文，首先對報(bào)文參數(shù)進(jìn)行解析，然后利用預(yù)設(shè)一系列公式對參數(shù)進(jìn)行分析，滿足條件發(fā)送報(bào)警短信和郵件給預(yù)訂邏輯的工程師，同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)給聲光報(bào)警系統(tǒng)。

2.2.2 掃描指定郵箱

對于QAR 全數(shù)據(jù)譯碼監(jiān)控模型觸發(fā)后會(huì)發(fā)送郵件到指定郵箱，工程師的自編程序會(huì)對指定郵箱進(jìn)行掃描，如發(fā)現(xiàn)指定標(biāo)題的報(bào)警郵件，將發(fā)送提醒短信給預(yù)訂警告的工程師，同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)給聲光報(bào)警系統(tǒng)。

2.3 QAR 全數(shù)據(jù)譯碼監(jiān)控模型開發(fā)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

2.3.1 QAR 全數(shù)據(jù)譯碼監(jiān)控模型建模的方法

對于QAR 全數(shù)據(jù)譯碼監(jiān)控模型，建模要求工程師在精通故障的觸發(fā)原理基礎(chǔ)上，還要掌握故障發(fā)生時(shí)刻前后與該故障有關(guān)的參數(shù)變化特點(diǎn)，以及各反饋位置參數(shù)的變化規(guī)律，從中提取出故障的主要特征。模型開發(fā)者用編程語言對故障進(jìn)行描述、畫像，再用大數(shù)據(jù)回跑機(jī)隊(duì)所有數(shù)據(jù)，對模型是否具備運(yùn)行的可能性進(jìn)行驗(yàn)證。如果判斷模型具有進(jìn)一步開發(fā)的可行性，再進(jìn)一步對模型進(jìn)行修訂完善，直到投入運(yùn)行。因此這種故障診斷方法是建立在利用QAR 全數(shù)據(jù)為故障畫像的基礎(chǔ)上，在實(shí)際運(yùn)用中一旦系統(tǒng)捕捉到故障，工作者就可以參照故障建模提供的具體信息和處理方法，快速地應(yīng)對故障，使得飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷具備了人工智能的雛形。

2.3.2 QAR 全數(shù)據(jù)譯碼模型建模的手段

南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)結(jié)合QAR 數(shù)據(jù)譯碼平臺(tái)，部署了故障模型的開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境使用Python 語言，內(nèi)置了飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)所有譯碼參數(shù)的定義和常用編程的函數(shù)，使得編程的難度大大降低。系統(tǒng)工程師經(jīng)過簡單培訓(xùn)后很容易掌握編程的技巧，這也使故障建模大規(guī)模開發(fā)成為了可能?，F(xiàn)在在南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)中，已經(jīng)形成了“在出現(xiàn)故障后工程師去研究譯碼數(shù)據(jù)，探索是否具備故障建?？赡堋钡牧?xí)慣。對依據(jù)故障診斷拆下的部件，工程系統(tǒng)專門進(jìn)行跟蹤，一是驗(yàn)證模型的有效性，二是確保部件得到有效修理，避免未發(fā)現(xiàn)故障（NFF）件重新流出航材系統(tǒng)，給部件裝機(jī)飛機(jī)帶來故障隱患。

3 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)功能及應(yīng)用

3.1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)的功能

聲光報(bào)警系統(tǒng)分為三級(jí)警告——紅色加音響警告、黃色加音響警告、綠色無聲音警告（預(yù)留）。具體項(xiàng)目分類與三位一體報(bào)警方式的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 項(xiàng)目分類與三位一體報(bào)警方式的對應(yīng)關(guān)系

與此同時(shí)，對于自行開發(fā)的故障診斷模型，在報(bào)警郵件中還會(huì)提示故障觸發(fā)邏輯、觸發(fā)故障的具體信息（時(shí)間、超限值等）、故障快速檢查參考建議。

3.2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)的應(yīng)用

截至目前，該故障智慧診斷平臺(tái)已應(yīng)用于吉林基地執(zhí)管飛機(jī)故障的預(yù)警、報(bào)告、處理全流程，診斷平臺(tái)監(jiān)控項(xiàng)目共計(jì)22 項(xiàng)（含APU）。根據(jù)故障的響應(yīng)等級(jí)按照緊急程度分級(jí)：

● H 級(jí)：緊急，值班人員立即處理并報(bào)告工程師。

● M 級(jí)：高級(jí)，值班人員需做好運(yùn)行預(yù)案并在航后進(jìn)行處理。

● L 級(jí)：關(guān)注，由主管工程師處理并視需下發(fā)排故指令。

在創(chuàng)建吉林基地的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)中，吉林基地還與南航工程技術(shù)分公司動(dòng)力裝置部聯(lián)合開發(fā)了二代聲光報(bào)警系統(tǒng)，目前該聲光報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)在南航各基地推廣運(yùn)用。

經(jīng)過飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)前期在吉林基地的應(yīng)用，成效顯著。吉林基地編制的多個(gè)故障監(jiān)控模型，也在各執(zhí)管單位均有推廣使用，具體如下。

V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油低壓電門監(jiān)控模型：自2021 年5 月該故障模型設(shè)置監(jiān)控以來，已監(jiān)控更換了14 個(gè)滑油低壓電門，送廠家后均得到了有效修理，避免了滑油低壓電門導(dǎo)致不放行故障。

V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)滑行排氣溫度（EGT）過高監(jiān)控模型：自建立模型以來，發(fā)現(xiàn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)本體裕度問題導(dǎo)致EGT過高的情況，后續(xù)優(yōu)先對這幾架飛機(jī)進(jìn)行飛行警告計(jì)算機(jī)（FWC）升級(jí)。也就是說，此模型不僅能夠監(jiān)控EGT 過高情況，更為FWC 升級(jí)優(yōu)先權(quán)提供技術(shù)依據(jù)。

APS3200 型號(hào)APU 傳感器監(jiān)控模型：目前吉林基地編寫了APU 進(jìn)口壓力溫度傳感器和熱電偶這兩個(gè)易發(fā)故障傳感器的監(jiān)控模型，且已分別監(jiān)控到進(jìn)口壓力溫度傳感器3 次故障、熱電偶3次故障，有效避免了APU 故障導(dǎo)致運(yùn)行事件。

4 結(jié)束語

整體來說，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障智慧診斷平臺(tái)，聚焦于一線操作層面的機(jī)務(wù)信息化建設(shè)，在故障管控方面整合了南航機(jī)務(wù)系統(tǒng)在用的IT 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，支持?jǐn)?shù)據(jù)的深度應(yīng)用，打破數(shù)據(jù)信息孤島。本平臺(tái)利用數(shù)字驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)新智慧維修的探索，融合南航現(xiàn)有信息化創(chuàng)新成果，可為一線故障排除維修工作賦能，為飛行正常提供可靠的運(yùn)力保障。