民用飛機系統的故障預測與健康管理系統設計

摘要：目前，飛機系統的設計環境正面臨復雜性、綜合化、智能化等的挑戰，對民用飛機系統的故障預測與健康管理系統的研究就顯得極其重要，本文從故障預測與健康管理（PHM）的內涵以及主要功能著手，提出了飛機PHM系統的設計模型與注意事項。

關鍵詞：飛機系統 故障預測與健康管理 故障診斷 系統設計

1 故障預測與健康管理（PHM）系統的基本內涵

預測與健康管理PHM（Prognosties and Health Management）技術的主要原理是利用先進的傳感器技術對系

統性能相關的參數進行捕獲、收集、記錄，然后將這些特征參數與期望的狀態值進行對比，再使用智能算法和模型對所收集的數據和信息進行檢測、分析、預測和調整，從而通過這一系列活動來確保整個系統或設備的工作狀態運行良好。一般具備如下功能[1]：故障檢測、故障隔離、故障診斷、故障預測、健康管理和壽命追蹤。

這類技術主要包括兩個方面的內容：

一是故障預測（prognostics），即提前對部件或系統工作的狀態進行檢測，及時對故障隱患進行檢測預警，具體而言一般包括確定部件或者系統的剩余壽命或正常工作的時間長度。

二是健康管理（health management），這里所謂的健康是一個專業術語，PHM系統中的健康指的是實際狀態下的機器設備性能與理想正常性能狀態之間的偏差程度，健康管理則指根據診斷或者預測所得到的結果，根據可用資源和使用需求對維修活動進行決策。目前，PHM技術已經被廣泛應用于機械結構產品中，比如核電站設備、制動裝置、發動機、傳動裝置等。

PHM技術使得事后維修或定期維修策略發生了變化，而這種更方便更安全的轉變能夠為現實裝備保障帶來多方面功能的提升[2]：提供系統失效的高級告警；提供視情維護能力；能夠為將來的設計、評估和系統分析獲得歷史數據及知識；通過維護周期的延長或及時的維修活動提高系統的可用性；通過縮減檢查成本、故障時間和庫存，降低全壽命周期的成本；減少間歇性故障和無故障發現的發生。

2 故障預測與健康管理（PHM）系統的組成部分

通常情況下，PHM系統的構成主要有以下六個部分組成，但是各部件之間并沒有完全明顯的界限，而是彼此之間存在著數據信息的交叉和反饋，從而形成一個彼此聯系的有機整體。

2.1 數據采集和傳輸。該部分是PHM 系統數據的基礎，主要利用各種傳感器對整個系統進行檢測，采集整個系統的狀態信息和數據，并通過傳輸系統傳入PHM系統內，將所收集到的數據有效轉換成可以進行參考和作出決策的信息。

2.2 信息歸納處理。接收從傳感器或其他數據處理模塊上所產生的信號和數據，將這些信號或者數據按照一定的格式進行處理，以便用于進一步的健康評估和后續零件的故障預測，這一部分產生的輸出結果主要采取以下形式：經過濾、壓縮簡化后的傳感器數據，頻譜數據以及其它特征數據等。

2.3 狀態監測。該部分接收從傳感器或者其他處理數據模塊中產生的數據和信號，然后將這些數據與預定的失效判據的進行比較來判定此時狀態下的系統安全性，并根據預定的閾值和各種參數的極限值的設定具有故障報警功能。

2.4 健康評估。這一部分接受來自不同狀態監控模塊和其他健康評估模塊傳出的數據和信號，以各種健康狀態的歷史數據、工作狀態參數和維修歷史記錄等為參考來評估判定被監測系統的健康狀態，具有產生故障診斷數據和確定失敗可能性的作用。

2.5 故障預測決策。該部分實現了PHM系統管理的功能，大體思路是首先接受來自狀態監測、健康評估和故障預測部分產生的各類信號和數據，然后根據所收集的信號對零件更換以及維修活動提出修改措施，從而確保被測系統能夠在發生故障之前及時進行維修，避免了故障事故的發生。

2.6 接口。該部分主要分為人-機接口和機-機接口兩大類，其中人-機接口包括狀態監測模塊的警告信息顯示以及健康評估、預測和決策支持模塊的數據信息的表示等，機-機接口使得上述各模塊之間以及PHM系統同其它系統之間的數據信息可以進行傳遞交換。

3 故障預測與健康管理（PHM）系統的設計分類

在設計民用飛機的PHM系統時，可以參考以下三類PHM模型然后結合實際進行設計。

3.1 基于模型的故障診斷與預測。依據對象系統的故障特征與模型參數有著相近或緊密聯系的特性，基于模型的故障診斷與預測的技術能深入飛機的整體系統的本質和具有實時的故障預測功能，其所依據的故障診斷與預測技術的整體系統是經過大量實驗數據驗證過的，因此通常所產生的數據和決策比較真實、可靠。

3.2 基于狀態信息的故障診斷與預測。這一設計的原理是通過對飛機上各類設備的工作狀態和工作環境采取實時監測的措施，并借助人工智能等先進的計算訪求技術，來診斷、預測和合理安排設備未來的維修調度時間，從而可以有效降低設備的全壽命周期費用，進一步增加設備的穩定性，從一定程度上可以減少檢修或診斷的耗費。

3.3 基于知識的故障診斷與預測。這一設計不需要精確的數學模型，而是有效的利用相關領域專家的經驗知識來進行設計，雖然目前還不夠成熟，但是卻是很有前景的方法。通常情況下，一般將這一設計技術與其他技術相結合使用進行設計，可以獲得更好的設計效果。

4 故障預測與健康管理（PHM）系統設計中的問題與設計思路

4.1 不確定性。在對電子產品進行故障預測，不確定性的存在會影響預測精度的提高，因此就需要對不確定進行分析和研究，不確定性的來源有很多方面的原因，比如儀器測量不可能完全和正確結果高度一致、各種參數本身存在的不確定性、失效評價標準所需的評價環境和狀態無法保持不變、未來使用的不確定性、定量評估模型的不確定性、維修決策有時難以制定。而減少不確定性的根本方法就是要盡量限制產生不確定性的來源，通常情況下所采用的有效方法是增強傳感器測量、改善制造程序、優化損傷模型等。

4.2 間歇失效。間歇失效指的是一種特殊的失效形式，主要有三方面的表現：不能鑒定的失效、未來不能復現的失效、特殊的失效模式和失效機理。其中不能復現的故障（CND）占到航電產品故障比例的40%-85%。隨之便要產生高額的維修費，產生這種失效方式的原因主要有兩個：一個是電子產品檢驗的時間不夠充分，使得不合格產品未能被淘汰掉而被當做正品使用。另一個是載信號連接器連接點上存在腐蝕所致，這類原因比較普遍，但目前還無更好的方法來削弱失效的影響。

4.3 潛在的失效源。任何一個飛行器都是由成千上萬個電子產品構成的，而這些電子產品又是由大量電子元件構成的，由于每一個元件可能具有多個可測量的性能參數，而這些性能參數彼此可能存在著很大的差異和區別，并且不同元件之間往往具有非常復雜的性能相關性，因此導致電子元件上具有大量潛在的失效源。

4.4 傳感技術存在局限性。在飛機上的故障預測與健康管理系統中，為了確保時時掌控飛機的運行狀況，就需要連續監測各類器件的壽命周期載荷，但是目前的傳感技術卻還無法達到這種要求，另外傳感系統的安裝空間受到電路板大小的限制，通常情況下，電子板的空間會小于傳感器的尺寸，而且安裝到電子產品中的傳感器還可能與電子產品的性能互不兼容，甚至彼此會產生不利的影響。

在進行PHM設計時一般按照以下思路進行，首先要根據正確合理的標準選擇監測部件，確定監測參數，然后可以將各類設計方法有機統一起來，以提高設計的科學性、安全性和準確性。另外在進行設計之前要注意收集飛機主要系統的各項歷史數據，運用數據處理技術對這些歷史數據進行提取總結分析，便于對整個設計過程進行參考。

參考文獻：

[1]MICHAEL G P.Prognostics and health management of electronics[M].John Wiley & Sons. Inc.， Hoboken， New Jersey，2008：3-20.

[2]徐萍，康銳.預測與狀態管理系統（PHM）技術研究[J].測控技術，2004，23（12）：58-60.

[3]孫博，康銳，謝勁松.故障預測與健康管理系統研究和應用現狀綜述[J].系統工程與電子技術，2007，29（10）：1762-1767.

[4]王立綱.民用飛機系統的故障預測與健康管理系統設計[J].航空維修與工程，2011.

作者簡介：

石湘（1963-），男，湖南邵陽人，工程師，研究方向：電器設備。