民用飛機系統的故障預測與健康管理系統設計

摘要：在對民用飛機系統的故障預測與健康管理系統及其重要作用進行論述的基礎上，分析了故障預測與健康管理（PHM）、視情維修（CBM）、自主保障（AL）及其相互關系。同時，論述了民用飛機系統的故障預測與健康管理系統的幾個主要功能模塊。

關鍵詞：民用飛機；系統故障預測；健康管理

1.民用飛機系統的故障預測與健康管理系統及其重要作用

從民用飛機系統整體可靠性、安全性以及運行經濟性的角度出發，采用預測技術作為支撐的故障預測及健康管理（PHM）方法已經在民航飛機故障預測中得到了更廣泛的應用，同時也成為了當前飛機設計及運營的重要構成部分，是將來航空飛行器故障診斷體系的完善法制方向。當前，PHM技術的主要研究方向在于提高故障診斷以及故障預測的精度，同時通過擴大健康監控的應用對象的方法，逐步形成基于飛機狀態的自主式保障體系。

目前，國內對PHM技術的研究和應用都處于技術早期階段，雖然在飛機的系統運行狀況監控、故障診斷的研究方面獲得了一定的成果，但是因為故障診斷、狀態監測與飛機管理維修工作相互分離，導致故障信息的反饋速度較慢，資源的共享性、可擴展性以及可靠性都較差，制約了飛機的整體性能。所以，在在飛機系統的基礎管理工作中，構建其飛機系統故障預測以及健康管理系統對提高飛機的狀態檢測、故障預測與檢測、故障維修水平具有重要作用。

2.故障預測與健康管理（PHM）、視情維修（CBM）、自主保障（AL）及其相互關系

2.1 . PHM、CBM與AL的概念

民用飛機的系統故障維修方式經歷了包括反應性維修、預防性維修以及視情維修三個階段。其中，視情維修需要飛機系統自身擁有對相關故障的預測以及故障診斷能力，從而達到系統故障維修的“經濟可承受性”目的，這就產生了故障預測及系統健康管理的基本概念。PHM是一種針對飛機系統進行的全面故障檢測、隔離以及預測的管理技術，其引入的最終目的是了解并預測故障的發生時間或者針對預測外的故障進行簡答的處理，而不是直接對故障進行維修。

而AL則是一種基于知識的后勤保障系統，可以對飛機系統的綜合保障需求進行辨別，同時建立起供應鏈管理、部件可靠性與安全性識別系統庫，有利于維修任務的執行。

2.2. PHM、CBM與AL間的關系

PHM技術是基于自主保障以及視情維修基礎之上的，是自主保障技術的實現以及事情維修技術目標達成的一項關鍵技術。目前，其作為美國空軍CBM技術的最高水平，在減少維修人力耗費、增加航空飛機的運營效率等方面具有重要作用。隨著PHM與CBM技術的不斷發展，實現了民用飛機系統自助保障性能的不斷提高，改善了飛機系統故障預測的精度及自主性能。

在民用飛機的設計過程中，將PHM系統貫穿進去，能夠顯著減小甚至消除故障診斷過程中測試設備、工具以及診斷設備的應用。同時，形成了一種以維修人員為主，集專家診斷技能于一體的執行功能。另外，有利于將部分不重要的零部件推遲維修，便于民用飛機航班密集時的部署。

3.基于PHM技術的自主保障系統的構建

在構建一個基本的PHM系統中，主要構建三個模塊，如圖1所示。該系統的最底層分布有飛機各個子系統的狀態監測設備、PHM傳感器等；頂層則是飛機的自主保障系統，主要是管理層。

從圖1的結構來看，PHM系統通常由機載系統、地面接收系統以及自主保障系統等接口構成。其中，機載系統屬于分布式系統，工作時需要分布式計算機對之予以支持。而PHM系統是整個自主保障系統的核心，工作過程中需要多個子系統進行分布式協作。所以，需要通過開放式、模塊化以及標準的設計方法，通過形成標準、開放的連接接口才能實現。下面將對系統設計過程中的幾個關鍵模塊進行論述。

3.1. 數據采集模塊

能夠實時采集民用飛機故障預測以及健康管理系統各個部件的運行狀態參數是實現故障預測及健康管理的基礎，同時還是實現飛機自主保障的前提。當前在設計過程中，可以在飛機的關鍵部件設置PHM傳感器，顯著降低傳感器的布置難度，提高了飛機PHM能力的水平。同時，通過完善的機載檢測設備以及飛行參數記錄設備對飛機系統進行健康監控，對保證數據傳送的可靠性及穩定性提供了平臺。

3.2. 信號處理模塊

飛機的狀態參數具有種類多、數量大的特點，必須將所采集的實際狀態參數統一稱為計算機能讀取的數據格式，這樣才能對飛機的故障特征、飛行運行狀態等進行準確描述，從而降低故障預測以及故障診斷的難度。因為現代先進民用飛機的系統交互程度大，故障種類較多，飛機故障狀態與原因之間存在著極其復雜的非線性映射狀態。所以，通過智能算法對飛機多狀態參數數據進行融合處理成為了飛機系統故障預測及健康管理的基礎。

3.3 .診斷預測模塊

目前，飛機的故障預測方法主要是通過物理失效模型進行計算預測的，通過數據驅動及融合的方式達到診斷預測的目的。而對飛機內部不同類型的子系統，則必須將這些方法綜合運用，同時結合專家系統的模糊推理才能建立起有效的PHM系統，保證故障診斷預測功能得以實現。

3.4. 分析決策模塊

PHM系統的另外一個特點在于其要求極高的時效性，而當前的系統都是在飛機降落之后才能得到相關部件的維修計劃。當使用PHM系統得到診斷預測結果并作出對應的決策之后，自主保障系統將在飛機飛行過程中進行對應的故障隔離，同時在系統失效時間內安排維修計劃，并在飛機降落前就通知對應的維修任務。這樣就大大降低了飛機的維修時間，提高了飛機維修的精度，減少了航班延誤的概率。

參考文獻：

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