航空故障預測與健康管理技術

中國航空計算技術研究所 韓春陽 王 寧

航空故障預測與健康管理技術

中國航空計算技術研究所 韓春陽 王 寧

PHM是實現(xiàn)自主式保障的基石，是提高飛機可靠性、可維護性、可測試性和安全性以及降低生命周期費用和經(jīng)濟承受性的一項關鍵技術，正在成為飛機設計和使用中的一個重要組成部分。論文論述了PHM技術的內涵和原理、結構和功能、關鍵技術以及在美軍型號中的應用。

故障預測與狀態(tài)管理（PHM）；體系結構；自主式后勤保障系統(tǒng)

引言

隨著現(xiàn)代化武器裝備綜合化、智能化程度的不斷提高,現(xiàn)代戰(zhàn)爭聯(lián)合作戰(zhàn)和網(wǎng)絡中心戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)模式對武器作戰(zhàn)效能以及快速反應且經(jīng)濟、可持續(xù)的保障能力提出了越來越高的要求,因此,世界各大軍事強國都越來越重視對綜合化的故障診斷、預測與健康管理(PHM)技術的研究和應用。PHM技術實現(xiàn)了從單純的狀態(tài)監(jiān)控向綜合化的健康管理的轉變,并引入了故障預測技術,通過故障預測有效地規(guī)劃維修及供應保障,降低了武器系統(tǒng)使用與維護保障費用、提高了安全性、可靠性和可用性,實現(xiàn)了基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance CBM)和自主式保障(Autonomic Logistics AL)。

PHM技術早在2000年7月就被美國國防部列入《軍用關鍵技術》報告中,并成為美國國防部采購武器系統(tǒng)的一項要求。

1 PHM的內涵和原理

故障預測和健康管理(PHM)技術,正在成為新一代的飛機、艦船和車輛系統(tǒng)設計和使用中的一個組成部分。故障預測技術,能夠對系統(tǒng)的所有部件完成各自功能的能力,進行預見性地診斷;健康管理技術,在故障預測技術提供的信息基礎上,參照系統(tǒng)資源狀況以及功能要求,對系統(tǒng)的后續(xù)維修維護給出恰當?shù)慕ㄗh。

PHM采用了基于智能系統(tǒng)的預測技術。首先采用高靈敏度的傳感器(如小功率微型無線傳感器、渦流傳感器等)收集與系統(tǒng)各種特征屬性相關的參數(shù)值,然后根據(jù)各種數(shù)學算法(如快速/離散傅里葉變換、Gabor變換)以及預設的人工智能模型(如神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)),對系統(tǒng)狀態(tài)進行分析、預測,從而對飛機的狀態(tài)進行監(jiān)控和管理。PHM技術的實現(xiàn)將使傳統(tǒng)的事后維修(即事件主宰的維修)或定期維修(即時間相關的維修)被基于狀態(tài)的維修(CBM,亦稱視情維修)所取代。

PHM的原理是借助人工智能(AI)推理機(如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯或遺傳算法),精確地對系統(tǒng)的故障模式和狀態(tài)屬性進行模仿以及識別。圖1是實現(xiàn)PHM推理機的專家系統(tǒng)模型。

圖1 專家系統(tǒng)體系結構

2 PHM系統(tǒng)結構和功能

PHM系統(tǒng)結構示意圖如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)結構

PHM系統(tǒng)結構是一種基于區(qū)域管理器的體系結構,該體系結構以區(qū)域管理器為核心分為三層:第一層是傳感器層,該層由機載傳感器以及一些由高級算法構成的虛擬傳感器組成,用于完成原始數(shù)據(jù)(與系統(tǒng)異常屬性有關的特征參數(shù))收集;第二層由多個區(qū)域管理器構成,負責處理來自傳感器層的數(shù)據(jù),獲取飛機相應子系統(tǒng)的健康信息。區(qū)域管理器包括功能軟件模塊以及軟件推理機模塊兩大組成部分。區(qū)域管理器綜合采用了包括:數(shù)據(jù)融合技術、模糊邏輯技術、基于案例/模型推理技術以及神經(jīng)網(wǎng)絡技術,將特征參數(shù)與有用的信息相關聯(lián),借助各種算法和智能模型來分析、預測、監(jiān)控和管理各子系統(tǒng)的工作狀態(tài);第三層是飛機系統(tǒng)級的推理機,該推理機對來自飛機各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行綜合處理,進而對飛機系統(tǒng)級的健康狀態(tài)進行評估。

PHM內部結構示意圖如圖3所示。

圖3 PHM內部結構

PHM具有如下主要功能:(1)檢測與隔離故障的能力;(2)預測特定部件故障的能力;(3)跟蹤并預測部件剩余壽命的能力;(4)資源管理與推理機信息融合,以及在此基礎上形成的輔助決策能力;(5)故障信息的選擇性報告能力,即在正確的時間以恰當?shù)姆绞浇o不同的處理人員(飛行員、地面維護人員等)報告不同的故障信息。

3 PHM關鍵技術分析

3.1 故障預測技術

故障預測方法多種多樣,從實際研究中應用的理論、方法和技術路線來看,可以分為如下幾類:

(1)基于模型的故障預測技術。

該技術能夠模擬進入到對象系統(tǒng)的內部,并對系統(tǒng)故障進行實時預測。同時,該技術在獲取前期經(jīng)驗數(shù)據(jù)之后,會對系統(tǒng)的故障模型參數(shù)進行修正,從而不斷提高后續(xù)故障預測的準確性。

(2)基于知識的故障預測技術。

基于知識的故障預測技術利用對象系統(tǒng)有關的領域專家的知識和經(jīng)驗,基于專家系統(tǒng)或模糊邏輯推理進行系統(tǒng)故障的定性推理。

(3)基于數(shù)據(jù)的故障預測技術。

利用該系統(tǒng)工作歷史數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)故障預測的主要手段,實現(xiàn)途徑是采用相應的智能算法對所測量/提取的系統(tǒng)故障/失效隨時間不斷擴展的特征進行訓練,獲得相應的智能預測模型結構,進而識別和預兆在相似工況下相應“特征”對應的系統(tǒng)狀態(tài)。典型算法為神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機。

(4)復合預測模型。

建立基于物理的隨機模型(部件強度/應力的不確定性和某一特定故障特征的廣義函數(shù)),評價機械系統(tǒng)部件的剩余使用壽命; 對系統(tǒng)失效的數(shù)據(jù)特征進行提取和智能識別建立基于數(shù)據(jù)的故障預測模型,評估機械系統(tǒng)部件的狀態(tài)特征;采用信息融合算法,綜合上述模型,分析系統(tǒng)對象的健康狀況和相應的發(fā)展趨勢。 復合預測模型的輸入信息從機械傳感器信息和使用經(jīng)驗信息產(chǎn)生,主要包括:當前的狀態(tài)評估數(shù)據(jù)和工作剖面預計,輸出為部件的剩余壽命/狀態(tài)。

3.2 多傳感器融合技術

多傳感器融合技術是指對由若干個傳感器組成的具有協(xié)同的、互補的和競爭性質的傳感器陣列,在一定準則下進行自動/智能分析、處理與綜合,從而得到比單一信息源更精確、更完全的判斷,以完成所需的決策和評估而進行的多層次多方面的信息處理過程,以獲得準確的狀態(tài)和趨勢估計。

3.3 PHM系統(tǒng)驗證技術

由于產(chǎn)品結構尺寸、材料特性的分散性,外界應力、量化故障規(guī)律和測量數(shù)據(jù)的不確定性,導致了故障診斷與預測的不確定性,進而產(chǎn)生了PHM技術的性能評價與驗證問題。目前,常用的驗證方法有:(1)實際運行驗證;(2)加速試驗驗證;(3)分析驗證;(4)建模和仿真驗證。這四種方法互為補充、相互驗證。

4 PHM的應用

近年來,PHM技術受到各國軍方和工業(yè)界的廣泛關注,并且積極對PHM技術在民用和軍事兩方面進行深度挖掘和開發(fā)利用,尤其在軍事領域。

F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機的PHM系統(tǒng)。

除各種直升機以外,PHM技術同時也應用于其它軍用飛機,美國的F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(JSF)就是最典型的用例,在該飛機上PHM的系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 JSF飛機的PHM系統(tǒng)結構

F35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機上的PHM系統(tǒng)采用了高密度的軟件布局,使用了不同層次上智能推理機軟件相結合的方式,將故障診斷和預測技術綜合應用到,下至模塊級上至系統(tǒng)級的飛機各個層次。

JSF戰(zhàn)斗機的PHM系統(tǒng)包括:最底層的軟/硬件監(jiān)控軟件、中間層的區(qū)域管理軟件以及最高層的飛機平臺管理軟件。最底層是故障信息的直接采集來源,它依靠高靈敏傳感器、自檢測程序以及預測模型等各種檢測手段,將收集的各種信息匯報給中間層的區(qū)域管理器。各區(qū)域管理器對各自分管的子系統(tǒng)進行不間斷的狀態(tài)監(jiān)控,它會對來自底層的各種故障信息進行篩選分析等預處理,然后將處理之后的故障信息匯報給最高層的飛機平臺管理器。飛機平臺管理器對來自各個子系統(tǒng)的故障信息進行最終的分析與處理,確認并隔離真正的故障,同時記錄相關的故障信息供后期維護使用。為了更準確地對故障進行確認隔離,更高效地消除虛警,中間層的區(qū)域管理器和最高層的飛機平臺管理器,綜合使用了基于人工智能技術(神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯等)的推理、基于數(shù)據(jù)模型的推理、以及異常情況下的推理與預測等多種不同的推理技術。

根據(jù)評估,應用自主式保障系統(tǒng)以及PHM技術后,不可復現(xiàn)故障發(fā)生的頻率能夠降低80%左右,故障的人力維修成本降低30%左右,飛機的后勤保障規(guī)模降低40%左右,同時,能夠提升飛機的出勤率約25%。

5 結束語

總之,PHM已經(jīng)成為國外新一代武器裝備研制的一項核心技術,是未來降低復雜系統(tǒng)的生命周期費用,以及提高系統(tǒng)“五性”(安全性、可靠性、測試性、維護性、保障性)的一項非常有應用前景的關鍵技術。

當前PHM技術的發(fā)展體現(xiàn)在以系統(tǒng)集成應用為牽引,提高故障診斷與預測精度和擴展健康監(jiān)控的應用對象范圍,支持基于狀態(tài)的維修(CMB)與自主式保障(AL)等方面。

國內,研究還處于一個起步階段,從PHM提出到實現(xiàn)無疑還要做大量深入的理論研究和開發(fā)工作。

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韓春陽，男，工程師，主要從事嵌入式實時操作系統(tǒng)的研究、機載實時容錯分布式系統(tǒng)的研究。

王寧，男，工程師，主要從事嵌入式實時操作系統(tǒng)的研究、機載實時容錯分布式系統(tǒng)的研究。