飛參在飛機故障診斷中的應(yīng)用

項國輝，劉鵬，張磊

（1.駐320廠軍事代表室，江西南昌330024;2.中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

飛參在飛機故障診斷中的應(yīng)用

項國輝1，劉鵬1，張磊2

（1.駐320廠軍事代表室，江西南昌330024;2.中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

飛參數(shù)據(jù)記錄了飛機全機各系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)。本文通過對飛機故障診斷技術(shù)發(fā)展的需求及趨勢分析，闡述了飛參數(shù)據(jù)對飛機故障診斷支撐的作用，并介紹了基于飛參數(shù)據(jù)在飛機故障診斷中的流程與方法。分析結(jié)果表明，結(jié)合融合數(shù)據(jù)庫對飛參數(shù)據(jù)進行綜合處理診斷，可對潛在的飛機故障進行預(yù)測，以提高飛機可靠性，提升飛機飛行安全。

飛參系統(tǒng)；故障診斷；融合數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)采集處理

0 引言

隨著飛機系統(tǒng)復(fù)雜化、智能化程度的提高和功能的擴展，飛機故障模式和失效原因越來越復(fù)雜。飛機一旦發(fā)生故障或事故，往往會帶來重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。在飛機各系統(tǒng)、零部件出現(xiàn)故障之前，通過監(jiān)控其相應(yīng)的性能參數(shù)判斷該系統(tǒng)或零部件是否有故障或者有故障發(fā)生的可能性，進而對其進行故障預(yù)測、判斷其故障原因、分析故障發(fā)生的概率和危害程度，能夠顯著提高飛機整體的可靠性、安全性。

飛行參數(shù)采集記錄系統(tǒng)（簡稱飛參系統(tǒng)）是采集、記錄飛行過程中飛行通訊數(shù)據(jù)、飛機姿態(tài)信息、飛機各系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)的一種機載電子設(shè)備，飛行結(jié)束后，將存儲在記錄介質(zhì)上的數(shù)據(jù)下載，對飛行過程重現(xiàn)，可用于飛機狀態(tài)監(jiān)測、飛行訓(xùn)練評估及飛機事故分析。

飛行參數(shù)是任何一架飛機必裝的設(shè)備之一，利用飛機的飛參數(shù)據(jù)，對飛機各系統(tǒng)、零部件的狀態(tài)進行監(jiān)控分析并對可能發(fā)生的故障進行預(yù)測和診斷，不僅是飛參功能的進一步深化和拓展，對飛行安全也有重要意義。

1 飛機故障診斷的發(fā)展趨勢

飛機故障診斷是對飛機關(guān)鍵系統(tǒng)或零部件的技術(shù)狀態(tài)進行狀態(tài)感知、故障預(yù)測評估、維修決策支持的綜合診斷、預(yù)測及保障管理技術(shù)[1]。故障診斷允許在產(chǎn)品或系統(tǒng)的真實應(yīng)用條件下，對其可靠性進行評估[2]，確定故障性質(zhì)、故障部位及故障起因。飛機故障診斷是飛機各系統(tǒng)BIT自檢測的進一步發(fā)展，是未來飛機各系統(tǒng)、零部件綜合管理與預(yù)測發(fā)展的必然趨勢[3]。近年來，伴隨著飛機系統(tǒng)越來越復(fù)雜和可靠性安全性要求越來越高，飛機故障診斷技術(shù)已經(jīng)由學(xué)術(shù)研究階段進入工程應(yīng)用階段，被視為新一代飛機航電系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點之一。

飛機故障診斷系統(tǒng)分為機載故障診斷系統(tǒng)和地面故障診斷維護系統(tǒng)兩部分。機載故障診斷主要包括實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理、實時故障預(yù)測、實時故障決策四部分；地面故障診斷維護系統(tǒng)主要用于飛行事后維護，對記錄的飛行數(shù)據(jù)重現(xiàn)并進行分析，與過去記錄的數(shù)據(jù)對比，找出數(shù)據(jù)異常情況，對設(shè)備零部件維修更換提供建議，側(cè)重于地面維修決策[4-7]。

目前，飛機的故障診斷基本上都是結(jié)合人工智能理論和方法，利用計算機模擬人類專家對故障進行識別、診斷，以知識處理為核心，將知識處理、信號處理與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合，借助復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的計算和智能推理評估系統(tǒng)完成飛機或系統(tǒng)的功能狀態(tài)評估，主流的預(yù)測方法有累積損傷預(yù)測法、故障征兆預(yù)測法、故障預(yù)警預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、小波變換分析法、模糊系統(tǒng)分析法、模式識別分析法等，這些數(shù)學(xué)模型需要有大量的飛行使用數(shù)據(jù)作為支撐[8-10]。飛機故障診斷基本流程如圖1所示。

圖1 故障診斷基本流程

2 飛參與飛機故障診斷的聯(lián)系

隨著數(shù)字采集監(jiān)測、數(shù)據(jù)總線、微處理器、超大規(guī)模集成電路等高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，飛參系統(tǒng)的采集處理能力大大提高，飛參系統(tǒng)除了應(yīng)用于飛行事故處理外，逐步成為飛機維護管理體系的一部分。飛參已經(jīng)由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集記錄功能拓展至數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。如國內(nèi)某些飛參功能除了具備參數(shù)采集功能外，還具備對飛機設(shè)備故障或狀態(tài)的告警提示功能，通過飛參預(yù)置觸發(fā)告警的邏輯條件，以聽覺、視覺和觸覺告警等形式對飛行員提示告警信息，供飛行員決策。另外，還有些飛機將飛參采集功能和數(shù)據(jù)加載預(yù)處理功能合二為一，融合后設(shè)備的名稱更換為綜合數(shù)據(jù)處理機。這些發(fā)展趨勢充分體現(xiàn)了飛參數(shù)據(jù)對飛機安全的重要作用。

通過對飛參采集數(shù)據(jù)的實時分析和處理，可以動態(tài)掌握飛機的飛行狀態(tài)，監(jiān)控飛行狀態(tài)和各系統(tǒng)部件的性能和使用情況，及時發(fā)現(xiàn)飛機各系統(tǒng)及其零部件潛在的故障，減少飛行事故發(fā)生的概率。建立基于飛參系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，可以將飛參系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)作為診斷決策單元的輸入，由決策診斷單元對異常飛行數(shù)據(jù)診斷分析，給出異常參數(shù)可能導(dǎo)致的故障及其排除故障的建議方法。

3 飛參對飛機故障診斷的決策支持

3.1融合數(shù)據(jù)庫的建立

融合數(shù)據(jù)庫的基本數(shù)據(jù)（圖2）來自于歷史維修數(shù)據(jù)、飛機技術(shù)資料、飛機設(shè)計極限閾值包線、排故經(jīng)驗數(shù)據(jù)、故障案例庫、故障診斷策略及飛機使用維修技術(shù)等，將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行融合，建立一套適合于計算機識別診斷的融合數(shù)據(jù)庫，可作為故障診斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

融合數(shù)據(jù)庫中的故障案例應(yīng)包括各種事故征兆的情況描述、處理辦法、產(chǎn)生的效果和其他相關(guān)信息，歷史維修數(shù)據(jù)和飛機設(shè)計技術(shù)資料應(yīng)該經(jīng)過專家的審閱和審定，以一種明確的故障診斷方式和格式進行存儲。在飛機使用和維修過程中，融合數(shù)據(jù)庫需不斷更新和維護。

3.2飛參數(shù)據(jù)的采集處理

圖2 融合數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

飛參系統(tǒng)對涉及飛行安全和飛機狀態(tài)的各種離散量參數(shù)、模擬量參數(shù)、總線數(shù)字信號參數(shù)等進行采集，這些參數(shù)可以分為位置參數(shù)、運動參數(shù)、操縱參數(shù)、主系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)及報警參數(shù)等。隨著飛機傳感器的發(fā)展，智能傳感器和智能蒙皮的出現(xiàn)，飛參系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)將更加全面。飛參系統(tǒng)應(yīng)能保存一定時間間隔內(nèi)的飛行數(shù)據(jù)，便于飛機關(guān)鍵系統(tǒng)或零部件狀態(tài)參數(shù)在時間上橫向?qū)Ρ龋园l(fā)現(xiàn)參數(shù)狀態(tài)或趨勢發(fā)生的變化，進而對設(shè)備零部件的故障征兆進行判斷。

飛參系統(tǒng)對于采集的參數(shù)應(yīng)進行一定的預(yù)處理，比如對于超過限定范圍的飛行參數(shù)，應(yīng)該對該超限參數(shù)及其超限范圍進行記錄；對于隨時間變化的參數(shù)，應(yīng)可記錄參數(shù)隨時間變化的曲線，并可按照時間序列分析進行歸納。

3.3 故障診斷與預(yù)測

該過程需要飛參系統(tǒng)增加數(shù)據(jù)處理、故障預(yù)測及故障決策診斷模塊，將該模塊集成至飛參系統(tǒng)內(nèi)，由統(tǒng)一的主控模塊對飛參數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理進行調(diào)度和控制，實現(xiàn)飛參數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

系統(tǒng)根據(jù)飛參采集監(jiān)測的數(shù)據(jù)與融合數(shù)據(jù)庫的比較判斷、包線擬合、知識推理、評估分析和預(yù)測計算，確定被檢測的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件的性能是否發(fā)生退化，是否可能發(fā)生故障，是否需要更換維修，運用數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理與融合、故障診斷與趨勢預(yù)測等技術(shù)手段，計算出每種故障發(fā)生的概率。對于機載故障診斷應(yīng)能給飛行員提供決策支持，對于地面故障診斷維護系統(tǒng)，應(yīng)能給地面維護人員提供維修方案建議，給出剩余使用壽命預(yù)計和健康趨勢預(yù)計。

4 結(jié)語

飛參系統(tǒng)以其客觀、準確的數(shù)據(jù)為飛機安全、飛行數(shù)據(jù)評估、飛機狀態(tài)分析、飛機事故鑒定發(fā)揮著重要作用。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛參記錄的數(shù)據(jù)越來越全面，越來越豐富，對于這些數(shù)據(jù)的深度融合和處理，對飛行與飛機安全至關(guān)重要。飛參不應(yīng)該僅僅局限于數(shù)據(jù)采集、記錄和簡單的數(shù)據(jù)處理，飛參的核心應(yīng)該是數(shù)據(jù)融合和處理，是對所采集的各種參數(shù)的深度挖掘和處理。將飛參系統(tǒng)擴展為綜合數(shù)據(jù)處理與故障診斷系統(tǒng)是飛機航電總體架構(gòu)的一種思路。

運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對大量的飛行數(shù)據(jù)進行分析，自動尋找出飛行數(shù)據(jù)中對飛機故障診斷有價值的信息。利用基于推理的智能故障診斷技術(shù)對對飛機零部件進行故障推理判斷，完成對飛機運行質(zhì)量、飛機故障發(fā)展趨勢的評估，將有利于提升部隊快速響應(yīng)能力及戰(zhàn)斗力。

圖3 故障診斷與預(yù)測過程

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>>>作者簡介

項國輝，男，工程師，1979年9月出生，2003年畢業(yè)于空軍工程大學(xué)，現(xiàn)從事空軍裝備質(zhì)量監(jiān)督工作。

Application of Flight Data Recorder in Diagnosis of Aircraft Failure

Xiang Guohui1,Liu Peng1,Zhang Lei2

（1.Military Representative Room in 320 Factory,Nanchang,Jiangxi,330024; 2.AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)）

FDR(Flight data recorder)records flight state parameters of each aircraft system.According to analysis on development demand and trend of aircraft failure diagnosis technology,the paper introduces the function of FDR data in diagnosing aircraft failure and procedures as well as methods of aircraft failure diagnosis based on FDR data. The analysis result shows that the integrated diagnosis on FDR data can forecast potential aircraft failure and improve reliability of aircraft and flight safety by combining with the blended data base.

FDR system;Failure diagnosis;Blended data base;Data acquisition disposition

2016-10-09）