用于無人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理（IVHM）架構(gòu)設(shè)計

張博+孟寶林+欒書平

摘 要：無人飛行器系統(tǒng)由無人飛行器和地面控制臺組成。相比于有人飛行器，無人飛行器的事故率很高，成為了現(xiàn)階段阻礙無人飛行器廣泛應(yīng)用的一個重要原因。對飛行器的實(shí)時及長期健康狀況的有效監(jiān)測、診斷及預(yù)測，是飛行器保障維護(hù)工作中的重要一環(huán)。文章介紹了飛行器綜合健康管理（IVHM）的概念及其通用架構(gòu)模塊，提出了用于無人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理架構(gòu)設(shè)計，并對其可行性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：飛行器綜合健康管理；無人飛行器系統(tǒng)；架構(gòu)設(shè)計；可行性

無人飛行器的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初。那時的人們就已經(jīng)認(rèn)識到，不需要乘員的無人飛行器非常適合于執(zhí)行那些危險、環(huán)境惡劣或重復(fù)枯燥的任務(wù)。然而很長一段時間里，受科技水平的限制，無人飛行器的實(shí)際應(yīng)用十分有限。直到近二十年，隨著微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)和材料技術(shù)的進(jìn)步，無人飛行器的載重能力、控制距離和飛行持續(xù)時間得到了大幅提升，才使其具備了獨(dú)立執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)的能力[1]。

盡管無人飛行器的體量越來越大，復(fù)雜程度越來越高，功能越來越強(qiáng)，其安全性卻始終未達(dá)到令人滿意的程度。美國是目前在大型無人飛行器領(lǐng)域投入最大，裝備數(shù)量最多的國家之一。已裝備的大型無人飛行器主要有捕食者M(jìn)Q-1，全球鷹RQ-4，收割者M(jìn)Q-9等。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2012年，這三型無人飛行器的A類事故數(shù)及事故率見表1[4]。

經(jīng)調(diào)查，機(jī)載設(shè)備在飛行中發(fā)生故障或失效是造成如此多事故的最主要原因，占到A類事故總數(shù)的57%。這幾型無人飛行器還具備一些共同特點(diǎn)，如大展弦比機(jī)翼，單引擎，衛(wèi)星調(diào)制的超視線控制，長航時等。這些特性進(jìn)一步降低了無人飛行器的整體可靠性，往往單個設(shè)備或模塊的故障就會造成整個飛行器的損毀。

另一方面，無人飛行器系統(tǒng)由無人飛行器和地面控制臺組成。遠(yuǎn)程操作員通過地面控制臺駕駛無人飛行器時，可得到的信息十分有限，判斷力與直覺也因此受到限制，當(dāng)飛行器出現(xiàn)異常或故障的征兆時，往往不能及時察覺并應(yīng)對。

綜合上述這些因素，導(dǎo)致了現(xiàn)階段無人飛行器的事故率遠(yuǎn)高于有人飛行器。大型無人飛行器想要更廣泛地應(yīng)用在民用各個領(lǐng)域，就必須有效地解決安全性問題。

1 飛行器綜合健康管理概述

飛行器綜合健康管理（IVHM，Integrated Vehicle Health Management），是一種對飛行器及其組成部件的健康狀況進(jìn)行統(tǒng)合地監(jiān)測、預(yù)測、診斷及處置的能力[5]。IVHM的概念從機(jī)內(nèi)測試（BIT）及機(jī)內(nèi)測試設(shè)備（BITE）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，通過智能自主的監(jiān)測、預(yù)測、維護(hù)調(diào)度、異常處置等手段，提升飛行器總體的安全性、可用性、可靠性，并降低維護(hù)維修的費(fèi)用。IVHM包含的活動主要有：

（1）監(jiān)測：通過飛行器上的分布式傳感器，采集飛行器各部分工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）診斷及預(yù)測：診斷是否存在異常，判斷異常的嚴(yán)重程度，并預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)的變化趨勢。

（3）緩解或修復(fù)：在最大可能保證系統(tǒng)和任務(wù)有效性的前提下對異常進(jìn)行處理，將故障部分恢復(fù)到正常狀態(tài)，或更換故障部分，或其它空中/地面維護(hù)工作。緩解及修復(fù)的實(shí)施須建立在健康診斷或預(yù)測的基礎(chǔ)之上。

（4）檢驗(yàn)：確認(rèn)故障已被正確地修復(fù)，并且沒有遺留潛在問題。

IVHM活動模型見圖1。四項(xiàng)主要活動在IVHM的綜合調(diào)度下由機(jī)上設(shè)備自動執(zhí)行或由地面維護(hù)人員完成。對無人飛行器來說，在沒有機(jī)上駕駛員的情況下，IVHM可對飛行器各組成部分的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及檢測，有效幫助遠(yuǎn)程操作員把握飛行器的整體健康狀況。在出現(xiàn)故障或隱患時，盡量使其恢復(fù)到正常或?yàn)榫S護(hù)工作提出決策及建議，將安全性風(fēng)險和對任務(wù)的影響降到最小。另一方面，無人飛行器為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通常也具備較高的系統(tǒng)集成度和故障檢測覆蓋率，降低了IVHM在無人飛行器上應(yīng)用的難度。

2 IVHM通用架構(gòu)模塊

飛行器的各個部件通常由不同的供應(yīng)商開發(fā)，并且具備各自獨(dú)立的維護(hù)產(chǎn)品和服務(wù)。為實(shí)現(xiàn)IVHM對全機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集及綜合處理，必須解決各部件之間數(shù)據(jù)格式及傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化問題。2001年，由美國海軍牽引，由波音、洛克韋爾等公司聯(lián)合組建的小組制定了一個用于視情維護(hù)的開放系統(tǒng)架構(gòu)OSA-CBM（Open System Architecture for Condition Based Maintenance），之后被IVHM機(jī)構(gòu)引用，成為了IVHM通用標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)[6]。

OSA-CBM架構(gòu)分為七層，自底向上分別是：

ST（Sensor/Transducer）：傳感器；

DA（Data Acquisition）：數(shù)據(jù)采集；

DM（Data Manipulation）：數(shù)據(jù)處理；

SD（State Detection）：狀態(tài)檢測；

HA（Health Assessment）：健康評估；

PA（Prognosis Assessment）：預(yù)測評估；

AG（Advisory Generation）：決策生成。

后文將以上述7個層級作為基礎(chǔ)功能模塊開展IVHM架構(gòu)設(shè)計。

3 用于無人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理架構(gòu)

為滿足遠(yuǎn)程控制的需求，無人飛行器系統(tǒng)的系統(tǒng)集成度和自動化程度很高，而且系統(tǒng)各層級本身就具備覆蓋度較高的狀態(tài)監(jiān)測傳感器，可以被IVHM直接利用。事實(shí)上，隨著IVHM概念的慢慢成熟，人們對IVHM的設(shè)計也趨于務(wù)實(shí)化。飛行器上的慣性導(dǎo)航傳感器、衛(wèi)星定位設(shè)備、無線電定位設(shè)備、控制傳感器以及各個設(shè)備中的BIT傳感器已足夠支撐IVHM數(shù)據(jù)采集層的需求[7]。發(fā)動機(jī)、飛控等任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)具備的系統(tǒng)級綜合健康管理（ISHM，Integrated System Health Management）也逐漸成熟，可以為全機(jī)IVHM提供較高層級的功能支持。同時，飛行數(shù)據(jù)記錄儀、飛行管理系統(tǒng)和任務(wù)管理系統(tǒng)還可以承擔(dān)一部分?jǐn)?shù)據(jù)綜合處理的工作。最后，飛行器診斷、預(yù)測、決策支持任務(wù)可以交由地面控制臺來完成。無人飛行器系統(tǒng)IVHM整體架構(gòu)設(shè)計見圖3。

圖中可見，這一架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是充分復(fù)用了飛行器各部件上已有的傳感器及數(shù)據(jù)處理能力。對不具備信號采集或數(shù)據(jù)處理能力的設(shè)備，才將相應(yīng)的功能交由機(jī)上IVHM模塊來完成。同時，將診斷、預(yù)測與決策任務(wù)放在地面控制臺中進(jìn)行，以最大程度地減少機(jī)上的額外負(fù)載。此外，有效的系統(tǒng)健康診斷和預(yù)測必須建立在大規(guī)模數(shù)據(jù)積累和模型匹配計算的基礎(chǔ)之上，而地面控制臺則可通過外部云數(shù)據(jù)、云計算的支持，提高健康診斷、預(yù)測和決策的準(zhǔn)確性。

4 可行性分析

IVHM作為一個新興領(lǐng)域，目前仍處在不斷發(fā)展和完善之中，盡管已建立起較為成熟的理論體系，但其工程應(yīng)用的腳步卻并不算快。主要原因就是IVHM實(shí)現(xiàn)的不是與飛行或戰(zhàn)術(shù)任務(wù)直接相關(guān)的功能，在飛行器有限的載荷、能源、帶寬等的分配中，很難獲取足夠的資源。因此，能否帶來可觀的投資回報率（ROI，Return on Investment）是決定IVHM可行性的關(guān)鍵因素。IVHM ROI的計算方法如下[9]：

式中PR是IVHM提升飛行器整體可靠性所帶來的效益。相關(guān)研究結(jié)果表明，實(shí)施IVHM的飛行器可以更有效地預(yù)判系統(tǒng)部件中存在的潛在故障，相比不具備IVHM的飛行器，可提前發(fā)現(xiàn)并處理15%～30%的潛在故障。這對無人飛行器系統(tǒng)目前較低的可靠性而言，無疑是非常大的效益。

PM是IVHM視情維護(hù)相較于傳統(tǒng)定期維護(hù)所節(jié)省的費(fèi)用。現(xiàn)代飛行器的全生命周期維護(hù)費(fèi)用占到采購運(yùn)營總費(fèi)用的40%以上。而基于準(zhǔn)確狀態(tài)預(yù)測的視情維護(hù)則可以減少至少30%的不必要的維護(hù)工作[5，11]。

I是飛行器實(shí)施IVHM的安裝及運(yùn)行費(fèi)用。本文中架構(gòu)設(shè)計的主要思路就是復(fù)用飛行器中已有的傳感器及BIT能力，力圖將實(shí)施IVHM的額外負(fù)載及費(fèi)用降到最低。參考現(xiàn)有的飛行器IVHM實(shí)施成本分析結(jié)果，粗略估計所需安裝及運(yùn)行費(fèi)用不超過飛行器總采購及運(yùn)營費(fèi)用的5%[9，12]。

綜上分析，本文中設(shè)計的無人飛行器系統(tǒng)綜合健康管理架構(gòu)以較小的代價獲得了可觀的收益，可提供幾十倍至上百倍的回報率。

5 結(jié)束語

隨著無人飛行器系統(tǒng)的裝備數(shù)量不斷增長，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，其較高的事故率成為亟需解決的問題之一。本文介紹的無人飛行器系統(tǒng)IVHM 架構(gòu)設(shè)計最大程度地復(fù)用機(jī)上已具備的各級BIT設(shè)備及傳感器，并利用地面控制臺完成健康診斷、預(yù)測與決策。一方面減少實(shí)施IVHM所帶來的機(jī)上額外負(fù)載，另一方面可在云數(shù)據(jù)支持下提高診斷與預(yù)測的準(zhǔn)確性。是降低無人飛行器系統(tǒng)事故率的一條有效且經(jīng)濟(jì)的途徑。

參考文獻(xiàn)

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[12]Fischer K. ENM 590： case studies in engineering management - condition based maintenance plus return on investment analysis. US Army RDECOM-TARDEC，2011.

作者簡介：張博（1984-），碩士，研究方向：慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航、制導(dǎo)、無人機(jī)。