航空裝備PHM技術發展及需求應用分析

施小弟

摘要：本文介紹了航空裝備PHM技術的結構組成，探討了PHM技術國內外研究現狀，分析了航空裝備PHM技術發展需求，總結了航空裝備PHM技術發展所存在的難題，為學者研究航空裝備PHM技術提供部分研究方向。

關鍵詞：PHM；故障預測；健康管理

中圖分類號：TH165.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0211-02

眾所周知，故障診斷與健康管理技術（Prognostics and health management， PHM）作為航空裝備上的新一代測試與診斷技術，不僅能夠最大限度的保障航空裝備的運行安全，完成既定任務，提高完成任務的能力，而且對于新型號的航空裝備適應二級維修體制需要，減少全壽命周期維護費用，具有重要的作用[1]。

隨著PHM技術的不斷深入研究與應用，針對PHM技術中的多方向，均獲得了突破性的發展，并根據型號的發展，PHM技術在多種型號上得到了廣泛的應用[2]。根據目前PHM技術的發展情況，國內外眾多科研單位在較為成熟的故障診斷和健康管理技術的基礎上，針對航空裝備PHM技術的功能需求和技術體系進行擴展研究，獲得了大量的具有實際效果的技術方法，如數據預處理技術、健康評估技術、故障預測和系統集成等技術，從而大大提高了航空裝備PHM技術的應用需求[3]。

1 航空裝備PHM技術

研究航空裝備PHM技術，其主要分為幾個步驟：（1）采用分布式傳感器網絡技術，采集航空裝備各系統的性能狀態信息；（2）采用智能數據預處理技術，對獲取到的信息進行預處理，從而捕獲表征系統性能狀態的特征信息；（3）采用多類智能算法或技術來監控和管理航空裝備的健康狀態，并對可能或即將發生的故障進行檢測或者預測，最后得到系統的運行狀態，提高的安全性能。PHM技術結構圖如圖1所示[4]。

一般地，PHM技術按功能劃分，主要劃分為：傳感器采集系統、區域級管理系統、平臺級管理系統3個層次。各部分主要功能分析如下。

（1）傳感數據采集傳輸。傳感器數據采集系統主要依據安裝在不同部位或系統上的傳感器，檢測和采集航空裝備中不同部件或系統的狀態數據，然后將采集到的數據進行有效信息轉換以及信息傳輸等[5]。（2）信息處理與特征提取。航空裝備PHM技術區域級管理系統接受來自傳感器的信號輸入和原始數據信息，采用合適的信號處理算法對所接受到的原始數據信息進行預處理，消除信號中的白噪聲或者雜質信息的干擾，同時通過合適的信號處理方法，提取出這些數據的有效特征信息，如信號的頻譜、功率譜、特征值等，然后將它們傳輸到后續功能模塊中，實現系統的故障診斷、故障預測、壽命預測及健康評估等功能[6]。（3）健康管理。健康管理功能模塊主要是接受來自傳感器數采模塊獲取到的原始數據及數據預處理模塊捕獲到的特征信息成分，依據健康評估、故障檢測等智能算法對系統進行健康評估和故障診斷，從而來監測系統的當前運行狀態[7]。

2 PHM技術國內外研究現狀

針對PHM技術研究，國內外已經開展了大量的研究，并且部分研究成果已經能夠實現在具體型號上的應用。國外早在上個世紀60年代，已開始了PHM技術的研究。從1961年以來，美國在執行阿波羅太空計劃時發生了重要事故，因此，NASA和美國ONR主持開展了一系列對機械故障預防的研究性工作，這標志著故障診斷的開端[8]。上世紀90年代，美國軍方在針對某具體型號的飛機計劃中正式系統地提出了PHM技術的概念。2000年，PHM技術被列入《軍用關鍵技術》報告[9]。英國首先將PHM技術應用在直升機上，經過英國各部門的研究，逐漸演變成為針對直升機這一飛行器的健康與使用健康系統（HUMS）。美國波音公司推出了以網絡為基礎的飛機健康管理模塊（AHM），已經應用于B777，B747-400、A320、A330等飛機上。

國內的航空裝備PHM技術研究正處于起步階段，產品還無法達到工程化應用程度。時旺、孫宇鋒等人提出了一種基于擴展FMEA的PHM系統的實現方法，引入模糊綜合評判方法建立了飛機起落架系統的故障預測模型。呂琛等人從體系結構和應用功能兩方面進行了初步健康管理系統的設計，針對PHM系統設計和驗證中缺少設計要求驗證技術的問題，提出了設計要求的方法和程序，以及用于健康管理系統的診斷與預測算法性能度量方法，并設計了飛行器PHM系統演示驗證平臺。張莉、袁海文采用Multi-agent技術設計了一個飛機電源故障預測與健康管理系統體系結構模型。

綜上，國外已在PHM技術研究的過程中，開展了大量的工程應用性研究，部分研究成果已經能夠應用到具體型號上。與國外相比，國內相關技術的研究僅處于起步階段，多數技術無法應用到具體型號上。

3 航空裝備PHM技術發展需求

隨著航空技術的飛速發展，現代飛機往往集多種復雜系統和高新技術于一體，性能不斷提高，功能不斷完善。但是也導致了飛機系統、分系統和設備愈趨復雜，測試和診斷愈趨困難，給飛機的維護保障和使用安全帶來嚴重的問題。由于缺少綜合的系統診斷和預測能力，現役飛機在使用中普遍存在虛警率高、不能復現（CND）和重測合格（RTOK）等問題，導致其故障診斷工時和平均修復時間（MTTR）過長，測試設備種類繁雜、計劃維修次數過多，從而使飛機使用保障費用高、維修人力不足、使用完好性較差，影響了飛機的再次出動能力。

當前，隨著我國航空裝備的大力發展，對飛機的可靠性、安全性、測試性、維修性和保障性提出了很高的要求，同時也突顯出型號工程研制對飛機PHM技術發展的重要意義。隨著越來越多的新型號工程研制的開展，強有力的需求牽引將極大地促進飛機PHM技術的應用研究逐步走向深入。

4 航空裝備PHM技術發展存在的幾點問題

當前國內外開展航空裝備PHM技術研究的單位或機構較多，并取得了一定的成就，但研究成果沒有形成一個統一的平臺，PHM技術研究成果無法同步滿足新型航空裝備安全性和維修保障要求。現有的PHM技術常常只是針對某個特定的系統而言是有效的，不具有普適性。同時，由于受到傳統故障診斷技術的影響，現有PHM技術本身也存在諸多局限，主要表現在以下幾個方面：

（1）現有PHM技術，對健康評估的研究不夠深入，對系統的故障預測及健康管理技術的研究較少。（2）目前PHM故障診斷率不高。由于系統本身的復雜性難以了解系統的內部故障機理，導致無法建立其準確的故障樹；再加上早期故障特征表現不明顯，測點有限或不可及的情況下使得獲取的信息常常是不完備。（3）現有預測技術具有較大的不確定性。不確定性是故障預測的固有屬性，它主要來源于兩方面：一方面是對象故障機理本身就是一個隨機過程，另一方面預測過程本身產生的誤差。（4）缺乏客觀性。由于系統在運行的過程中存在了“人為”的因素，而且故障現象、部位和原因之間的關系非常復雜，導致得到的故障狀態信息不能充分反映系統本身的運行情況。

5 結語

從國內外PHM技術研究的發展趨勢可以看出，PHM技術正在成為新一代的飛機系統設計和使用中的一個重要組成部分，也是新一代戰斗機區別于傳統作戰飛機的重要標志，大力開展PHM技術的研究，解決目前制約航空裝備PHM技術的各種技術瓶頸，提升航空裝備技術的可靠性，為其他武器裝備的診斷、監測及管理提供技術支撐。

參考文獻

[1]莫固良，汪慧云，李興旺，等.飛機健康監測與預測系統的發展展望[J].振動、測試與診斷，2013，（6）：925-930.

[2]Chris Wilkinson. Prognostic and Health Management for Avionics[C]. 2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings，3435-3447.

[3]Jiuping Xu， Yusheng Wang， et al. PHM-Oriented Integrated Fusion Prognostics for Aircraft Engines Based on Sensor Data[J]. IEEE SENSORS JOURNAL，2014，（4）：1124-1132.

[4]杜志興.航空機電產品故障預測和健康管理技術[J].科技創新導報，2014，（16）：164.

[5]鄧力，馬登武，吳明輝.基于健康狀態監測與預測的裝備維修決策方案[J].計算機測量與控制，2013，（11）：2895-2907.

[6]王華偉，高軍，吳海橋.基于競爭失效的航空發動機剩余壽命預測[J].機械工程學報，2014，（6）：197-205.

[7]尉詢楷，劉芳，陳良峰，等.航空發動機健康管理用戶的診斷預測指標體系[J].航空發動機，2012，（5）：27-35.

[8]張慧敏，宋東，郭勇，等.故障預測模型的評價方法研究[J].測控技術，2013，（5）：121-129.

[9]郭顯新，郭小軍，龍海躍.直升機傳動系統健康管理技術[J].機械傳動，2011，（11）：86-89.

Abstract：This paper introduces the structure of PHM technology for aeronautical equipment， discusses the research status of PHM technology at home and abroad， analyzes the development requirements of PHM technology for aviation equipment， summarizes the problems existing in the development of aviation equipment PHM technology， and provides some research directions for scholars to study the PHM technology of Aeronautical equipment.

Key words：PHM； failure prediction； health management