診斷、預測和健康管理技術在直升機中的應用研究

陳圣斌，丁 杰，沈亞斌，曾曼成

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

美國國防部在2004年12月提出了后勤轉變的戰略要求。同年，美國陸軍司令部提出了陸軍航空基于狀態維修(CBM+)的行動計劃。至2010年，美國航空開發管理局-航空應用技術管理中心(ADD-AATD)和西科斯基飛機公司(SCA)在以往多年技術儲備積累的基礎上，聯合負責一項“基于能力的使用和支撐技術-航空(COST-A)開發計劃”，其目的是為旋翼航空器開發、演示/驗證綜合的診斷、預測和健康管理系統以降低計劃檢查和預防性維修工作，減少使用維修費用，提高直升機的使用可用度和飛行安全性。

1 診斷、預測和健康管理的目標和要求

1.1 目標

開發、演示/驗證旋翼航空的6個系統的診斷、預測和健康管理系統以降低計劃檢查和預防性維修工作。減少使用的維修、診斷費用，提高安全性和使用可用度。

1.2 要求

在目前現役直升機(如UH60)上的HUMS/IVHMS的基礎上，融合診斷、預測和健康管理技術以降低風險和減少研發費用。在COST-A計劃2014年結束時，所開發的診斷、預測和健康管理技術達到技術成熟度6級的水平(TRL-6)。

以最小的附加重量、費用和機上改裝，將診斷、預測和健康管理技術嵌入到機上HUMS和系統設計中。

以有限的傳感器感受和處理機上的狀態故障信息。

獲得較低的誤拆卸率，同時具有高置信度狀態檢測率和充分的提前檢測時間，以實現無故障維修。

能對機上關鍵部件/機載設備提供精確的剩余有用壽命。

1.3 維修性參數指標(目標值)

與2005年UH-60直升機外場的統計的基值相比，診斷、預測和健康管理系統的應用使UH-60直升機的維修性達到如下要求：

每飛行小時檢查減少50%；

每飛行小時維修人時減少12%;

部件平均拆卸間隔時間(MTBR)提高15%;

誤拆卸率小于5%;

故障前檢測時間最少為10飛行小時。

2 COST-A系統組成

COST-A的診斷、預測和健康管理系統由機載系統(OBS)和地面系統(GBS)兩部分組成。其中OBS實現6個主要系統的診斷、預測和健康管理。而GBS實現OBS未能完成的故障診斷工作(模糊性)，進而提供維修建議和嚴酷度顯示并完成維修規劃。系統組成如圖1所示。

2.1 機載系統

機載系統(如圖1所示)包括：

1)IVHMU(綜合健康監控裝置)。這是IVHMS(綜合健康管理監控系統)/HUMS(健康和使用監控系統)中的裝置。COST-A系統就是在IVHMU的基礎上構建的。

2)PHMU(預測和健康管理裝置)。這是一電路板，它插接在IVHMU機架上的備用插卡上，其功能是實現6個系統的狀態診斷、預測和健康管理。以減少維修排故時間，提高使用可用度。

圖1 COST-A系統結構

3)OBN(光電主網絡)。它使系統的各類數字、模擬信號進行連接，實現實時穩定和可靠通信。

4)NAIU(網絡采集和接口裝置)這是PHMU電路板、OBN和地面系統之間的主要接口單元。

5)SSI(傳感器系統接口裝置)。PHNU的傳感器經SSI裝置接到OBN上，這是一多物理接口模塊，它接受數字和模擬信號、協議等，實現光電信號轉換。

6)機載軟件。它們嵌入在PHMU的電路板上，對6個系統提供先進的機上狀態監控、診斷和推理運算律，以便實現早期的和精確的故障檢測和隔離。

2.2 地面系統[2]

如圖1所示，它包括:

1)飛機筆記本(ACN)。它和機載系統及其軟件擴展了IVHMS在機上(UH-60)陸軍平臺維修(PMA)軟件的功能，增加了6個系統的健康顯示和維修顯示。

2)部隊(大隊或營級)服務器(BAT)。應用地面診斷、預測和健康管理工具進一步隔離故障，預測部件今后的健康趨勢，利用機群的歷史數據進行維修規劃。

3 COST-A系統運行

COST-A系統運行程序如圖2所示:

圖2 COST-A軟件和推理結構

1)診斷程序。該程序將傳感器的信息處理和規格化后，識別系統非正常狀態并生成相應故障模式，將特定部件狀態指示(CI)或健康指標(HI)信息傳輸到維修集生成程序。

2)維修集生成程序。若診斷程序中某一特定部件有2個故障模式“A”和“B”的狀態指示，則生成了維修活動“1”和“2”，即這一特定部件多了一個維修活動。故障模式“A”和“B”哪一個是故障的根本原因？這存在模糊性。

3)故障模式推理程序。該程序接到模糊性信息后，便對“A”“B”兩個故障模式的發生概率排序，進而確定“A”故障為可能發生故障根因。

4)機載維修推理程序。該程序根據“A”故障映射維修集，并生成維修建議。

5)健康累計評估程序。該程序根據故障“A”的健康指標的累計評估，形成對高層次(系統和直升機)的健康指標，并以矩陣方式給出對上層次任務、安全和功能的影響，從而按GYOR(綠、黃、橙、紅)的顏色指示，對提供的維修建議在著陸時是即時進行或繼續觀察。這一顏色指示和維修建議顯示在飛機筆記本上。

6)飛機筆記本。其顯示器顯示維修建議，在對機載系統診斷的狀態仍存模糊性時，繼續診斷，給出可能的故障根因并予以隔離。

7)部隊服務器。該程序累計機載系統健康數據，并利用機群的歷史數據進行維修規劃，根據剩余壽命給出下一次維修干預時間，以便進行維修保障準備(如備件供應)。

上面的系統運行參見參考文獻[3]的實例說明。

4 預測與健康管理技術(PHM)

COST-A系統開發和改進了6個系統的PHM技術。限于篇幅，本文以旋翼系統為例簡要說明該系統某些技術的創新發展。

1)PHM的技術要求

傳感器系統要設計成可重構和可擴展，并能與OBN接口，它能連續地監控旋翼關鍵部件的關鍵載荷、運動和其它參數，以確定他們的健康狀態。

應正確地選擇予以監控的部件和載荷，并且必須獲取大載荷機動運動，同時要求選擇數據收集和傳輸的合理取樣進度。

根據監控的關鍵部件載荷，計算旋翼系統部件和機上其它部件疲勞損傷的剩余有用壽命(RUL)

應收集傳感器所監控部件的載荷和運動以便產生和推導槳轂的總載荷。

各個部件的健康是由開發的運算律確定的，它是部件的動態響應特性的趨勢與基準響應相比較得出的。

2)旋翼系統開發的技術

旋翼系統開發的技術包括：

①局部載荷和/或運動檢測傳感器

這包括阻尼器、球形軸承、總距桿端、總距桿傳感器。其中：

阻尼器——是新研發的無線傳輸、自供電的超前/滯后阻尼器傳感器系統，它能測量阻尼器的穩態，診斷振動載荷和振動運動。這些載荷和運動組合能確定阻尼器的動態響應和剛度。這些值的發展趨勢的比較就能確定阻尼器性能隨時間退化的狀態，并產生CBM的干預。這一傳感器系統具有能源生成能力，在關鍵工作狀態提供可靠而足夠的能源。

球形推力軸承(組件)——是新研發的旋翼球形和推力軸承。其無線傳輸、自供電的嵌入式傳感器網絡能測量槳葉剛體揮舞、擺振和變距運動，這些傳感器也能測量軸承上的揮舞、擺振和變距力。這些載荷和運動組合能用來計算整個旋翼載荷和監控軸承剛度的變化，從而表示出軸承性能退化的狀態。這一傳感器也設計成嵌入式能源生成器，以提供足夠的能源來連續或瞬時傳輸數據。

推力桿端——這一推力桿端使用經改進的H-60機推力桿端傳感器，該傳感器除天線之外都嵌入在桿端內，這是一無線傳輸自供電傳感器，對于COST-A計劃，其改進目標是降低重量，縮小結構尺寸，并具有最大線性度。在地面運行和懸停狀態的低載荷狀態下，它也能提供連續能源而不丟失數據。

變距拉桿——根據H-60機的經驗，將改進該傳感器無線傳輸和自供電功能，并使之與無線傳感器局網(RLWSN)接口。

②旋翼傳感器局網

COST-A系統開發的旋翼傳感器局網，便于數據從旋翼部件傳輸到設置在機體結構上的光電主網絡(OBN)。這一無線網間連接器(wireless gateway)能滿足連接在這一局網上所有傳感器的取樣數據速度、取樣時間和可靠性要求，以確保下游處理時精確同步。這一網間連接器通過OBN能與所有旋翼傳感器和PHM裝置進行雙路數據通信。

5 診斷和預測技術

COST-A系統的機載系統(OBS)和地面系統(GBS)通過其所設置的工具(現有和新引入的)來實現診斷和預測能力。其中機載系統的診斷和健康監控功能給空勤人員提供直升機健康狀態詳細評估和著陸時所推薦的維修工作范圍。地面系統的診斷和預測是一深入細致的計算工作，它利用機群數據來降低模糊性以改進診斷能力，并提供支持數個月的維修規劃。

5.1 機載系統

1)COST-A系統的每一系統都使用診斷和推理軟件。Reason PTOTM是COST-A系統推理機的主要工具。某些系統使用能兼容的專用軟件，它們都嵌入在PHMU的電路板上。這些軟件應用不同的模型，確認并使相應數據(例證)(如參數數據、BIT編碼)聯系起來。它比任一已知的單一監控都能獲得更高的精度和置信度，推斷出故障根因。

2)推理模型為層次法構建，以便優化控制管理模型的復雜性。

3)COST-A系統由3個層次組成：部件級、系統級和直升機級。任一層次的推理機都能使用和詢問其它層次的數據(例證)。任一層次的推理機都使用了3個基本單元：①數據分析——編輯預處理和提煉分類數據集，以便由推理機使用。②模型——使用三種模型，最簡單的是貝葉斯置信度網絡方式的相關性模型；第二種是正、反兩個數據(例證)評估診斷置信度模型；第三種是最完善的或最先進的使用動態和瞬時數據的相關性模型。應根據權衡研究進行工程決斷來選擇模型。③推理引擎——是一運算律群，通過運算律使數據(例證)與其模型比對以識別性能退化(不正常)部件、分系統和系統健康狀態，并計算出最可能的故障根因排序集。

5.2 地面系統

1)UH-60型機平臺維修應用：它作為將傳統應用和COST-A系統模塊綜合成一完全綜合化的圖形使用界面或接口基礎，便于維修人員連續和系統地完成維修工作。

2)COST-A系統擴展了其他的數據挖掘工具使之包括先進的運算律和推斷法。

3)機群監控工具用來支持和跟蹤工作使用參數(operational usage metrics)和飛行手冊的超限值、機械診斷、旋翼跟蹤和平衡及維修跟蹤。一種任務構建型應用工具能實現所有部件基于使用的預測以確定其剩余的有用壽命。

4)基于使用的預測軟件也支持維修規劃和評估每一主要故障模式在多任務且幾個月的規劃時間內的發生概率。

5)地面系統也連接到美國陸軍開發的集中式機群管理功能上，以便安全地收集各架直升機信息，如工作使用和部件健康。

診斷和預測技術的應用實例參見文獻[1]。

6 建模方法

COST-A系統廣泛地應用了基于物理的模型和基于數據的模型來建立COST-A系統的診斷和預測方法。

1)基于物理的模型

部件和系統基于物理的分析模型是COST-A系統診斷和預測方法的一個很重要的部分。它應用部件和系統的物理特性來建立部件和系統的診斷和預測模型。

例如旋翼系統，它開發了一種基于物理的氣-彈模型來預測部件存在缺陷狀態下的系統特性，從而定量表示可能發生的非正常狀態，例如載荷偏移高于正常振動的作用載荷，槳葉運動等。

又如，根據復合材料結構件在偶然撞擊事件中的損傷和損傷擴展狀態建立有限元分析模型，來確定損傷位置，從而定量給出損傷尺寸，并與機群的歷史數據或試驗數據相比較，確定結構件的剩余有用壽命。

2)基于數據的模型

COST-A系統廣泛地應用基于數據的分析模型，例如故障/失效模式推理模型。它應用以往設備/部件的歷史數據(如故障率)建立排故表，以便在發生診斷模糊的情況下確定可能故障的根因。

又如，在維修集的生成過程中，它使用了CI/HI與其相應故障所對應的維修措施建立了基于數據(信息)的以矩陣方式表示的對應關系，來確定每一CI/HI(狀態指示/健康指示)超限時的不正常狀態的1對1相應的維修措施。若存在模糊性，繼續應用F/FM推理模型，以確定不正常狀態所對應的維修措施。

7 關鍵技術

通過上面的討論，可以看出COST-A系統的主要挑戰是：

1)確定每一關鍵部件/設備的主要故障模式及其狀態參數，以便確定狀態指示和門限值(狀態指示器)。

2)建立狀態指示的相關模型，以便將傳感器截獲的信息轉化為表征部件健康狀態指標。

3)旋翼系統動部件傳感器應嵌入到相應部件之中，并具有自供電能力，通過無線傳輸將傳感器數據(信息)傳到設置在臨近結構件的接收天線上，以消除傳統的集流環傳輸，降低重量，提高可靠性。

4)提供關鍵部件在各種使用和環境條件下的剩余有用壽命(RUL)以便于進行維修規劃和及時提供保障資源(如備件、工具等)。

5)各個系統和6個系統綜合一起演示/驗證技術，以便在COST-A計劃結束時，驗證和確認COST-A所開發的技術達到技術成熟度6級(TRL-6)水平。

8 結論及國內發展建議

COST-A計劃經過4年的開發，為UH-60等傳統直升機和未來旋翼航空器研制的診斷、預測和健康管理系統經預測和健康管理(PHM)系統綜合試驗室(SIL)演示/驗證試驗，該系統(包括6個系統在內)開發的35項技術有20多項達到了COST-A計劃所要求的技術成熟度6級水平，還有多項要繼續投資開發使之成熟。一旦所有技術達到了TRL-6，該系統將移植到UH-60直升機上進行飛行試驗，使之進一步成熟并予以確認，以便機群改裝投入外場使用。

國內直升機領域應借鑒COST-A系統研發的成功經驗創新發展國產直升機的診斷、預測和健康管理系統。從總體上來看，它應包括：

①深入消化COST-A系統的相關資料，掌握系統的相關技術，分析其成功和不足之處，并提出改進方法。

②開展包括航空電子系統在內的各個系統關鍵部件基于故障的物理研究，確定其主要故障/失效模式及其狀態的表示方法，使航空電子系統和其他系統都融入到診斷、預測及健康管理系統之中，從而使全機各系統都實現基于狀態維修而取代當前的傳統的維修方式。

③進一步研究，通過無線傳輸或衛星通信，實現機載系統和地面系統的實時通信，以使地面人員實時跟蹤機上關鍵部件的使用狀態，從而實時診斷和預測，實現空-地信息無縫鏈接，實現及時的維修規劃和保障資源供應。直升機一著陸就進行維修，進一步減少維修和后勤保障時間，以提高直升機使用可用度。