一種民機PHM頂層架構仿真驗證平臺的設計和研究

(中航工業集團上海航空測控技術研究所 故障診斷與健康管理技術航空科技重點實驗室，上海 201601)

0 引言

在民用航空領域中，大型客機實時健康監控一般是通過機載設備來實現，飛機通過自身的監控設備對飛機健康狀態進行實時監測，如地面人員不能及時得到飛行故障信息，對于飛行中特殊情況的應急處理無法操作，嚴重影響飛行的安全性和資源的操控性。

為飛機訂制一套合理可行的健康管理系統，使航空公司的飛機維修和資源管理更全面、更完善，不僅能提高飛機的安全性、環保性，還可控制燃油成本、節約資源，是現代飛機發展中的重要內容和迫切需求。然而面對民機不同架構的PHM系統，需要選擇合適的評判準則來驗證，所以首要問題是選擇合適的仿真軟件和設備來搭建仿真驗證平臺。

文中基于燃油系統和客艙系統開發的一套民機PHM頂層架構的仿真驗證平臺，提出民機不同PHM架構，配置不同的機載系統和監控參數，實現地面對機載數據的實時監控，地面完成故障診斷與健康管理，然后根據評判準則(費效性和功能完整性)進行PHM架構驗證，評判架構是否具有合理性和可行性。

1 國內外在民機PHM系統上的發展

1.1 國外民機PHM技術發展

20世紀90年代初期，國外在飛行數據采集記錄系統的基礎上，引入飛機故障預測與健康管理的概念和技術。經過20多年的發展，已實現具備空地一體化、飛機實時診斷等特點的飛機維護支持系統。美國、歐洲的主要航空發達國家十分重視PHM的研究與應用，PHM技術正朝著更加綜合化、信息化、標準化和智能化的方向發展[1]。

目前在國外已開發了相關PHM 設計軟件，進行PHM 的輔助設計和仿真分析，主要以下3種：

1)PHM DesignTM：PHM DesignTM 是由Impact-tec公司開發的一種創新的軟件工具，專門致力于設計，開發、評估和部署預測和健康管理(PHM)或基于狀態的維修(CBM)系統。PHM 的設計模型是構造系統級設計布使用傳感器、算法(BIT，診斷和預測后)、失效模式、癥狀影響和維護任務，充分表現PHM 系統的功能。

2)MADe PHM：MADe PHM是PHMTechnology提供的一款PHM 輔助設計工具，用于工程師執行或分析CBM、HUMS、診斷、健康管理和PHM 對于任務和安全關鍵系統的功能、作用。使用MADe 的系統模型和故障數據，MADe PHM 能使用戶為新的或遺留系統相結合傳感器集進行設計，比較每種設計下的財政和工程參數(如：費用、可靠性等)。

3)波音IVHM技術的發展：波音公司預研部門開發的IVHM技術可轉化為應用到實際飛行中的成熟產品，其產品的重點是在于系統集成與信息集成[2]。 為實現這一目標，“鬼怪”工作室開發一個健康管理工程環境，包括項目分析與建模環境、開發環境和使用環境，這3個設計環境為波音公司IVHM項目開發提供了一組過程與工具，促進集成與完善IVHM所必需的各項關鍵技術。

1.2 國內在民機PHM系統上的發展

國內自“十二五”以來，在飛機PHM領域已經開展廣泛的研究，如飛機故障預測和健康管理系統(PHMS)、直升機健康與使用監測系統(HUMS)、遠程故障診斷系統等，并在狀態監測、故障診斷技術研究等領域有了較大突破。

由于國內民機發展比較晚，C919大飛機目前處于研制試飛階段，民航相關部門認識到研制民機PHM系統的重要性和緊迫性，組織國內專家進行PHM的評估和驗證工作。

代京等人詳細描述NASA的 AHMS的驗證與評估測試環境和評估指標體系[3]，Impact公司的PHM驗證與評估虛擬測試臺、驗證與評估數據源和驗證與評估指標體系，波音公司的健康管理工程環境的項目分析與建模環境、開發環境、操作運行環境等國外研究情況，并針對國內的開展PHM驗證與評價研究的提出了一些重要的建議。

馬寧等人針對機電液壓系統構建了PHM仿真驗證框架結構[4]，對基于混沌神經網絡的故障檢測方法等關鍵技術展開研究，最后利用液壓泵殼體的虛擬仿真信號對算法進行了驗證。

吳明強等人分析了國內外飛行器故障預測與健康管理集成工程環境研究[5]，提出了構建PHM 的通用化支撐平臺和驗證環境的設計思路，詳細闡述了PHM開發環境、運行環境和驗證環境等功能模塊。

王志鵬等人提出了基于仿真試驗驗證技術的PHM演示驗證平臺的設計方法[6]、PHM系統評價技術和平臺架構，用于對PHM產品的性能評價。

樊旭斌對國內外PHM系統結構進行了調研分析[7]，對通用PHM功能結構進行了基于UML的建模，建立不同功能層的驚天數據模型，最后使用LabVIEW和MATLAB建模技術對旋轉接卸轉子的相關故障進行了模擬和驗證。

楊洲、景博等人從設計過程的角度分析了PHM驗證與評價中的不足[8]，并詳細闡述的3種驗證模式，包括基于分析評估的方法、基于仿真(全系統仿真和半實物仿真)的方法和基于試驗的方法，最后對現有性能評價指標進行了分類，給出了相應的使用范圍。并指出這3種方法只有相互補充、相互驗證，才能構成完善的驗證體系，確保AHMS的設計功能得以完全實現。

馬小駿等人介紹了C919大型客機的健康管理系統總體架構，劃分了功能模塊，分析了實現該系統的地面實時監控技術、趨勢分析及預測方法、剩余壽命預測方法、故障診斷算法、維修決策方法以及系統研制仿真技術等6個關鍵技術和方法，并搭建了半物理仿真平臺[9]，驗證系統的功能。

1.3 民機PHM頂層架構的仿真需求

民機PHM系統涉及范圍廣泛，包括機載、地面、航空公司、通信、客服等方面，頂層架構仿真需要集成機載各子系統的功能[10]，根據民機PHM系統的特點，從使用、功能的角度進行劃分，民機PHM系統可分為5個部分：

1)機上PHM系統；

2)空地數據通信系統；

3)地面健康管理平臺；

4)航空公司的地面運營管理系統；

5)地面健康管理平臺/航空公司的地面運營管理系統-使用狀態實時監控平臺的網絡通信系統。

2 民機PHM頂層架構仿真驗證設計過程

2.1 民機PHM頂層架構的仿真系統組成

仿真驗證平臺由4臺仿真計算機和1臺打印機組成，4臺仿真計算機包括機載PHM仿真系統、地面健康管理仿真系統、配置管理系統及驗證仿真系統。機載PHM仿真系統主要包括仿真任務驅動系統、數據分析、維護模塊以及通訊模塊；地面PHM仿真系統包括實時監視模塊、數據分析模塊、故障診斷、健康評估、機隊管理模塊等；配置管理計算機用于PHM頂層架構選擇、機載子系統選擇，故障類型選擇等模塊；驗證仿真系統完成PHM頂層架構評估驗證模塊。 仿真系統中各設備通過以太網和無線WIFI方式進行連接。

民機PHM仿真驗證系統的設計流程如圖1所示。

圖1 民機PHM頂層架構仿真驗證平臺設計流程圖

2.2 機載PHM仿真系統軟件設計

機載PHM仿真系統采用LabView和Matlab 兩款軟件作為主要開發工具，LabView用于界面的顯示以及各層靜態數據模型的搭建，Matlab用于算法，并集成到LabView 搭建的機載仿真框架中。

圖2為機載PHM系統功能架構圖，外部的CMC/IMA配置管理系統發送啟動指令使主程序框架內的各個功能模塊開始運行，將航班配置和故障類型信息傳入空地通信模塊。在主程序運行的過程中，飛行狀態監控模塊通過讀取飛行仿真數據實時地顯示飛行參數。同時，空地通信模塊每隔一秒鐘就給地面PHM系統發送事件&監控&故障報文。如果出現故障，故障告警模塊根據空地通信模塊發送的故障碼顯示不同的故障類型。

圖2 機載PHM系統功能架構圖

機載子系統選擇燃油系統和客艙系統為例進行仿真設計，圖3為機載子系統-多功能告警顯示器的仿真界面，仿真界面完成飛行信息顯示和告警信息顯示兩個功能，飛行信息信息顯示主要包括飛機強制顯示的參數，如飛行高度、飛行速度、俯仰角、左右發動機N1/N2、油溫EGT、油壓、日期和時間等。

圖3以仿真燃油系統的1#油箱的相關狀態告警為例，通過不同顏色區分告警信息的危險程度。同時仿真系統實時顯示故障碼，并通過故障報(ACMF)形式發送到地面PHM仿真系統。

圖3 機載仿真系統界面(燃油系統)

2.3 地面PHM仿真系統設計

地面PHM系統提供與外部系統通信的接口，并管理各子模塊的應用，其功能架構如圖4所示。

圖4 地面PHM系統功能架構圖

PHM地面系統軟件與外部交互主要通過數據通信模塊實現，數據通信模塊的功能是收發地面系統軟件與外界交互的信息，包括航班信息、飛參數據、故障信息及狀態評估信息等。

其中地面分析中與故障分析、維護保障系統相關的定義如表1所示。

表3 傳感器主要技術指標

地面PHM仿真平臺完成的功能包括實時監控、地面分析、故障診斷和健康評估等功能，圖5是地面PHM仿真系統接收機載PHM各類數據報信息后，進行解析并實時顯示，實時監控界面包括實時監測飛機飛行狀態、燃油情況、故障信息等。

圖5 地面系統實時監視系統界面

3 系統驗證設計

仿真驗證系統在功能和性能上采用多角度對PHM頂層架構的評估，如信號采集、異常監測、故障診斷、故障檢測率、隔離率、虛警率等，全面定量、定性對架構進行評估。

3.1 系統驗證方法

PHM架構驗證計算機主要包含以下幾方面功能：

1)接收地面數據：從地面監控計算機接收監控數據，包括檢測到的飛機運行時的故障和地面分析評估的系統健康度；

2)統計分析：針對仿真運行數據進行分析，統計注入的故障激勵數據在實際運行中的結果，對運行數據進行收集和統計分析，得出故障檢測率、隔離率、虛警率等參數；

3)費效性評價：完成基于統計分析結果和基于PHM帶來的維修時間、維修成本、機隊簽派率等參數的分析得出維修時間/成本的減少量、簽派率提高帶來的運營收益等參數，按照給定的評價算法得出所選架構設計的費效性結果。

圖6為PHM架構評價模塊的功能架構圖。

圖6 PHM架構評價模塊的功能架構圖

驗證評價系統接收地面PHM發送的數據進行數據統計，計算出仿真系統故障檢測率、隔離率、虛警率等參數；基于統計分析結果和基于PHM帶來的維修時間、維修成本、機隊簽派率等參數的分析得出維修時間/成本的減少量、簽派率提高帶來的運營收益等參數，根據評價算法得出所選架構設計的費效性結果。

3.2 費效性評價模塊設計

PHM系統費效性表征實現PHM系統故障診斷、預測和狀態健康管理能力節省的費用與實現PHM系統代價之間的權衡。其度量模型為：

式中,VTOTAL為PHM系統總技術價值，是所欲故障模式技術價值的總和；TV為針對某一個故障模式，采用PHM系統技術的技術價值；FM為故障模式數；Bcost為PHM系統實現代價。

根據任務計算機中PHM系統架構的評價算法，開發評價軟件模塊。通過輸入給定PHM系統架構的相關數據(加載可靠性、維修性和測試性等參數，如圖7)，評價軟件可以計算出每個系統的PHM費效比。

圖7 費效性分析數據輸入

3.3 系統評價結果

系統綜合各子系統的費效性，計算飛機級費效性，結合功能完整性，從而得出驗證結論(如圖8所示)。仿真驗證平臺以客艙子系統和燃油子系統為例，建立民機PHM頂層架構仿真驗證平臺，構建若干類型PHM頂層架構，從費效性和功能完整性可驗證不同架構的優劣。

圖8 費效性分析結果

4 結束語

針對于民機PHM技術發展，文中提出一種民機PHM頂層架構仿真驗證平臺的設計思路和方法。通過實驗表明，此仿真驗證平臺可完成民機PHM功能仿真，包括民機狀態監控、故障診斷、健康評估、健康管理等功能，可實現對不同民機PHM架構進行驗證評價，獲取更適合的飛機PHM頂層架構。平臺下一步工作可通過航空公司或者飛機試飛院等部門，獲取民機的各子系統的參數、故障模式、以及歷史飛行數據等信息[11]，突破PHM關鍵技術研究，實現適合我國民用飛機的PHM體系結構和工程應用的目標。