航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)研究綜述

(上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院/飛行學(xué)院 上海 201600)

一、引言

制約我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載監(jiān)視技術(shù)進(jìn)步的原因,一方面是由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、加工、制造工藝的落后，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性短期內(nèi)難以根本性提高，另一方面是健康管理技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)脫離，沒(méi)有采用可靠性設(shè)計(jì)與健康管理技術(shù)同步發(fā)展的科學(xué)發(fā)展思路，過(guò)于重視設(shè)計(jì)改進(jìn)，忽視了健康管理技術(shù)開(kāi)發(fā)，對(duì)于設(shè)計(jì)上無(wú)法解決的重大技術(shù)問(wèn)題，監(jiān)視手段幾乎沒(méi)有積累。新機(jī)種處于早期故障高發(fā)期，老機(jī)種進(jìn)入了耗損故障高發(fā)期，但由于缺乏機(jī)載監(jiān)視手段，大量監(jiān)視工作主要集中在地面進(jìn)行，空中飛行安全的技術(shù)保障壁壘已成為制約和影響航空兵部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)手段的研究與應(yīng)用，是有效緩解航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全的十分必要和可行的技術(shù)途徑。

目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍是采用定時(shí)維修方式，并以機(jī)上超限告警監(jiān)視、機(jī)下離線飛行參數(shù)判讀、油樣分析、無(wú)損檢測(cè)等作為發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況的輔助檢測(cè)手段。然而，機(jī)載超限告警簡(jiǎn)易監(jiān)視手段既無(wú)法緩解當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)故障突出的現(xiàn)狀，又不能提供發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷、隔離所需要的必要維修保障信息，更無(wú)法預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)故障、管理關(guān)鍵部件壽命消耗情況。而僅依賴地面監(jiān)事和周期性檢查的維修保障方式，不僅造成維修人力、物力資源的巨大消耗，也不能適應(yīng)新形勢(shì)下發(fā)動(dòng)機(jī)高使用可靠性和安全性的要求。我國(guó)也提出了推行以機(jī)載健康管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的視情維修體制改革的發(fā)展要求。只有突破了發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)才具有了實(shí)施維修改革的基礎(chǔ)條件。

二、研究現(xiàn)狀

(一)國(guó)外研究現(xiàn)狀

2007年，SAE AIR1587B 航空發(fā)動(dòng)機(jī)EHM(Engine Health Management,簡(jiǎn)稱PHM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南中給出了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型高等級(jí)PHM架構(gòu)，如圖1所示。在這種架構(gòu)下，從系統(tǒng)信息流處理角度看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)EHM系統(tǒng)分①征兆—感知當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，②識(shí)別故障征兆或異常，③診斷—主動(dòng)進(jìn)行征兆分析并明確其成因的過(guò)程，④預(yù)測(cè)—確定成因或狀態(tài)的起始點(diǎn)和時(shí)間四步，包括所有實(shí)現(xiàn)上述組成部分的裝備、軟件、人員、技術(shù)和程序。從本質(zhì)上看，PHM實(shí)際上是一個(gè)信息過(guò)程，即具有數(shù)據(jù)和信息的輸入及輸出，其他系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)和信息輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或整個(gè)機(jī)群的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。PHM信息輸出可用來(lái)支撐但不能替代發(fā)動(dòng)機(jī)維修、外場(chǎng)維修、基地級(jí)維修以及飛機(jī)安全等規(guī)定操作。PHM系統(tǒng)包含采集、處理、顯示、評(píng)價(jià)和傳播發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)組成部分的各種類型數(shù)據(jù)和信息。這些功能可通過(guò)離線、機(jī)載或混合模式實(shí)現(xiàn)。

圖1 AIR1587B發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理架構(gòu)

GE Global公司提出的PHM構(gòu)架如圖2所示。整個(gè)信息流程由機(jī)載傳感器感知各個(gè)部件或系統(tǒng)的工作狀況，采集得到原始數(shù)據(jù)，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段、濾波、特征提取并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到時(shí)間標(biāo)簽特征、事件信息和參數(shù)化數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的采集。處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)異常檢測(cè)器，發(fā)出早期故障警告，并記錄故障檢出時(shí)間，進(jìn)行第1等級(jí)的解譯，粗略判斷出異常出現(xiàn)的位置。經(jīng)過(guò)診斷模塊，對(duì)子系統(tǒng)的失效模型進(jìn)行分類，并評(píng)估子系統(tǒng)的健康狀況，進(jìn)行第2等級(jí)的翻譯，確定故障部位。通過(guò)預(yù)測(cè)進(jìn)行第3等級(jí)翻譯，確定故障部件運(yùn)行至失效的剩余可用壽命。對(duì)于能夠緩解的，通過(guò)機(jī)載戰(zhàn)術(shù)控制對(duì)部件進(jìn)行故障適應(yīng)。后勤決策引擎則利用機(jī)載診斷和預(yù)測(cè)結(jié)果，以及可用重構(gòu)配置、任務(wù)目標(biāo)和要求、部件完好率、可用資產(chǎn)等進(jìn)行離線戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃，確定最佳的維修、運(yùn)行以及供應(yīng)鏈的方案或操作。

圖2 GE公司PHM架構(gòu)

(二)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)PHM技術(shù)的發(fā)展仍處于相對(duì)落后的水平，仍處于初步研究的理論模型中。在故障診斷，預(yù)測(cè)和健康管理領(lǐng)域也正進(jìn)行進(jìn)行廣泛的研究。研究需求和應(yīng)用主要集中在航空航天，造船和武器等復(fù)雜高科技設(shè)備的勘探上。研究?jī)?nèi)容側(cè)重于研究架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的智能診斷和預(yù)測(cè)算法(基于模型的方法，基于數(shù)據(jù)的方法和基于統(tǒng)計(jì)的方法)以及測(cè)試和診斷研究。盡管在第三代機(jī)器的設(shè)計(jì)中我們?nèi)〉昧瞬诲e(cuò)的成果，但整個(gè)應(yīng)用研究的范圍和水平仍然相對(duì)較低。各機(jī)構(gòu)的研究能力和水平參差不齊，工業(yè)和技術(shù)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)薄弱。從工業(yè)部門(mén)和復(fù)雜設(shè)備的用戶的角度來(lái)看，目前中國(guó)的綜合故障診斷，預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的需求是明確和強(qiáng)烈，但由于理論研究和應(yīng)用研究方面有沒(méi)有有效的接口，應(yīng)用需求沒(méi)有得到有效的引導(dǎo)。雖然近年來(lái)出現(xiàn)了一些基礎(chǔ)研究，但由于缺乏良好的研究管理機(jī)制，分散的研究體系，缺乏統(tǒng)一有效的協(xié)調(diào)機(jī)制，理論和應(yīng)用，沒(méi)有接觸點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？梢哉f(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)誤差預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的研究目前還處于探索和探索的早期階段，實(shí)現(xiàn)剩余壽命預(yù)測(cè)之間仍存在較大差距。

三、主要研究問(wèn)題—性能/故障預(yù)測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)健康管理系統(tǒng)(Engine Prognostics and Health Management,簡(jiǎn)稱EPHM)是一個(gè)具有狀態(tài)監(jiān)控，故障診斷和預(yù)測(cè)以及壽命管理功能的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，自動(dòng)定位故障組件并預(yù)測(cè)潛在故障，自動(dòng)將診斷和預(yù)報(bào)報(bào)告發(fā)送到飛機(jī)的管理系統(tǒng)，并提供維護(hù)建議以保證視情維修體制的運(yùn)行。使用EPHM系統(tǒng)可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)檢查和維修次數(shù)，減少維護(hù)，減少備用零件數(shù)量和停機(jī)時(shí)間，優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，充分利用飛機(jī)，降低維護(hù)成本并最終提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，經(jīng)濟(jì)性和安全性。

預(yù)測(cè)是健康管理技術(shù)中難度最大、最具挑戰(zhàn)性的綜合性技術(shù)，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外健康管理研究的熱點(diǎn)。在故障診斷和預(yù)測(cè)期間，分析用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路的參數(shù)，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)性能，診斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否有故障。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率和性能的下降，計(jì)算機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)模型被自適應(yīng)校正以調(diào)節(jié)控制規(guī)律。如果性能異常，則對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要機(jī)械損傷，發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)，潤(rùn)滑，傳動(dòng)和燃油控制的機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行分析，并全面分析動(dòng)力狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行故障位置的檢測(cè)和定位以及自動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)。給出機(jī)械狀態(tài)參數(shù)的趨勢(shì)分析，誤差預(yù)測(cè)和維護(hù)建議。

發(fā)動(dòng)機(jī)剩余壽命預(yù)測(cè)的研究方向可分為兩大類：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和物理故障模型。發(fā)動(dòng)機(jī)的故障是在高溫高壓環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)各部件狀態(tài)不斷衰減的結(jié)果。隨著各種產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，創(chuàng)建物理故障模型的方法來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)故障也變得越來(lái)越困難。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)過(guò)程主要依賴于在產(chǎn)品操作期間監(jiān)控的性能衰減數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建相應(yīng)的性能模型，該模型在計(jì)算和建模方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，壽命預(yù)測(cè)研究側(cè)重于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析。使用數(shù)據(jù)融合方法，基于可靠性和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)在線整體剩余壽命預(yù)測(cè)?？柭鼮V波算法用于融合傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)估計(jì)產(chǎn)品退化狀況，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余壽命。目前，學(xué)術(shù)界提出了一種基于Wiener正態(tài)種群和變異系數(shù)的多階段一致性檢驗(yàn)的剩余壽命預(yù)測(cè)方法。由于wiener進(jìn)程可以用來(lái)表示非單調(diào)和退化趨勢(shì)的獨(dú)立增加，也因此引起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的極大關(guān)注。

四、結(jié)論

EHM是一門(mén)快速發(fā)展的學(xué)科，無(wú)論在技術(shù)進(jìn)步和運(yùn)營(yíng)實(shí)施方面，都有著巨大的前進(jìn)空間，本文闡述了EHM系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和使用效率等方面的有益影響。本文分析了國(guó)內(nèi)外EHM技術(shù)發(fā)展的差異，分析了制約我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)的原因。

國(guó)內(nèi)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康管理與其他國(guó)家的差距很大。有許多關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。目前來(lái)說(shuō)主要有三個(gè)方面。首先，測(cè)試參數(shù)檢測(cè)方法和空氣傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，第二，數(shù)據(jù)管理和信息融合技術(shù)，包括引擎故障模式和發(fā)動(dòng)機(jī)故障庫(kù)的組建。第三，狀態(tài)特征模擬和智能診斷技術(shù)，包括用于實(shí)時(shí)自適應(yīng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建模技術(shù)。