面向軍用飛機(jī)任務(wù)能力的健康評估方法

房冠成，王海峰，官霆，賈大鵬，劉海濤

(航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計研究所，成都 610091)

0 引 言

隨著武器裝備的發(fā)展，其復(fù)雜程度和綜合程度急劇增加，對保障效能及經(jīng)濟(jì)可承受性提出了嚴(yán)峻的考驗，預(yù)測與健康管理(Prognostic and Health Management,簡稱PHM)技術(shù)是解決該問題的關(guān)鍵，健康評估是PHM技術(shù)的核心內(nèi)容之一[1]。

目前，國內(nèi)外在健康評估方法層面的研究有：黃云程等[2]提出改進(jìn)的層次分析法，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析，對電力變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行了綜合評估；周永林等[3]提出一種基于云模型理論的多層次模糊綜合評價法的改進(jìn)方法；崔建國[4]構(gòu)建了一個基于灰色聚類法和組合賦權(quán)法相結(jié)合的飛機(jī)液壓系統(tǒng)兩級健康狀態(tài)綜合評估模型，利用灰色聚類法對兩級模型進(jìn)行綜合評估；張帥林等[5]建立了商用飛機(jī)維修保障系統(tǒng)能力評估指標(biāo)體系，并采用主成分分析法對商用飛機(jī)維修保障能力進(jìn)行了定量評價；馬海英等[6]引入劣化度概念，運用變權(quán)模糊理論，建立了基于劣化度的裝備健康狀態(tài)變權(quán)模糊綜合評估模型，并對地空導(dǎo)彈進(jìn)行了實例分析；Li Feng等[7]利用局部切線空間對準(zhǔn)和最優(yōu)監(jiān)督模糊均值聚類方法對旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行分等級的壽命評估；S.Ferreiro等[8]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對汽車健康狀態(tài)進(jìn)行了綜合評價。此外，還有基于支持向量機(jī)分類[9]、馬爾科夫鏈[10]等健康評估方法。

相比于方法層面的研究，健康評估技術(shù)在航空航天的工程應(yīng)用方面較為滯后。李儼等[11]對某型無人機(jī)部分分系統(tǒng)發(fā)生故障及采取修復(fù)措施后的健康狀態(tài)分別進(jìn)行了評估；胡清忠等[12]利用設(shè)備測數(shù)據(jù)構(gòu)建隱馬爾可夫健康狀態(tài)評估模型,并對航天發(fā)射場供氣系統(tǒng)進(jìn)行健康評估應(yīng)用。一方面，對于飛機(jī)系統(tǒng)級的健康評估方法研究較少，制約了健康評估技術(shù)的工程化應(yīng)用；另一方面，多數(shù)健康評估方法得到的結(jié)果為健康評估數(shù)值或健康等級，難以進(jìn)行任務(wù)能力分析，也難以用于維修決策分析。因此，本文從軍用飛機(jī)健康管理的實際需求和使用流程出發(fā)，開展面向軍用飛機(jī)任務(wù)能力的健康評估方法研究。

1 基于任務(wù)的“飛機(jī)-任務(wù)功能-影響參數(shù)”分析

本文以軍用飛機(jī)為研究對象，開展面向任務(wù)能力的健康評估方法研究，流程如圖1所示。

圖1 面向軍用飛機(jī)任務(wù)能力的健康評估方法流程

1.1 飛機(jī)-任務(wù)功能

在飛機(jī)下達(dá)任務(wù)后，為了得到飛機(jī)的功能需求，進(jìn)行任務(wù)剖面分析，首先根據(jù)任務(wù)類型(日常訓(xùn)練、性能試飛、空空作戰(zhàn)、空地作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、巡邏、偵察等)，確定需要的任務(wù)載荷(航炮、導(dǎo)彈、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、紅外搜索、副油箱、液冷設(shè)備等)；然后根據(jù)任務(wù)需求，得到飛機(jī)執(zhí)行本次任務(wù)所需要的功能清單。典型軍用飛機(jī)一次飛行任務(wù)剖面如圖2所示。

圖2 軍用飛機(jī)典型任務(wù)剖面

飛機(jī)功能可分為“基本功能”和“任務(wù)功能”，其中，“基本功能”為保障飛行安全而必備的功能，“任務(wù)功能”與執(zhí)行的任務(wù)類型相關(guān)。

1.2 任務(wù)功能-影響參數(shù)

對完成各功能相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行梳理，如表1所示。得到“飛機(jī)-任務(wù)功能-影響參數(shù)”二級映射，一般地，軍用飛機(jī)可建立的健康評估架構(gòu)如圖3所示。

表1 軍用飛機(jī)健康評估列表

圖3 典型軍用飛機(jī)健康評估架構(gòu)

2 基于劣化度及嚴(yán)酷度分析的功能評估(一級評估)

飛機(jī)的健康狀態(tài)一般是逐漸退化的，一旦功能退化超出允許的范圍，飛機(jī)出現(xiàn)故障，無法完成相應(yīng)的功能。功能的退化，用與該功能相關(guān)的參數(shù)數(shù)值變化進(jìn)行表征。本文采用劣化度結(jié)合嚴(yán)酷度分析，對“功能”進(jìn)行一級評估。

2.1 劣化度分析

飛機(jī)監(jiān)控參數(shù)蘊含大量的飛機(jī)狀態(tài)信息，一般采用閾值法對參數(shù)進(jìn)行故障監(jiān)控，但是閾值監(jiān)控并不能全面反映參數(shù)的退化狀態(tài)。因此，引入劣化度方法，評價參數(shù)狀態(tài)的優(yōu)劣。

機(jī)載監(jiān)控參數(shù)是時間的函數(shù)，可記為X(t)。飛機(jī)某個功能正常，該功能共有n個相關(guān)參數(shù)，可認(rèn)為這n個參數(shù)所確定的正常工作狀態(tài)的集合G(X1,X2,…,Xn)。若某個參數(shù)超出正常狀態(tài),則認(rèn)為發(fā)生故障，而有時正常工作中的飛機(jī)狀態(tài)在一定程度上偏離了良好狀態(tài)，但未超過極限狀態(tài)，是一個中間狀態(tài)。劣化度可定義為飛機(jī)某項功能狀態(tài)偏離了良好狀態(tài)向極限狀態(tài)偏離發(fā)展的程度[6]，其取值范圍為[0，1]，當(dāng)值為1時，表明發(fā)生故障；當(dāng)值為0 時，表明健康，用式(1)表示：

L=(l1,l2,…,li,…,ln)

(1)

式中：li為對應(yīng)功能的第i個參數(shù)的劣化度，即偏離正常狀態(tài)Xi的程度。

對于故障閾值為上限或下限的參數(shù)，其劣化度計算為

上限：

li=[(xi-x0)/(xmax-x0)]k(x0≤xi≤xmax)

(2)

下限：

li=[(x0-xi)/(x0-xmin)]k(xmin≤xi

(3)

式中：x0為飛機(jī)參數(shù)正常值；xmax，xmin為該功能失效時的參數(shù)閾值；xi為該功能參數(shù)的實際測量值；k為渦化度與對應(yīng)功能健康狀態(tài)的關(guān)系，一般情況下，取k值為1，表明狀態(tài)與劣化值之間呈線性關(guān)系，即劣化值越大，健康狀態(tài)越差。

對于參數(shù)故障閾值為某變化范圍的情況，其劣化度可按式(4)計算：

(4)

式中：x1，x2為參數(shù)正常值的下限和上限；x0，x3為表征參數(shù)故障的下限和上限。

對于離散量參數(shù)，如開關(guān)類、通信狀態(tài)類，若該參數(shù)發(fā)生故障，則取其劣化度為1；若未發(fā)生故障，則劣化度為0。

如果在系統(tǒng)設(shè)計邏輯中，某個參數(shù)設(shè)定了故障的報故邏輯和條件，則按報故邏輯和條件計算，當(dāng)參數(shù)發(fā)生故障時，劣化度為1。

2.2 嚴(yán)酷度分析

故障模式、影響和危害性分析(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis，簡稱FMECA)是故障影響傳播分析的基本手段和方法，得到了廣泛的應(yīng)用。其由相對獨立的兩部分組成，第一部分為故障模式及影響分析(FMEA)，第二部分為危害性分析(CA)[13]。

FMEA分析每一個可能的故障模式的影響，并將每一故障模式按其嚴(yán)酷度分類。嚴(yán)酷度是度量故障模式對系統(tǒng)造成后果的嚴(yán)重程度，而嚴(yán)酷度類別是給故障造成最壞潛在后果規(guī)定的一個度量，當(dāng)初始約定層次是飛機(jī)時，故障模式可以分為以下4類：第Ⅰ類：災(zāi)難性的；第Ⅱ類：嚴(yán)重的；第Ⅲ類：比較嚴(yán)重的；第Ⅳ類：輕微的。具體的分析過程和方法，本文不再贅述。

傳統(tǒng)的CA分析是綜合考慮每一種故障模式的嚴(yán)酷度類別及故障模式出現(xiàn)概率所產(chǎn)生的影響，并對其進(jìn)行劃等分類的分析方法。這是在飛機(jī)沒有發(fā)生故障情況下的一個靜態(tài)預(yù)測公式，用于指導(dǎo)前期設(shè)計分析，一旦飛機(jī)發(fā)生故障，故障率和故障模式頻數(shù)比等都將不再適用。李儼等[11]認(rèn)為在沒有發(fā)生故障前，飛機(jī)一直處于健康狀態(tài)，發(fā)生故障后才需要對故障的危害度進(jìn)行分析，本文借鑒這種思路，根據(jù)不同的故障模式，按照嚴(yán)酷度類別 分別計算危害度，即：

2.3 功能評估

第j個功能的健康狀態(tài)Fj的計算公式為

(5)

式中：n為第j個功能對應(yīng)的參數(shù)數(shù)量；ci為該功能第i個參數(shù)對應(yīng)故障模式的嚴(yán)酷度；li為第i個參數(shù)的劣化度；Fj取值范圍為[0,1)，越接近0，表明該功能距離失效狀態(tài)更近。

3 基于改進(jìn)層次分析法和懲罰因子的飛機(jī)評估(二級評估)

3.1 極大熵改進(jìn)區(qū)間層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP)是一種將定性和定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，得到了廣泛應(yīng)用。但是，該方法存在忽略決策者主觀傾向的缺點，區(qū)間層次分析法充分考慮專家對于指標(biāo)比對主觀因素判斷的不確定因素，能改善層次分析法主觀性強(qiáng)的劣勢[14]。

區(qū)間層次分析法首先得到一個權(quán)重取值區(qū)間，權(quán)重區(qū)間傳遞給決策者部分權(quán)重信息，依據(jù)極大熵準(zhǔn)則，在已知各指標(biāo)部分權(quán)重信息的情況下，滿足約束條件的所有指標(biāo)的權(quán)重熵值總和達(dá)到最大時，權(quán)重值的可能性最大，此時指標(biāo)權(quán)重的配置最為合理[15]。計算公式[14]如下：

(6)

3.2 飛機(jī)健康評估

飛機(jī)的健康狀態(tài)用H表示，其計算公式為

(7)

式中：H為飛機(jī)的健康評估結(jié)果，H∈[0,1)，H=0表示飛機(jī)失效，無法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；wj為第j個功能的組合權(quán)重；Fj為第j個功能的健康評估結(jié)果；m為飛機(jī)功能的個數(shù)。

對于軍用飛機(jī)，根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同，不同系統(tǒng)的關(guān)鍵性不同，同一系統(tǒng)執(zhí)行不同任務(wù)時，其作用和關(guān)鍵性也不同。某個關(guān)鍵功能失效可能導(dǎo)致整個任務(wù)失敗，而某個功能失效，可能不影響最終任務(wù)完成。因此，定義懲罰因子P，在該任務(wù)下，某個關(guān)鍵功能失效時(對應(yīng)Fj<0.5),乘以懲罰因子，其定義為

(8)

由于關(guān)鍵功能的權(quán)重可能較大，而懲罰因子為功能個數(shù)乘積的倒數(shù)，一般為較小的數(shù)值，因此關(guān)鍵功能的失效，可能導(dǎo)致飛機(jī)整體健康狀態(tài)評估分值較低，判定飛機(jī)無法完成任務(wù)。關(guān)鍵功能需要因任務(wù)不同，進(jìn)行分析后單獨定義。因此得到如式(9)所示的飛機(jī)健康評估公式：

(9)

4 評估決策

一般將系統(tǒng)健康狀態(tài)劃分為多個等級，但是對于等級的劃分目前沒有形成統(tǒng)一，綜合國內(nèi)外大量研究，健康狀態(tài)分級從二級到五級不等。

本文從飛機(jī)實際保障需求出發(fā)，三級健康評估等級如表2所示，并對各等級進(jìn)行了任務(wù)與維修決策分析。

表2 飛機(jī)健康等級與任務(wù)、維修決策表

各等級對應(yīng)的任務(wù)及維修決策分析流程如圖4所示。

圖4 軍用飛機(jī)健康評估與任務(wù)、維修決策流程

從圖4可以看出：健康評估與決策流程，充分利用了健康評估的結(jié)果，使任務(wù)決策更加準(zhǔn)確、維修策略更為高效，能夠節(jié)省人力物力，提高出動架次率，提高保障效能。

5 案例應(yīng)用

某型軍用飛機(jī)計劃執(zhí)行偵察任務(wù)，經(jīng)分析，得到本次偵察任務(wù)的飛機(jī)功能及參數(shù)列表，如表3所示。限于篇幅，本文僅列出感知偵察功能的分析過程。針對感知偵察功能，其相關(guān)參數(shù)信息如表4所示。提取本機(jī)上一次飛行時各系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，作為健康評估的原始參數(shù)數(shù)據(jù)，部分參數(shù)樣本數(shù)據(jù)如表5所示。

按照2.1節(jié)方法，對原始參數(shù)樣本的進(jìn)行劣化度及嚴(yán)酷度分析，并對劣化度結(jié)果取均值，以減輕極值點的影響，結(jié)果如表6所示。

將表6數(shù)據(jù)帶入式(6)，對“感知偵察”功能進(jìn)行一級評估，得到F9=0.674。

使用同樣的方法，得到表3中其他功能的評價結(jié)果，如表7所示。

利用區(qū)間層次分析法計算得到各指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間，并采用式(7)得到極大熵改進(jìn)優(yōu)化的權(quán)重取值，限于篇幅，此處省略計算過程，得到權(quán)重計算結(jié)果如表8所示。

表3 某型軍用飛機(jī)健康評估列表

表4 感知偵察功能相關(guān)參數(shù)信息

表5 原始參數(shù)樣本

表6 劣化度及嚴(yán)酷度分析結(jié)果

表7 一級評估結(jié)果

表8 “功能”權(quán)重計算結(jié)果

對于本例，關(guān)鍵功能為“提供推力”“供電功能”“飛行控制功能”以及“感知偵察功能”。從表7可以看出：以上關(guān)鍵功能均不屬于失效狀態(tài)，因此無需疊加懲罰因子。將表7和表8代入式(10)，對飛機(jī)進(jìn)行二級評估，得到H=0.784，飛機(jī)健康評估結(jié)果為：降級。

按照圖4的流程，開展任務(wù)能力評估，由于需要執(zhí)行偵察任務(wù)，而感知偵察的評估結(jié)果僅為0.674，功能處于“降級”狀態(tài)，存在潛在故障，可能導(dǎo)致任務(wù)失敗，因此，結(jié)束本次任務(wù)。進(jìn)行任務(wù)切換后，對巡航、空中加油等任務(wù)分析，重新進(jìn)行健康評估的流程分析，得到本架飛機(jī)在新任務(wù)下的健康評估結(jié)果均為“健康”，可以執(zhí)行巡航、空中加油等任務(wù)。若不執(zhí)行新任務(wù)，則進(jìn)入排故作業(yè)，后經(jīng)排故分析，發(fā)現(xiàn)低溫泵出口液冷導(dǎo)管處有冷卻液滲漏，該故障是導(dǎo)致表5中液冷入口和出口壓力低于正常值、參數(shù)劣化度評價較差的原因，經(jīng)過維修換件后，飛機(jī)達(dá)到健康狀態(tài)。

6 結(jié)束語

本文提出了面向軍用飛機(jī)任務(wù)能力的健康評估方法，將軍用飛機(jī)進(jìn)行“飛機(jī)-任務(wù)功能-參數(shù)”層級劃分，綜合利用劣化度分析、嚴(yán)酷度分析、改進(jìn)層次分析法等多種方法，并以某軍用飛機(jī)一次飛行任務(wù)為典型對象，進(jìn)行了應(yīng)用分析。所提方法能夠在軍用飛機(jī)實際任務(wù)中，對軍用飛機(jī)任務(wù)能力的健康狀態(tài)有效評估，具有重要的工程實用價值。