基于PHM的航空發動機綜合監控管理數據庫的研究和實現

關鍵詞：綜合監控；飛參數據；PHM

0 引言

隨著目前某型航空發動機的投入使用，針對其運行情況，特別是利用參數的監控進行發動機狀態有效的監控和管理的需求尤為迫切。綜合分析發動機外場使用的意見和實際情況，提出利用PHM（預測和健康管理）技術通過對發動機收集影響其性能、使用壽命健康等監控參數及故障診斷數據，建立航空發動機綜合監控數據庫，并利用數據庫對發動機外場使用和部署情況進行狀態監控和有效管理。

1 PHM 相關技術

PHM是Prognostic and Health Management的縮寫，即故障預測與健康管理，是結合利用現代IT技術、AI 技術的相關理念和成果而提出的一種嶄新的管理發動機運行健康狀態的解決方案。PHM在信息系統中的應用使得系統能快捷、準確地確認當前需診斷設備的運行狀態以及在未來一段時間內發生故障的可能性，并對使用和維修活動做出輔助決策并提供相關建議[1]。

PHM的核心思想就是對設備進行參數化建模工作，針對發動機來說建模就是通過對設備的各構成要素進行分析和歸納，建立一個完整全面的能夠收集、處理以及分析數據，并且能夠給出發動機運行健康狀態和剩余使用壽命的系統模型。主要的數據來源是由提取的發動機運行狀態數據包括但不限于與其健康狀態相關的參數等，利用數據得到特征參數與系統健康狀態之間的相關模型，完成航空發動機的健康狀態預報和剩余壽命的預測。綜合監控數據庫使用的PHM系統主要是指由狀態檢測、健康評估和預測模塊所組成的部分。

2 綜合監控管理數據庫系統設計

綜合監控管理數據庫由以下QShF/ahm2GcMJ71714bf9A==部分組成：數據錄入、數據管理瀏覽、建立模型、故障檢測、壽命管理、滑油光譜數據監控和性能衰減分析。系統主要流程圖如圖1所示。

3 功能模塊設計

3.1 數據錄入

數據錄入模塊是整個綜合監控管理數據庫的基礎，系統中使用的航空發動機飛行參數數據都是通過此模塊把相關信息錄入并保存到數據庫中，此模塊填寫的信息對于之后飛參數據的查詢和瀏覽等操作是至關重要。單獨的飛參數據文件由于很多限制因素無法提供足夠的信息，以至于后期很難對飛參數據做到規范和有效的管理、監控甚至對某些參數進行分析；對于有些需要填寫的額外信息需要提供解決方案來做到快速和正確地輸入；飛參數據的格式不止一種，需要保持系統保存數據的兼容性和一致性。數據錄入模塊設計通過以下方式解決了數據錄入出現的如上問題。

在此模塊的設計中盡量使用戶輸入的信息量最小化，如果某些信息在飛參數據中存在，那么在錄入信息的過程中系統自動地對所包含的這些信息進行解析并保存。這個操作十分必要，減少用戶輸入信息的數量也就客觀上避免了輸入信息錯誤的可能性；對于需要輸入的信息系統對大部分提供了下拉列表的形式或單選按鈕的形式，而且對于某些特殊錄入信息在保存時提供了數據格式的驗證以保存數據的正確輸入；系統提供了對多種飛參數據的支持并且統一在保存數據的過程中對數據進行統一的格式轉換。

數據錄入的信息不僅要為數據進行分類，還要對錄入數據進行唯一性的標識，這樣對正常數據和故障數據就做到了可追溯性以便后期進行針對性的分析和診斷。飛參數據的錄入時可以和發動機的履歷信息和發動機周轉信息進行聯動，雙向鏈式查詢保證錄入數據的完整性和正確性。

3.2 數據瀏覽管理

數據瀏覽管理模塊對存儲在數據庫系統中的數據進行瀏覽和管理等操作，模塊由界面左側的數據分類結構樹和右側的相關信息顯示/修改模塊組成。左側的樹節點和數據錄入的信息相關聯和對應，數據的結構和分類保證的樹節點的唯一性和確定性。在每個樹節點上右鍵單擊或雙擊可以針對相應的數據文件進行多種操作或顯示信息。

數據瀏覽管理模塊可以對保存到數據庫的飛行參數數據進行如下操作。

1） 數據基本信息顯示：這里面包括在數據錄入模塊輸入和解析出的數據項。

2） 數據瀏覽：能夠打開一個新窗口顯示此數據內部的所有數據信息。

3） 數據修改：對與飛參數據相關聯的錄入和解析的數據項完成修改。

4） 數據刪除：可以根據樹節點查找出數據庫中實際的飛參數據文件并刪除。

5） 數據回放：可以在完成對存在飛參數據的某參數完成參數值的曲線繪制，可以選取飛參數據保存的任一參數，并可在界面繪制多條曲線完成相關參數的對比功能實現。

6） 數據導出：查找樹節點在數據庫對應的飛參數據文件并進行導出保存到本地。

3.3 建立模型

建立模型模塊可以對PHM軟件建立的故障診斷模型進行導入。在PHM軟件中開展了分類、回歸、時序分析、關聯等數據挖掘方法研究，采用部分無故障飛參數據開展發動機基準模型的建立。目前診斷的模型的建立是在SureSense PHM軟件中完成的，但在建立模型模塊可以對建立模型包含的信息解析并進行讀取。

故障診斷模型建立的前提先進行數據的預處理（針對航空發動機來說這里選取的是發動機的飛參數據），飛參數據的參數輸入為傳感器的參數，根據設定的自定義相應算法準則，將不符合要求的數據過濾掉，剩余的正常數據用來建立模型，這樣能最大限度保證數據的穩定性和準確性。主要的過濾算法包括靜態過濾算法和動態過濾算法。靜態過濾算法包含針對數值的取值范圍、噪聲臟數據、數值偏差；動態過濾算法包括閾值、取值范圍、噪聲臟數據、偏差和均方根等。故障診斷模型創建的過程主要是獲取模型數據、選擇（訓練數據）、校準（系統模型）和創建（在線模型）[2]。

3.4 故障診斷

故障診斷模塊完成對存儲在數據庫系統內部的飛參數據文件進行故障診斷工作并生成故障診斷報告。故障診斷的流程主要是獲取數據、預計（期望值）、檢測（運行數據和期望值的偏差）、診斷（確定偏差的特征）、報警（故障被檢測到）和糾正（采取必要的措施）。

獲取數據階段在數據錄入模塊已經完成，模塊提供了詳盡的查詢條件可以對數據庫保存的數據進行檢索，在檢索的結果集還可以進行二次篩選確定將要診斷的飛參數據。

預計階段在系統的模型建立模塊進行了實現，通過建立一個或多個描述系統正常運行行為的預計診斷模型。對系統每個新的載入飛參數據，都應用預計模型用來評估被測數據參數的期望值。可提供的預計算法模型：自回歸、專家狀態估計引擎、奇偶空間、指數加權移動平均和關系式。這個階段其實也是不斷地優化模型本身的過程，以便為后期模型的使用提供監控診斷的精確度和準確性。

檢測階段將測量值和對應的預期值進行比較，利用經過校準的故障檢測模型來判斷參數是否偏離，若偏離同時確定偏離的特征可提供的檢測算法模型：自適應順序概率平均、自適應順序概率方差、高斯平均、高斯方差、閾值、范圍、噪聲和偏差[3]。

診斷階段進行關聯。診斷由針對系統的已知故障模型的決策模型來執行可提供的診斷算法模型，這里主要是貝葉斯網絡和不明條件。

最后系統完成所選數據的故障診斷分析并生成報告，在報告中提供檢測到故障的詳細信息，包括故障診斷結果、剩余壽命預測和針對故障所應采取的必要措施。

3.5 數據回放

數據回放模塊可以對數據庫中存儲的飛參數據進行數據回放，也可以讀取本機的飛參數據進行回放，由于飛參數據中參數的數量較多，在數據回放模塊中可以利用進行參數的模板化配置，畫圖的時候可以按需在界面左側勾選常用參數，并選擇參數的顯示頻率（一秒顯示幾個參數點），光標移動到曲線時顯示曲線對應的參數及數值，可對曲線進行縮放操作，參數曲線的顏色、粗細和線形都可以通過界面進行快捷更改。在曲線繪制完成后也可按參數對多條參數曲線進行隱藏，繪制的曲線圖片和數據也可進行導出保存到本機。

3.6 其他模塊

壽命管理模塊實現發動機低循環計數和大狀態統計，并可以進行數據的導出操作。

滑油光譜數據監控模塊具備滑油光譜數據的基礎操作（增刪改查和導入導出），圖像（元素濃度趨勢、元素濃度變化率趨勢、滑油消耗量圖）繪制功能，并根據預設值繪制圖像警戒線，實現滑油光譜數據監控管理。

性能衰減分析模塊對單臺發動機的穩態數據進行計算分析，進行發動機的性能衰減研究，分別對節流狀態、中間及以上狀態參數和起飛狀態的排氣溫度進行性能衰減分析。

4 系統實現

航空發動機綜合監控管理數據庫基于PHM軟件建模分析并按照C/S架構進行設計。整個數據庫系統采用Java SWT技術開發，后臺數據庫采用的是Oracle 數據庫和SQLite數據相結合的方式。由于考慮到實際軟件的使用場景，采用基于B/S架構設計在某些特殊的限制很難進行實現和部署，又因為此軟件的安裝終端的數量不會很多，基于此原因選擇了使用C/S的架構。

系統界面部分采用了SWT界面開發技術，這種利用Java語言構建的客戶端開發技術由于其可視化頁面拖拽功能可以幫助開發人員方便地完成系統界面的快捷高效搭建，使程序設計人員把關注點集中在業務的實現上，而不是煩瑣地設計頁面元素。另一層原因則是系統需要使用調用集成的PHM建模軟件的二次開發接口，而這個接口則是以jar包的形式提供的API，所以利用SWT這種利用Java語言構建的技術也可以更加方便地完成程序的調用和集成。

中間件部分利用Apache Tomcat部署相應的數據操作服務接口，使得客戶端應用和數據庫服務器的充分解耦。而在需要和SQLite數據交互的時候，則是在客戶端中直接利用 SQLite JDBC API進行數據庫的本機直接訪問和操作，這種方式只是部署在不能聯網的環境下，客戶端和數據庫耦合度較高，但是其相比較于利用中間件的分布式訪問數據庫的方式性能較高，部署便捷。

數據庫部分針對某些不能聯網的環境也采用了SQLite數據庫的單機環境版本以做到使用場景的全覆蓋。正常使用的場景連接Oracle數據庫服務器實現的數據的存儲和查詢功能等。系統主界面如圖2所示。故障檢測界面如圖3所示。

5 結束語

綜合監控數據庫主要通過收集影響發動機性能的監控參數、滑油光譜分析數據以及故障數據，建立相應的故障診斷模型，以實現對發動機外場使用狀態進行有效監控；收集整機數據進行雨流統計、提取載荷數據，建立載荷數據庫，為壽命分析提供依據，根據零部件的使用時間和使用壽命要求對發動機進行壽命管理。建立航空發動機綜合監控管理數據庫可以將大量的飛行參數數據集中有效地進行管理，從而實現對飛參數據的快速查詢和有效的診斷分析。為提高外場發動機故障處理效率、預防重大故障發生、確保發動機使用安全起到了其應有的作用。