劉超

摘 要：本文闡述了民用飛機(jī)故障預(yù)測與健康管理的概念，這項(xiàng)技術(shù)借助各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)來診斷系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，并在系統(tǒng)故障發(fā)生前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測，從而極大的提高了飛機(jī)的安全性和可靠性水平，大大減少了航空公司的維護(hù)成本。本文還研究了該技術(shù)在大型飛機(jī)的技術(shù)應(yīng)用，其系統(tǒng)的功能和組成。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī) 故障預(yù)測 健康管理

中圖分類號(hào)：V267 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0061-01

隨著民用航空市場的迅速發(fā)展，大型民用客機(jī)的安全性、可靠性和維修保障等問題越來越受到制造商和航空公司的重視。安全性和經(jīng)濟(jì)性的雙重需求，使得民用飛機(jī)故障預(yù)測與健康管理（PHM：Prognostic and Health Management）技術(shù)，逐漸成為新一代民用飛機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)營中的一個(gè)重要組成部分。故障預(yù)測與健康管理技術(shù)是通過遠(yuǎn)程收集飛機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，地面系統(tǒng)人員通過對(duì)飛機(jī)數(shù)據(jù)的綜合分析，準(zhǔn)確判斷飛機(jī)的健康狀態(tài)，對(duì)那些可能影響飛機(jī)簽派放行的故障，提早發(fā)現(xiàn)、找出原因并給出最佳解決方案，從而優(yōu)化排故維修工作，提高排故效率，達(dá)到提高飛機(jī)利用率、縮短飛機(jī)延誤時(shí)間、減少非計(jì)劃維修、降低運(yùn)行成本和維修成本，降低全壽命運(yùn)營成本的目的。

1 飛機(jī)健康管理系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

民用飛機(jī)健康管理技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程。從最初的機(jī)內(nèi)測試（BIT：Built-In Test），依靠各系統(tǒng)和設(shè)備自身的電路和程序完成故障診斷和隔離[1]。直到20世紀(jì)90年代，波音在777飛機(jī)上首次運(yùn)用了機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)，將飛機(jī)上所有系統(tǒng)的故障信息集中的采集和處理，并可以實(shí)現(xiàn)故障的檢測、定位、隔離等功能[2]。進(jìn)入21世紀(jì)后，航空公司對(duì)于飛機(jī)安全性、維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性的更高要求，使得健康管理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，世界兩大民用航空巨頭波音和空客為爭奪全球市場，投入巨資開發(fā)飛機(jī)健康管理系統(tǒng)，并作為一大賣點(diǎn)，運(yùn)用到其最新研制的機(jī)型上。

AHM（Airplane Health Management）系統(tǒng)是波音公司聯(lián)合其客戶研發(fā)的用于支持飛機(jī)運(yùn)營和維護(hù)工作的一套系統(tǒng)。AHM系統(tǒng)由實(shí)時(shí)故障管理功能模塊、勤務(wù)和報(bào)警功能模塊以及飛機(jī)性能監(jiān)控功能模塊組成。AHM系統(tǒng)主要收集的信息包括CMC故障報(bào)文信息、ACMS報(bào)文信息，到將來可能會(huì)將QAR數(shù)據(jù)信息一起收集起來。通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析，AHM系統(tǒng)可以為用戶提供飛機(jī)維護(hù)的支持。

2 飛機(jī)健康管理系統(tǒng)的功能

2.1 飛機(jī)故障信息監(jiān)控

監(jiān)控飛機(jī)所有的故障信息，將有駕駛艙效應(yīng)的故障信息實(shí)時(shí)下傳，其它故障信息在飛機(jī)落地后通過QAR、航后報(bào)PFR、機(jī)組人員日志（報(bào)告）等及時(shí)發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面分析人員利用手冊(cè)和歷史數(shù)據(jù)并借助計(jì)算機(jī)輔助分析軟件進(jìn)行分析，按影響飛機(jī)簽派的緊急程度給出最優(yōu)排故方案，并在飛機(jī)落地后迅速排故，降低飛機(jī)延誤率。

2.2 飛機(jī)超限事件實(shí)時(shí)監(jiān)控

監(jiān)控飛機(jī)超限事件，以幫助地面維護(hù)人員準(zhǔn)確判斷可能的損傷，及早采取必要的維護(hù)和修理手段，將非計(jì)劃維修轉(zhuǎn)為計(jì)劃維修，減少飛機(jī)延誤時(shí)間、減少對(duì)后續(xù)航班安排的影響。

2.3 飛機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控那些影響飛機(jī)簽派放行的關(guān)鍵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件狀態(tài)，并將超警戒信息通過ACARS實(shí)時(shí)從空中傳向地面，以使地面分析人員通過分析，能夠預(yù)測導(dǎo)致駕駛艙效應(yīng)或影響飛機(jī)簽派的故障發(fā)生的時(shí)間，提早發(fā)現(xiàn)故障，將非計(jì)劃維修轉(zhuǎn)為計(jì)劃維修，并根據(jù)緊急程度給出優(yōu)化的解決方案，在飛機(jī)落地后迅速排故，降低飛機(jī)延誤率。

2.4 飛機(jī)性能監(jiān)控

通過采集飛機(jī)穩(wěn)定巡航時(shí)的性能參數(shù)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)報(bào)及相關(guān)參數(shù)模型進(jìn)行飛機(jī)性能水平分析；計(jì)算實(shí)際飛機(jī)性能與基準(zhǔn)性能的偏差；監(jiān)控飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)性能趨勢，對(duì)突然和連續(xù)衰減進(jìn)行告警；從而實(shí)現(xiàn)：使機(jī)組在飛行過程中準(zhǔn)確掌握預(yù)計(jì)燃油消耗量，保證飛行安全；對(duì)機(jī)隊(duì)或飛機(jī)性能衰減的評(píng)估分析，為飛機(jī)的維修計(jì)劃提供建議和支持。

3 飛機(jī)健康管理系統(tǒng)的組成

3.1 飛機(jī)健康管理系統(tǒng)的物理組成

從物理硬件組成的角度，飛機(jī)健康管理系統(tǒng)由機(jī)載健康管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、地面健康管理系統(tǒng)三部分組成。

（1）機(jī)載健康管理系統(tǒng)。

機(jī)載健康管理系統(tǒng)主要通過實(shí)時(shí)獲取并評(píng)估機(jī)載各系統(tǒng)/子系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與飛機(jī)員顯示系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

（2）地面健康管理系統(tǒng)。

地面健康管理系統(tǒng)包括地面監(jiān)控管理、智能診斷、維修專家和遠(yuǎn)程客戶終端等模塊。對(duì)于機(jī)上監(jiān)測系統(tǒng)無法處理的疑難復(fù)雜故障，可通過地空通信系統(tǒng)將故障數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬖\斷監(jiān)控中心，或借助于高級(jí)智能診斷系統(tǒng)和遠(yuǎn)程專家，對(duì)故障做出快速準(zhǔn)確判斷和處理。

（3）空地通信系統(tǒng)。

機(jī)載和地面健康管理系統(tǒng)通過空地通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?？盏?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接袃煞N：航后傳輸和實(shí)時(shí)傳輸。航后傳輸是指機(jī)載健康管理系統(tǒng)采集了狀態(tài)數(shù)據(jù)，在飛機(jī)著陸以后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面系統(tǒng)，方式包括：QAR，WIFI，有線網(wǎng)絡(luò)，USB和3G等；實(shí)時(shí)傳輸是指機(jī)載健康管理系統(tǒng)將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的發(fā)送給地面，一般使用ACARS數(shù)據(jù)鏈的方式。

3.2 飛機(jī)健康管理系統(tǒng)的邏輯組成

從信息交互角度，可將飛機(jī)健康管理系統(tǒng)分成以下7個(gè)邏輯層。

（1）數(shù)據(jù)采集：全面采集全機(jī)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式的數(shù)據(jù)形式，所采集的數(shù)據(jù)應(yīng)能夠涵蓋后續(xù)應(yīng)用需求。

（2）數(shù)據(jù)處理：對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，這種處理可以是一種輸入-輸出映射，也可以是對(duì)原始測量數(shù)據(jù)的特征提取。

（3）狀態(tài)檢測：應(yīng)通過對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算，標(biāo)識(shí)出飛機(jī)各系統(tǒng)的狀態(tài)，并應(yīng)基于預(yù)先定義的狀態(tài)條件，檢測出任何不正常狀態(tài)，并在必要的條件下生成警報(bào)。

（4）健康狀態(tài)評(píng)估：評(píng)估飛機(jī)全機(jī)及各系統(tǒng)的當(dāng)前健康狀態(tài)，采用推理算法診斷當(dāng)前故障，并提供診斷的依據(jù)和參考信息。應(yīng)考慮飛機(jī)在各種運(yùn)行狀態(tài)下的健康狀態(tài)評(píng)估手段。

（5）健康狀態(tài)預(yù)測：應(yīng)采用多種模型算法，基于飛機(jī)數(shù)據(jù)和使用條件，預(yù)測飛機(jī)未來的健康狀態(tài)發(fā)展趨勢，預(yù)測未來將要發(fā)生的故障或失效，預(yù)測發(fā)生故障或失效的剩余使用時(shí)間。

（6）支持生成建議：應(yīng)為生成可操作的維護(hù)建議提供支持。

（7）數(shù)據(jù)傳輸：在飛機(jī)機(jī)載故障預(yù)測與健康監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上，飛機(jī)應(yīng)將大量故障報(bào)告、BIT測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、健康趨勢報(bào)告、用于預(yù)測的數(shù)據(jù)等傳輸至地面系統(tǒng)，滿足地面實(shí)時(shí)監(jiān)控與健康管理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步深入的分析和預(yù)測的需要。

4 結(jié)論

PHM技術(shù)的引入，改變了民用飛機(jī)傳統(tǒng)的運(yùn)營和維護(hù)模式，是降低其使用成本的有效手段，可以極大的提高民用飛機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)收益，保證飛行安全，帶來極高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，從而增強(qiáng)民用飛機(jī)的市場競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1] 張寶珍，曾天翔.智能BIT技術(shù)[J].測控技術(shù)，2000（11）.

[2] 徐永成，溫熙森，等.智能BIT概念與內(nèi)涵探討[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001（14）.