許光濘　文欣秀　曾亞

摘 要： 機(jī)載設(shè)備健康管理是對飛機(jī)上主要設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行全面管理的一種過程。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的健康管理，基于開放式PHM架構(gòu)，分析了機(jī)載設(shè)備健康管理系統(tǒng)的主要功能以及設(shè)備健康管理流程，完成了機(jī)載設(shè)備健康管理系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計，主要包括數(shù)據(jù)采集與處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康管理、故障預(yù)測和壽命預(yù)測、維修管理、輔助功能等功能模塊。該系統(tǒng)是機(jī)載PHM架構(gòu)的軟件實(shí)現(xiàn)，能夠幫助用戶完成主要機(jī)載設(shè)備的健康管理及壽命預(yù)測。

關(guān)鍵詞： 健康管理系統(tǒng)； PHM； 機(jī)載設(shè)備； 狀態(tài)監(jiān)測； 壽命預(yù)測

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）08-47-03

Research and design of health management system for airborne equipment based on PHM

Xu Guangning1， Wen Xinxiu2， Zeng Ya1

（1.China Electronics Technology Group Corporation No.32 Research Institute， Shanghai 201808， China；

2. School of Information Science and Engineering， East China University of Science and Technology）

Abstract： The health management of airborne equipment is a process of comprehensive management of the health status of the main equipment on the aircraft. In order to realize the health management of airborne equipment， based on the open PHM architecture， the main functions of the airborne equipment health management system and the equipment health management process are analyzed， and the functional modules of the airborne equipment health management system are designed， including data acquisition and processing， condition monitoring， health management， fault prediction and life prediction， maintenance management， auxiliary functions and other functional modules. The system is a software implementation of airborne PHM architecture， which can help users complete the health management and life prediction of the main airborne equipment.

Key words： health management system； PHM； airborne equipment； state monitoring； life prediction

0 引言

隨著飛機(jī)綜合化、復(fù)雜化、一體化、智能化程度的不斷提高，以及計算機(jī)及衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，故障診斷方法不斷融入新的理念。在考慮復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，故障預(yù)測和健康管理（prognostics and health management， PHM）越來越多的重視和應(yīng)用以預(yù)測技術(shù)為核心的策略[]。故障預(yù)測技術(shù)已發(fā)展成為自主式后勤保障系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。故障預(yù)測與健康管理技術(shù)[2]作為實(shí)現(xiàn)視情維修和自主保障的重要技術(shù)手段，已經(jīng)在航空/航天領(lǐng)域開展了廣泛的研究?；诠收项A(yù)測的故障診斷技術(shù)與健康管理相結(jié)合，可以將系統(tǒng)的可靠性提升到一個全新的高度。自美國率先在陸軍直升機(jī)上應(yīng)用了健康管理系統(tǒng)之后，各國軍方先后開發(fā)出多種能保障飛機(jī)主要部分的健康管理系統(tǒng)[3-4]。我國雖然對健康管理概念接觸較晚，但仍取得了一定的成就[5-6]。

1 PHM體系結(jié)構(gòu)

PHM 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。通過傳感器從機(jī)載各子系統(tǒng)獲取設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和優(yōu)化，通過算法分析和智能模型處理后，形成診斷和預(yù)測分析數(shù)據(jù)，最后給出目標(biāo)系統(tǒng)的剩余壽命分布、性能退化程度或任務(wù)失效的概率，為機(jī)載設(shè)備的維護(hù)計劃提供決策支撐信息。

⑴ 數(shù)據(jù)采集和傳輸：主要通過傳感器及其網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及傳輸功能。

⑵ 數(shù)據(jù)處理：對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)特征提取和優(yōu)化，分類整理并傳遞。

⑶ 狀態(tài)監(jiān)測：對機(jī)載設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和離線檢測，如是超出設(shè)定極限（閾值），則發(fā)出報警信息。

⑷ 健康管理：主要監(jiān)測機(jī)載系統(tǒng)及設(shè)備部件的狀態(tài)是否退化，記錄它們的實(shí)時狀態(tài)并依據(jù)相關(guān)的算法或模型確定故障發(fā)生的可能性。健康狀態(tài)的判斷依賴于各種狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前工作狀態(tài)以及維修歷史數(shù)據(jù)等，所以在記錄這些數(shù)據(jù)時要盡可能的全面。

⑸ 故障預(yù)測：綜合利用系統(tǒng)已有的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)預(yù)測評估算法和模型預(yù)測被監(jiān)測系統(tǒng)的未來狀態(tài)，包括機(jī)載設(shè)備的故障預(yù)測、剩余壽命預(yù)測等。

⑹ 維修管理：主要完成維護(hù)及維修信息的查詢、設(shè)備臺帳管理、備品備件管理、維修手冊管理和維修知識庫等功能，對維修活動提供建議措施。

⑺ 接口：主要完成各種健康信息、故障信息、壽命信息以及維修信息的綜合顯示功能。

2 設(shè)備健康管理流程

設(shè)備健康狀態(tài)管理流程[8]如圖2所示。設(shè)備健康狀態(tài)管理通過傳感器采集設(shè)備的各種狀態(tài)信息，監(jiān)測機(jī)載設(shè)備的健康狀態(tài)，在基于監(jiān)測信息的統(tǒng)計、分析基礎(chǔ)上，評估機(jī)載設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)，并結(jié)合機(jī)載設(shè)備健康狀態(tài)的退化規(guī)律，預(yù)測機(jī)載設(shè)備健康的未來狀態(tài)，最終做出機(jī)載設(shè)備維修決策，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的健康狀態(tài)全程管理。

健康狀態(tài)監(jiān)測：按設(shè)備參數(shù)的重要程度選定最具代表性的參數(shù)作為健康狀態(tài)管理的基本參數(shù)，進(jìn)行信息采集。設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測信息和定期檢測信息，都可以作為設(shè)備狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)源。設(shè)備狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)源應(yīng)該是多層次、多方面和動態(tài)的。獲取的設(shè)備健康狀態(tài)信息通過信號處理、特征提取、數(shù)據(jù)融合等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可獲得設(shè)備的健康狀態(tài)信息。

健康狀態(tài)評估：根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)對設(shè)備的健康狀態(tài)做出評估，確定設(shè)備的健康等級，并向相關(guān)人員報警。

健康狀態(tài)預(yù)測：設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測可綜合利用系統(tǒng)已有的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)預(yù)測評估算法和模型預(yù)測被監(jiān)測系統(tǒng)的未來狀態(tài)，保證在設(shè)備嚴(yán)重停機(jī)事故發(fā)生之前，有足夠的時間制訂和實(shí)施維修計劃，避免設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)一步惡化。

設(shè)備維修決策：根據(jù)設(shè)備健康狀態(tài)的診斷和預(yù)測結(jié)果進(jìn)行判斷，給出日常維護(hù)/保養(yǎng)計劃、維修計劃、維修方案建議、狀態(tài)參數(shù)值調(diào)節(jié)建議、設(shè)備健康狀態(tài)退化狀況等信息。

3 軟件功能設(shè)計

根據(jù)PHM的設(shè)計思想，結(jié)合機(jī)載設(shè)備維修管理的實(shí)際情況，機(jī)載設(shè)備健康管理系統(tǒng)的功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集與處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康管理、故障預(yù)測和壽命預(yù)測、維修管理、輔助功能等功能模塊，如圖3所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

利用各種在線或離線技術(shù)，將各種數(shù)據(jù)源接入到健康管理系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)解析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)異常判斷準(zhǔn)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的異常判斷，消除或過濾異常數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，將數(shù)據(jù)處理成系統(tǒng)所要求的格式。此外，還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.2 狀態(tài)監(jiān)測

主要接受來自數(shù)據(jù)采集與處理模塊處理后的數(shù)據(jù)，完成機(jī)載設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障檢測、狀態(tài)異常分析和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢等功能。狀態(tài)監(jiān)測與故障檢測功能包括：狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)視、狀態(tài)參數(shù)離線檢測、故障特征跟蹤與對比、故障檢測與隔離。提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常和故障檢測功能的可視化。

3.3 健康管理

主要完成健康特征參數(shù)超限的確定、健康狀態(tài)等級劃分、健康狀態(tài)等級評定、當(dāng)前健康狀態(tài)管理、健康狀態(tài)報警、歷史健康狀態(tài)查詢等功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，診斷記錄產(chǎn)生故障的時間，并確定故障發(fā)生的原因，根據(jù)健康狀態(tài)等級劃分的準(zhǔn)則評定健康狀態(tài)等級，給出健康狀態(tài)評估結(jié)果。健康狀態(tài)信息存入歷史數(shù)據(jù)庫，方便用戶隨時查詢設(shè)備的歷史健康狀態(tài)信息。一般機(jī)載設(shè)備定義的設(shè)備健康級別為三級：健康、亞健康、故障。

此外還提供狀態(tài)信息融合功能，狀態(tài)信息經(jīng)過系統(tǒng)封裝的算法的融合處理后輸出當(dāng)前設(shè)備部件的健康狀態(tài)。

3.4 故障預(yù)測和壽命預(yù)測

故障預(yù)測和壽命預(yù)測主要是綜合利用前面幾個模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的狀態(tài)退化過程分析、設(shè)備狀態(tài)預(yù)測、設(shè)備剩余壽命預(yù)測、預(yù)測模型與算法管理等功能。在預(yù)測模型與算法管理模塊，可以對系統(tǒng)內(nèi)置的預(yù)測模型管理和配置參數(shù)，還可根據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)約定，增加用戶自定義的預(yù)測模型和算法。

在進(jìn)行健康狀態(tài)評估和剩余壽命預(yù)測時，需要結(jié)合知識庫、經(jīng)驗(yàn)庫以及系統(tǒng)封裝的預(yù)測算法，在分析任務(wù)完成后，將評估、預(yù)測和分析結(jié)果發(fā)送到機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)的決策支持層，輔助高層管理者判斷決策。

3.5 維修管理

實(shí)現(xiàn)維修信息查詢、維修資源管理、維修管理、維修手冊管理、維修知識庫管理等功能。其中維修資源管理主要實(shí)現(xiàn)維修人員信息管理、維修工具管理、備品備件管理、當(dāng)前機(jī)載系統(tǒng)中的設(shè)備臺帳管理等功能。維修管理主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修計劃自動生成，對未按時完成的維修進(jìn)行提醒，確認(rèn)已經(jīng)完成的維修任務(wù)和維修的效果。用戶可以通過人機(jī)界面實(shí)時的查詢設(shè)備臺帳和維修信息。決策管理者可以根據(jù)當(dāng)前機(jī)載設(shè)備健康狀態(tài)和剩余壽命預(yù)測信息來制定維修方案。若故障程度已經(jīng)超出一定范圍，危及人員和設(shè)備的安全時，則必須立刻發(fā)送信息通知操作人員，同時啟動應(yīng)急措施以最大程度地減少故障影響范圍和財產(chǎn)損失。

維修知識庫主要存儲故障維修知識和設(shè)備維修方案。維修人員可以根據(jù)設(shè)備故障信息或故障類型，查詢和檢索知識庫，獲取所需要的維修方法和建議。

3.6 輔助功能

輔助功能主要實(shí)現(xiàn)各類信息人機(jī)界面顯示管理、數(shù)據(jù)庫管理、報表生成與打印、知識挖掘、數(shù)據(jù)同步、信息集成等功能。數(shù)據(jù)同步完成機(jī)載設(shè)備狀態(tài)信息向地面指揮中心的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)的形式可以數(shù)據(jù)報文和文件。信息集成主要完成與第三方信息系統(tǒng)的信息共享，提供信息集成接口。

4 實(shí)施設(shè)備管理系統(tǒng)的意義

實(shí)施設(shè)備健康管理的目的是：取消基于日歷時限和部件使用情況的計劃維修，提高零備件保障的效率；識別未來可能發(fā)生故障或出問題的系統(tǒng)單元；實(shí)時地生成機(jī)載設(shè)備的維修計劃并向各級保障機(jī)構(gòu)報告。當(dāng)飛機(jī)還在空中飛行時，機(jī)載PHM系統(tǒng)所檢測到飛機(jī)故障和狀態(tài)信息便可以傳輸給地面指揮中心，讓他們提前做好準(zhǔn)備，在飛機(jī)降落后就可以快速地進(jìn)行維修，縮短飛機(jī)再次使用的準(zhǔn)備時間，大量減少維修工作量，提高飛機(jī)的戰(zhàn)備完好性。

機(jī)載PHM系統(tǒng)在智能診斷故障的基礎(chǔ)上，能通過其推理機(jī)綜合管理系統(tǒng)，對來自各分系統(tǒng)診斷推理機(jī)的信息進(jìn)行交叉校驗(yàn)，有效地剔除異常和沖突信息，從而將飛機(jī)的FAR降低到很小的程度。

5 結(jié)束語

借助各種智能推理算法，機(jī)載PHM可以評估機(jī)載設(shè)備的健康狀態(tài)，在機(jī)載設(shè)備故障發(fā)生前對故障進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列維修保障措施以實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的視情維修。機(jī)載設(shè)備健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用能進(jìn)一步提高飛機(jī)的機(jī)內(nèi)自測試和狀態(tài)監(jiān)控能力，改變傳統(tǒng)的基于事件或時間的維修模式，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修。

下階段的研究目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)算法，優(yōu)化現(xiàn)有的算法設(shè)計；在狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)積累到一定程度之后，利用大數(shù)據(jù)的分析方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的智能健康管理。

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