陳圣斌，丁 杰，沈亞斌，曾曼成

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

美國國防部在2004年12月提出了后勤轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略要求。同年，美國陸軍司令部提出了陸軍航空基于狀態(tài)維修(CBM+)的行動(dòng)計(jì)劃。至2010年，美國航空開發(fā)管理局-航空應(yīng)用技術(shù)管理中心(ADD-AATD)和西科斯基飛機(jī)公司(SCA)在以往多年技術(shù)儲(chǔ)備積累的基礎(chǔ)上，聯(lián)合負(fù)責(zé)一項(xiàng)“基于能力的使用和支撐技術(shù)-航空(COST-A)開發(fā)計(jì)劃”，其目的是為旋翼航空器開發(fā)、演示/驗(yàn)證綜合的診斷、預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)以降低計(jì)劃檢查和預(yù)防性維修工作，減少使用維修費(fèi)用，提高直升機(jī)的使用可用度和飛行安全性。

1 診斷、預(yù)測(cè)和健康管理的目標(biāo)和要求

1.1 目標(biāo)

開發(fā)、演示/驗(yàn)證旋翼航空的6個(gè)系統(tǒng)的診斷、預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)以降低計(jì)劃檢查和預(yù)防性維修工作。減少使用的維修、診斷費(fèi)用，提高安全性和使用可用度。

1.2 要求

在目前現(xiàn)役直升機(jī)(如UH60)上的HUMS/IVHMS的基礎(chǔ)上，融合診斷、預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)以降低風(fēng)險(xiǎn)和減少研發(fā)費(fèi)用。在COST-A計(jì)劃2014年結(jié)束時(shí)，所開發(fā)的診斷、預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)達(dá)到技術(shù)成熟度6級(jí)的水平(TRL-6)。

以最小的附加重量、費(fèi)用和機(jī)上改裝，將診斷、預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)嵌入到機(jī)上HUMS和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

以有限的傳感器感受和處理機(jī)上的狀態(tài)故障信息。

獲得較低的誤拆卸率，同時(shí)具有高置信度狀態(tài)檢測(cè)率和充分的提前檢測(cè)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)無故障維修。

能對(duì)機(jī)上關(guān)鍵部件/機(jī)載設(shè)備提供精確的剩余有用壽命。

1.3 維修性參數(shù)指標(biāo)(目標(biāo)值)

與2005年UH-60直升機(jī)外場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)的基值相比，診斷、預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用使UH-60直升機(jī)的維修性達(dá)到如下要求：

每飛行小時(shí)檢查減少50%；

每飛行小時(shí)維修人時(shí)減少12%;

部件平均拆卸間隔時(shí)間(MTBR)提高15%;

誤拆卸率小于5%;

故障前檢測(cè)時(shí)間最少為10飛行小時(shí)。

2 COST-A系統(tǒng)組成

COST-A的診斷、預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)由機(jī)載系統(tǒng)(OBS)和地面系統(tǒng)(GBS)兩部分組成。其中OBS實(shí)現(xiàn)6個(gè)主要系統(tǒng)的診斷、預(yù)測(cè)和健康管理。而GBS實(shí)現(xiàn)OBS未能完成的故障診斷工作(模糊性)，進(jìn)而提供維修建議和嚴(yán)酷度顯示并完成維修規(guī)劃。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.1 機(jī)載系統(tǒng)

機(jī)載系統(tǒng)(如圖1所示)包括：

1)IVHMU(綜合健康監(jiān)控裝置)。這是IVHMS(綜合健康管理監(jiān)控系統(tǒng))/HUMS(健康和使用監(jiān)控系統(tǒng))中的裝置。COST-A系統(tǒng)就是在IVHMU的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。

2)PHMU(預(yù)測(cè)和健康管理裝置)。這是一電路板，它插接在IVHMU機(jī)架上的備用插卡上，其功能是實(shí)現(xiàn)6個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)診斷、預(yù)測(cè)和健康管理。以減少維修排故時(shí)間，提高使用可用度。

圖1 COST-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3)OBN(光電主網(wǎng)絡(luò))。它使系統(tǒng)的各類數(shù)字、模擬信號(hào)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)穩(wěn)定和可靠通信。

4)NAIU(網(wǎng)絡(luò)采集和接口裝置)這是PHMU電路板、OBN和地面系統(tǒng)之間的主要接口單元。

5)SSI(傳感器系統(tǒng)接口裝置)。PHNU的傳感器經(jīng)SSI裝置接到OBN上，這是一多物理接口模塊，它接受數(shù)字和模擬信號(hào)、協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。

6)機(jī)載軟件。它們嵌入在PHMU的電路板上，對(duì)6個(gè)系統(tǒng)提供先進(jìn)的機(jī)上狀態(tài)監(jiān)控、診斷和推理運(yùn)算律，以便實(shí)現(xiàn)早期的和精確的故障檢測(cè)和隔離。

2.2 地面系統(tǒng)[2]

如圖1所示，它包括:

1)飛機(jī)筆記本(ACN)。它和機(jī)載系統(tǒng)及其軟件擴(kuò)展了IVHMS在機(jī)上(UH-60)陸軍平臺(tái)維修(PMA)軟件的功能，增加了6個(gè)系統(tǒng)的健康顯示和維修顯示。

2)部隊(duì)(大隊(duì)或營級(jí))服務(wù)器(BAT)。應(yīng)用地面診斷、預(yù)測(cè)和健康管理工具進(jìn)一步隔離故障，預(yù)測(cè)部件今后的健康趨勢(shì)，利用機(jī)群的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行維修規(guī)劃。

3 COST-A系統(tǒng)運(yùn)行

COST-A系統(tǒng)運(yùn)行程序如圖2所示:

圖2 COST-A軟件和推理結(jié)構(gòu)

1)診斷程序。該程序?qū)鞲衅鞯男畔⑻幚砗鸵?guī)格化后，識(shí)別系統(tǒng)非正常狀態(tài)并生成相應(yīng)故障模式，將特定部件狀態(tài)指示(CI)或健康指標(biāo)(HI)信息傳輸?shù)骄S修集生成程序。

2)維修集生成程序。若診斷程序中某一特定部件有2個(gè)故障模式“A”和“B”的狀態(tài)指示，則生成了維修活動(dòng)“1”和“2”，即這一特定部件多了一個(gè)維修活動(dòng)。故障模式“A”和“B”哪一個(gè)是故障的根本原因？這存在模糊性。

3)故障模式推理程序。該程序接到模糊性信息后，便對(duì)“A”“B”兩個(gè)故障模式的發(fā)生概率排序，進(jìn)而確定“A”故障為可能發(fā)生故障根因。

4)機(jī)載維修推理程序。該程序根據(jù)“A”故障映射維修集，并生成維修建議。

5)健康累計(jì)評(píng)估程序。該程序根據(jù)故障“A”的健康指標(biāo)的累計(jì)評(píng)估，形成對(duì)高層次(系統(tǒng)和直升機(jī))的健康指標(biāo)，并以矩陣方式給出對(duì)上層次任務(wù)、安全和功能的影響，從而按GYOR(綠、黃、橙、紅)的顏色指示，對(duì)提供的維修建議在著陸時(shí)是即時(shí)進(jìn)行或繼續(xù)觀察。這一顏色指示和維修建議顯示在飛機(jī)筆記本上。

6)飛機(jī)筆記本。其顯示器顯示維修建議，在對(duì)機(jī)載系統(tǒng)診斷的狀態(tài)仍存模糊性時(shí)，繼續(xù)診斷，給出可能的故障根因并予以隔離。

7)部隊(duì)服務(wù)器。該程序累計(jì)機(jī)載系統(tǒng)健康數(shù)據(jù)，并利用機(jī)群的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行維修規(guī)劃，根據(jù)剩余壽命給出下一次維修干預(yù)時(shí)間，以便進(jìn)行維修保障準(zhǔn)備(如備件供應(yīng))。

上面的系統(tǒng)運(yùn)行參見參考文獻(xiàn)[3]的實(shí)例說明。

4 預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)(PHM)

COST-A系統(tǒng)開發(fā)和改進(jìn)了6個(gè)系統(tǒng)的PHM技術(shù)。限于篇幅，本文以旋翼系統(tǒng)為例簡(jiǎn)要說明該系統(tǒng)某些技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

1)PHM的技術(shù)要求

傳感器系統(tǒng)要設(shè)計(jì)成可重構(gòu)和可擴(kuò)展，并能與OBN接口，它能連續(xù)地監(jiān)控旋翼關(guān)鍵部件的關(guān)鍵載荷、運(yùn)動(dòng)和其它參數(shù)，以確定他們的健康狀態(tài)。

應(yīng)正確地選擇予以監(jiān)控的部件和載荷，并且必須獲取大載荷機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求選擇數(shù)據(jù)收集和傳輸?shù)暮侠砣舆M(jìn)度。

根據(jù)監(jiān)控的關(guān)鍵部件載荷，計(jì)算旋翼系統(tǒng)部件和機(jī)上其它部件疲勞損傷的剩余有用壽命(RUL)

應(yīng)收集傳感器所監(jiān)控部件的載荷和運(yùn)動(dòng)以便產(chǎn)生和推導(dǎo)槳轂的總載荷。

各個(gè)部件的健康是由開發(fā)的運(yùn)算律確定的，它是部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的趨勢(shì)與基準(zhǔn)響應(yīng)相比較得出的。

2)旋翼系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)

旋翼系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)包括：

①局部載荷和/或運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器

這包括阻尼器、球形軸承、總距桿端、總距桿傳感器。其中：

阻尼器——是新研發(fā)的無線傳輸、自供電的超前/滯后阻尼器傳感器系統(tǒng)，它能測(cè)量阻尼器的穩(wěn)態(tài)，診斷振動(dòng)載荷和振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這些載荷和運(yùn)動(dòng)組合能確定阻尼器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和剛度。這些值的發(fā)展趨勢(shì)的比較就能確定阻尼器性能隨時(shí)間退化的狀態(tài)，并產(chǎn)生CBM的干預(yù)。這一傳感器系統(tǒng)具有能源生成能力，在關(guān)鍵工作狀態(tài)提供可靠而足夠的能源。

球形推力軸承(組件)——是新研發(fā)的旋翼球形和推力軸承。其無線傳輸、自供電的嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)能測(cè)量槳葉剛體揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)，這些傳感器也能測(cè)量軸承上的揮舞、擺振和變距力。這些載荷和運(yùn)動(dòng)組合能用來計(jì)算整個(gè)旋翼載荷和監(jiān)控軸承剛度的變化，從而表示出軸承性能退化的狀態(tài)。這一傳感器也設(shè)計(jì)成嵌入式能源生成器，以提供足夠的能源來連續(xù)或瞬時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

推力桿端——這一推力桿端使用經(jīng)改進(jìn)的H-60機(jī)推力桿端傳感器，該傳感器除天線之外都嵌入在桿端內(nèi)，這是一無線傳輸自供電傳感器，對(duì)于COST-A計(jì)劃，其改進(jìn)目標(biāo)是降低重量，縮小結(jié)構(gòu)尺寸，并具有最大線性度。在地面運(yùn)行和懸停狀態(tài)的低載荷狀態(tài)下，它也能提供連續(xù)能源而不丟失數(shù)據(jù)。

變距拉桿——根據(jù)H-60機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，將改進(jìn)該傳感器無線傳輸和自供電功能，并使之與無線傳感器局網(wǎng)(RLWSN)接口。

②旋翼傳感器局網(wǎng)

COST-A系統(tǒng)開發(fā)的旋翼傳感器局網(wǎng)，便于數(shù)據(jù)從旋翼部件傳輸?shù)皆O(shè)置在機(jī)體結(jié)構(gòu)上的光電主網(wǎng)絡(luò)(OBN)。這一無線網(wǎng)間連接器(wireless gateway)能滿足連接在這一局網(wǎng)上所有傳感器的取樣數(shù)據(jù)速度、取樣時(shí)間和可靠性要求，以確保下游處理時(shí)精確同步。這一網(wǎng)間連接器通過OBN能與所有旋翼傳感器和PHM裝置進(jìn)行雙路數(shù)據(jù)通信。

5 診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)

COST-A系統(tǒng)的機(jī)載系統(tǒng)(OBS)和地面系統(tǒng)(GBS)通過其所設(shè)置的工具(現(xiàn)有和新引入的)來實(shí)現(xiàn)診斷和預(yù)測(cè)能力。其中機(jī)載系統(tǒng)的診斷和健康監(jiān)控功能給空勤人員提供直升機(jī)健康狀態(tài)詳細(xì)評(píng)估和著陸時(shí)所推薦的維修工作范圍。地面系統(tǒng)的診斷和預(yù)測(cè)是一深入細(xì)致的計(jì)算工作，它利用機(jī)群數(shù)據(jù)來降低模糊性以改進(jìn)診斷能力，并提供支持?jǐn)?shù)個(gè)月的維修規(guī)劃。

5.1 機(jī)載系統(tǒng)

1)COST-A系統(tǒng)的每一系統(tǒng)都使用診斷和推理軟件。Reason PTOTM是COST-A系統(tǒng)推理機(jī)的主要工具。某些系統(tǒng)使用能兼容的專用軟件，它們都嵌入在PHMU的電路板上。這些軟件應(yīng)用不同的模型，確認(rèn)并使相應(yīng)數(shù)據(jù)(例證)(如參數(shù)數(shù)據(jù)、BIT編碼)聯(lián)系起來。它比任一已知的單一監(jiān)控都能獲得更高的精度和置信度，推斷出故障根因。

2)推理模型為層次法構(gòu)建，以便優(yōu)化控制管理模型的復(fù)雜性。

3)COST-A系統(tǒng)由3個(gè)層次組成：部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和直升機(jī)級(jí)。任一層次的推理機(jī)都能使用和詢問其它層次的數(shù)據(jù)(例證)。任一層次的推理機(jī)都使用了3個(gè)基本單元：①數(shù)據(jù)分析——編輯預(yù)處理和提煉分類數(shù)據(jù)集，以便由推理機(jī)使用。②模型——使用三種模型，最簡(jiǎn)單的是貝葉斯置信度網(wǎng)絡(luò)方式的相關(guān)性模型；第二種是正、反兩個(gè)數(shù)據(jù)(例證)評(píng)估診斷置信度模型；第三種是最完善的或最先進(jìn)的使用動(dòng)態(tài)和瞬時(shí)數(shù)據(jù)的相關(guān)性模型。應(yīng)根據(jù)權(quán)衡研究進(jìn)行工程決斷來選擇模型。③推理引擎——是一運(yùn)算律群，通過運(yùn)算律使數(shù)據(jù)(例證)與其模型比對(duì)以識(shí)別性能退化(不正常)部件、分系統(tǒng)和系統(tǒng)健康狀態(tài)，并計(jì)算出最可能的故障根因排序集。

5.2 地面系統(tǒng)

1)UH-60型機(jī)平臺(tái)維修應(yīng)用：它作為將傳統(tǒng)應(yīng)用和COST-A系統(tǒng)模塊綜合成一完全綜合化的圖形使用界面或接口基礎(chǔ)，便于維修人員連續(xù)和系統(tǒng)地完成維修工作。

2)COST-A系統(tǒng)擴(kuò)展了其他的數(shù)據(jù)挖掘工具使之包括先進(jìn)的運(yùn)算律和推斷法。

3)機(jī)群監(jiān)控工具用來支持和跟蹤工作使用參數(shù)(operational usage metrics)和飛行手冊(cè)的超限值、機(jī)械診斷、旋翼跟蹤和平衡及維修跟蹤。一種任務(wù)構(gòu)建型應(yīng)用工具能實(shí)現(xiàn)所有部件基于使用的預(yù)測(cè)以確定其剩余的有用壽命。

4)基于使用的預(yù)測(cè)軟件也支持維修規(guī)劃和評(píng)估每一主要故障模式在多任務(wù)且?guī)讉€(gè)月的規(guī)劃時(shí)間內(nèi)的發(fā)生概率。

5)地面系統(tǒng)也連接到美國陸軍開發(fā)的集中式機(jī)群管理功能上，以便安全地收集各架直升機(jī)信息，如工作使用和部件健康。

診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例參見文獻(xiàn)[1]。

6 建模方法

COST-A系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用了基于物理的模型和基于數(shù)據(jù)的模型來建立COST-A系統(tǒng)的診斷和預(yù)測(cè)方法。

1)基于物理的模型

部件和系統(tǒng)基于物理的分析模型是COST-A系統(tǒng)診斷和預(yù)測(cè)方法的一個(gè)很重要的部分。它應(yīng)用部件和系統(tǒng)的物理特性來建立部件和系統(tǒng)的診斷和預(yù)測(cè)模型。

例如旋翼系統(tǒng)，它開發(fā)了一種基于物理的氣-彈模型來預(yù)測(cè)部件存在缺陷狀態(tài)下的系統(tǒng)特性，從而定量表示可能發(fā)生的非正常狀態(tài)，例如載荷偏移高于正常振動(dòng)的作用載荷，槳葉運(yùn)動(dòng)等。

又如，根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在偶然撞擊事件中的損傷和損傷擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)建立有限元分析模型，來確定損傷位置，從而定量給出損傷尺寸，并與機(jī)群的歷史數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，確定結(jié)構(gòu)件的剩余有用壽命。

2)基于數(shù)據(jù)的模型

COST-A系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用基于數(shù)據(jù)的分析模型，例如故障/失效模式推理模型。它應(yīng)用以往設(shè)備/部件的歷史數(shù)據(jù)(如故障率)建立排故表，以便在發(fā)生診斷模糊的情況下確定可能故障的根因。

又如，在維修集的生成過程中，它使用了CI/HI與其相應(yīng)故障所對(duì)應(yīng)的維修措施建立了基于數(shù)據(jù)(信息)的以矩陣方式表示的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來確定每一CI/HI(狀態(tài)指示/健康指示)超限時(shí)的不正常狀態(tài)的1對(duì)1相應(yīng)的維修措施。若存在模糊性，繼續(xù)應(yīng)用F/FM推理模型，以確定不正常狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的維修措施。

7 關(guān)鍵技術(shù)

通過上面的討論，可以看出COST-A系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是：

1)確定每一關(guān)鍵部件/設(shè)備的主要故障模式及其狀態(tài)參數(shù)，以便確定狀態(tài)指示和門限值(狀態(tài)指示器)。

2)建立狀態(tài)指示的相關(guān)模型，以便將傳感器截獲的信息轉(zhuǎn)化為表征部件健康狀態(tài)指標(biāo)。

3)旋翼系統(tǒng)動(dòng)部件傳感器應(yīng)嵌入到相應(yīng)部件之中，并具有自供電能力，通過無線傳輸將傳感器數(shù)據(jù)(信息)傳到設(shè)置在臨近結(jié)構(gòu)件的接收天線上，以消除傳統(tǒng)的集流環(huán)傳輸，降低重量，提高可靠性。

4)提供關(guān)鍵部件在各種使用和環(huán)境條件下的剩余有用壽命(RUL)以便于進(jìn)行維修規(guī)劃和及時(shí)提供保障資源(如備件、工具等)。

5)各個(gè)系統(tǒng)和6個(gè)系統(tǒng)綜合一起演示/驗(yàn)證技術(shù)，以便在COST-A計(jì)劃結(jié)束時(shí)，驗(yàn)證和確認(rèn)COST-A所開發(fā)的技術(shù)達(dá)到技術(shù)成熟度6級(jí)(TRL-6)水平。

8 結(jié)論及國內(nèi)發(fā)展建議

COST-A計(jì)劃經(jīng)過4年的開發(fā)，為UH-60等傳統(tǒng)直升機(jī)和未來旋翼航空器研制的診斷、預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)經(jīng)預(yù)測(cè)和健康管理(PHM)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)室(SIL)演示/驗(yàn)證試驗(yàn)，該系統(tǒng)(包括6個(gè)系統(tǒng)在內(nèi))開發(fā)的35項(xiàng)技術(shù)有20多項(xiàng)達(dá)到了COST-A計(jì)劃所要求的技術(shù)成熟度6級(jí)水平，還有多項(xiàng)要繼續(xù)投資開發(fā)使之成熟。一旦所有技術(shù)達(dá)到了TRL-6，該系統(tǒng)將移植到UH-60直升機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，使之進(jìn)一步成熟并予以確認(rèn)，以便機(jī)群改裝投入外場(chǎng)使用。

國內(nèi)直升機(jī)領(lǐng)域應(yīng)借鑒COST-A系統(tǒng)研發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)新發(fā)展國產(chǎn)直升機(jī)的診斷、預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)。從總體上來看，它應(yīng)包括：

①深入消化COST-A系統(tǒng)的相關(guān)資料，掌握系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，分析其成功和不足之處，并提出改進(jìn)方法。

②開展包括航空電子系統(tǒng)在內(nèi)的各個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵部件基于故障的物理研究，確定其主要故障/失效模式及其狀態(tài)的表示方法，使航空電子系統(tǒng)和其他系統(tǒng)都融入到診斷、預(yù)測(cè)及健康管理系統(tǒng)之中，從而使全機(jī)各系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)維修而取代當(dāng)前的傳統(tǒng)的維修方式。

③進(jìn)一步研究，通過無線傳輸或衛(wèi)星通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，以使地面人員實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)上關(guān)鍵部件的使用狀態(tài)，從而實(shí)時(shí)診斷和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)空-地信息無縫鏈接，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的維修規(guī)劃和保障資源供應(yīng)。直升機(jī)一著陸就進(jìn)行維修，進(jìn)一步減少維修和后勤保障時(shí)間，以提高直升機(jī)使用可用度。