熊斌華 趙紅華 程偉

摘要：液壓系統(tǒng)是A320飛機的重要系統(tǒng)，通過采取預(yù)測性維修方式，借助EMS軟件對WQAR數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析歸納總結(jié)，找出系統(tǒng)工作規(guī)律，確認系統(tǒng)參數(shù)正常性能范圍，將之運用于系統(tǒng)監(jiān)控，對監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的性能退化的飛機系統(tǒng)提前采取維護措施，使之恢復(fù)到合理的范圍，避免飛機帶“病”執(zhí)行航班至系統(tǒng)徹底失效而影響到航班安全性。預(yù)測性維修大大降低了系統(tǒng)故障、完全失效的發(fā)生概率，有效保障航班的安全。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；AIRMAN；預(yù)測性維修；正態(tài)分布；EMS；WQAR

Keywords：hydraulic system；AIRMAN；predictive-maintenance；Gaussian distribution；EMS；WQAR

0 引言

2020年6月19日某航一架B-99XX A320飛機執(zhí)行航班過程中，機組空中報告綠液壓系統(tǒng)油箱超溫警告，機組按操作手冊關(guān)閉綠液壓系統(tǒng)，落地前重力放起落架，飛機AOG排故，后續(xù)航班取消，造成一起SDR事件。

早期的低慢小飛機可以通過鋼索或者連桿機構(gòu)連接舵面操縱，隨著飛機高速化大型化的發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱機構(gòu)已經(jīng)不能滿足飛機操縱的要求，現(xiàn)代飛機的操縱系統(tǒng)已經(jīng)被液壓系統(tǒng)取代，液壓系統(tǒng)的性能好壞直接影響飛行的安全。

1 航空企業(yè)對液壓系統(tǒng)管控現(xiàn)狀

從2016—2020年某航A320機隊因液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致的不正常事件統(tǒng)計（見圖1）中可知航班延誤達145起，其中導(dǎo)致返航/備降/滑回等SDR事件45起，多次導(dǎo)致返航重力放起落架的情況發(fā)生，給航空公司造成了巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響，液壓系統(tǒng)的可靠性已成為影響飛行安全和航班正常的重要因素。

國內(nèi)很多航空公司對A320的液壓系統(tǒng)監(jiān)控大多建立在航前、短停、航后檢查、機組報告以及定檢定期維護等比較原始的重復(fù)性檢查基礎(chǔ)上，受人員技能、環(huán)境因素、人員疲勞等因素影響較大，往往不能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的缺陷。目前，比較先進的監(jiān)控手段是借助空客AIRMAN監(jiān)控軟件（見圖2），但該軟件存在的問題是，當AIRMAN監(jiān)控到系統(tǒng)觸發(fā)警告信息時就意味著故障已經(jīng)發(fā)生，相關(guān)系統(tǒng)已不能正常工作，對飛行安全、航班正常性已造成了事實上的損害，因此該監(jiān)控軟件僅僅解決了地面同步掌握飛機是否觸發(fā)故障警告的問題。隨著機隊規(guī)模的擴大、航班數(shù)量的增加，現(xiàn)有的技術(shù)手段以及維修模式已不能滿足大機隊運行的需求，液壓系統(tǒng)預(yù)測性監(jiān)控需求在此背景下應(yīng)運而生。

2 A320液壓系統(tǒng)簡介

為避免單一液壓系統(tǒng)失效導(dǎo)致飛機完全無法操控的情況發(fā)生，A320飛機設(shè)計了三套液壓系統(tǒng)：綠液壓系統(tǒng)、藍液壓系統(tǒng)、黃液壓系統(tǒng)。綠液壓系統(tǒng)由EDP（engine drive pump）和PTU（power tranfer unit）組成，負責某些飛控舵面操作、起落架收放、正常剎車系統(tǒng)、左發(fā)反推。藍液壓系統(tǒng)由EDP和RAT（ram air turbin）組成，負責某些飛控舵面操作、應(yīng)急發(fā)電機。黃液壓系統(tǒng)由EDP、ELECTRIC PUMP、PTU、HAND PUMP組成，負責某些飛控舵面操作、備用/停留剎車系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)、右發(fā)反推、貨艙門操作。

三套液壓系統(tǒng)互為備份，每套液壓系統(tǒng)都能保障飛機的基本飛行操作，一套液壓系統(tǒng)失效雖不會嚴重危及飛行安全，但會嚴重降低飛行安全系數(shù)，現(xiàn)代大型飛機液壓系統(tǒng)大都設(shè)計為多套系統(tǒng)互相備份，通過提高系統(tǒng)冗余度的方式保證飛行安全。

3 液壓系統(tǒng)監(jiān)控預(yù)測性報警開發(fā)

3.1 故障特征分析

對上述B-99XX故障航班數(shù)據(jù)進行譯碼分析，并與其他飛機的正常航班數(shù)據(jù)進行對比（見圖3），故障航班最大綠系統(tǒng)液壓壓力3500psi，綠系統(tǒng)液壓溫度99℃（見圖4），同一航班其他飛機綠系統(tǒng)最大壓力3072psi（見圖3），綠系統(tǒng)溫度66℃（見圖4），故障航班液壓壓力和液壓溫度遠大于正常航班數(shù)值，說明液壓壓力和液壓溫度可以間接反映出液壓系統(tǒng)“健康”狀態(tài)。

3.2 液壓系統(tǒng)壓力/溫度合理范圍的分析方法

A320飛機綠系統(tǒng)、藍系統(tǒng)、黃系統(tǒng)三套液壓系統(tǒng)其組成、工作負載和油箱容量大小不盡相同，通過持續(xù)監(jiān)控液壓系統(tǒng)壓力/溫度來實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)的監(jiān)控。首先需要確認液壓系統(tǒng)壓力/溫度分布的合理范圍，此處采用常用的大數(shù)據(jù)分析方法——正態(tài)分布。

正態(tài)分布有極其廣泛的實際背景，生產(chǎn)與科學(xué)實驗中很多隨機變量的概率分布都可以近似地用正態(tài)分布來描述，為研究液壓系統(tǒng)失效模式提供了理論基礎(chǔ)。

1）確定正常液壓壓力分布

利用EMS譯碼軟件將某航2018～2020年A320機隊100多萬個航班的WQAR數(shù)據(jù)進行譯碼，并利用EMS軟件采集每個航班綠、藍、黃三套液壓系統(tǒng)的最大壓力，得到綠、藍、黃三套液壓系統(tǒng)分布圖如圖5、圖6、圖7所示，橫坐標表示航班運行中系統(tǒng)出現(xiàn)的最大壓力值，縱坐標表示在某個特定最大壓力值下出現(xiàn)的航班次數(shù)。以綠系統(tǒng)為例，在運行的70多萬航班中，綠系統(tǒng)最大壓力值為3008psi。從圖中能明顯看到液壓壓力分布呈現(xiàn)出正態(tài)分布的形態(tài)，中間段（2944～3200psi）出現(xiàn)頻率較高，兩側(cè)（壓力過大/壓力過?。┏霈F(xiàn)概率較小，可以理解為液壓系統(tǒng)性能退化。

借鑒正態(tài)分布統(tǒng)計中常用95%置信區(qū)間，可認為采集到的最大液壓壓力數(shù)據(jù)中95%的數(shù)據(jù)都是合理的、正常的，而將過大、過小的壓力數(shù)據(jù)視為異常航班數(shù)據(jù)，對這些航班需要加以關(guān)注，為此初步確定了液壓壓力正常分布范圍為2600～3200psi。

2）確定正常液壓溫度分布

利用EMS軟件將某航2018—2020年A320機隊100多萬個航班WQAR數(shù)據(jù)進行譯碼，并利用EMS軟件采集每個航班綠、藍、黃三套液壓系統(tǒng)的最大溫度，得到綠、藍、黃三套液壓系統(tǒng)分布圖如圖8、圖9、圖10所示。

從液壓系統(tǒng)溫度分布圖中明顯看出，液壓溫度也呈現(xiàn)出正態(tài)分布形態(tài)，借鑒正態(tài)分布統(tǒng)計中常用95%置信區(qū)間，即認為95%的數(shù)據(jù)溫度是合理的、正常的數(shù)據(jù)。但液壓溫度設(shè)置上需要具體問題具體分析，液壓系統(tǒng)工作會對液壓油產(chǎn)生加熱效應(yīng)，液壓系統(tǒng)超溫會導(dǎo)致系統(tǒng)失效，而受外界極寒天氣影響使得低溫并非異?，F(xiàn)象，且液壓系統(tǒng)低溫并不會導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此對溫度需要更多關(guān)注右側(cè)溫度過高的區(qū)間，為此確定了液壓系統(tǒng)合理溫度為系統(tǒng)溫度≤80℃。

綜上所述，通過利用EMS對100萬個航班進行譯碼，并對每個航班采集綠、藍、黃三套液壓系統(tǒng)的最大壓力和最大溫度，明確了液壓系統(tǒng)正常的性能參數(shù)范圍（見表1）。

3.3 過濾數(shù)據(jù)后確定參數(shù)門限值

確定了液壓系統(tǒng)正常壓力溫度范圍后，理論上只需監(jiān)控液壓/溫度，一旦發(fā)現(xiàn)超過正常范圍，產(chǎn)生報警即可，但在實際運行中，由于信號干擾或其他因素的影響可能導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)短暫波動，如圖11所示，這種短暫波動在實際航班運行中被證實并非是真正的故障，因此需要在設(shè)置報警中過濾掉此類波動數(shù)據(jù)。

由圖11可知，可以通過設(shè)置壓力/溫度超過正常范圍的持續(xù)時間來清洗過濾掉此類波動性帶來的假報警，由此帶來一個新的問題，壓力/溫度超過正常范圍持續(xù)時間如何確定？為此需要對溫度/壓力超限持續(xù)時間做進一步統(tǒng)計分析，對100萬個航班溫度/壓力超過正常范圍持續(xù)時間進行統(tǒng)計，如表2、表3所示。其中，表2第1列表示有1039178個航班的液壓壓力不大于3200psi或低于2600psi；第2列表示有8919個航班的液壓壓力超過3200psi或者低于2600psi，且持續(xù)時間小于10s；其他列以此類推。表3第1列表示有1045692個航班的液壓溫度低于80℃；第2列表示有935個航班的液壓溫度>80℃，且持續(xù)時間小于10s；其他列以此類推。

根據(jù)表2和表3得到監(jiān)控液壓系統(tǒng)的監(jiān)控模型，即液壓壓力大于3200psi或小于 2600psi且持續(xù)時間超過20s；液壓溫度大于80℃且持續(xù)時間超過60s。

4 液壓系統(tǒng)監(jiān)控模型實際運用

某航根據(jù)上述液壓系統(tǒng)壓力/溫度門限值，利用譯碼軟件自動解碼功能進行解碼并對相關(guān)液壓溫度/壓力參數(shù)設(shè)置超限報警，在實際航班運行中提前發(fā)現(xiàn)了某飛機液壓系統(tǒng)潛在的性能退化，并在系統(tǒng)完全失效前采取排故措施，使系統(tǒng)恢復(fù)“健康”狀態(tài)，避免了飛機突發(fā)故障導(dǎo)致AOG。

2020年12月14日，某航B65XX 5698航班觸發(fā)藍系統(tǒng)低壓報警郵件（見圖12），顯示藍系統(tǒng)壓力896psi。2020年12月17日，更換藍系統(tǒng)釋壓活門后系統(tǒng)測試正常（見表4）。

為進一步驗證監(jiān)控模型是否有效，對歷史數(shù)據(jù)進行梳理，發(fā)現(xiàn)已有多起液壓系統(tǒng)故障被監(jiān)控模型提前發(fā)現(xiàn)，從而驗證了監(jiān)控模型的有效性。

1）2020年1月，某航B64XX飛機液壓壓力超出3200psi，如圖13中藍線右側(cè)所示，液壓最大壓力逐漸增加，6月19日維修記錄顯示發(fā)現(xiàn)故障，更換EDP后正常（見表5）。

2）某航B99XX飛機自2019年開始綠系統(tǒng)壓力超過3200psi，系統(tǒng)性能退化但并未失效，直到2020年4月最大壓力/溫度逐漸增大（如圖14中藍框所示），系統(tǒng)性能進一步惡化，6月20日綠系統(tǒng)空中觸發(fā)超溫故障警告，導(dǎo)致飛機AOG，最終更換EDP后故障排除（見表6）。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的飛機維修模式建立在航線維修/定檢維修模式上，而航線維修/定檢維修建立在重復(fù)性/定期的檢查測試基礎(chǔ)上，其弊端在于不能對系統(tǒng)進行持續(xù)不間斷的跟蹤監(jiān)控，很難提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在的性能退化，更多的是一種當系統(tǒng)徹底失效觸發(fā)故障警告再進行維修的事后維修模式。

預(yù)測性維修模式通過譯碼軟件自動對航班WQAR數(shù)據(jù)進行解碼，將成千上萬航班數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)歸納分析總結(jié)，并利用大數(shù)據(jù)分析工具找出系統(tǒng)工作規(guī)律，確定系統(tǒng)參數(shù)合理的性能范圍，以此參照標準對飛機系統(tǒng)參數(shù)進行持續(xù)的不間斷的跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能退化將觸發(fā)警戒，而此時系統(tǒng)并未完全失效還能繼續(xù)工作，從而為后續(xù)合理安排排故措施，為恢復(fù)系統(tǒng)性能爭取到寶貴時間，能有效避免非計劃應(yīng)急搶修的發(fā)生。這種能“預(yù)知未來”的預(yù)測性維修模式是航空維修行業(yè)的新模式，將對整個航空維修行業(yè)產(chǎn)生深遠積極的影響。