■ 黃勁東 / 中國航發(fā)研究院

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理在發(fā)動機機隊管理中扮演著重要角色，也是航空發(fā)動機服務保障體系工程技術服務域的核心建設內容。

航空發(fā)動機因其結構復雜且工作環(huán)境惡劣，日常運行也容易受航路上結冰、暴雨、鳥擊、側風、沙塵等難以預知的異常事件影響，會不可避免地發(fā)生性能退化和故障。因此，航空發(fā)動機進入服役后的外場維護是其安全可靠運行的重要保障。傳統上，發(fā)動機外場服務保障主要采用“多、勤、細”的定期維修方式來減少故障發(fā)生率，但耗費資源多、效率低下、成本高昂，嚴重影響裝備的完好率和出勤率。隨著對航空發(fā)動機整機和部件失效模式、失效規(guī)律以及部件、系統可靠性和維修性認識的不斷深入，發(fā)動機的使用維修理念也在不斷發(fā)展，維修策略從早期的定時維修發(fā)展到以可靠性為中心的預防性維修（RCM），并朝著基于狀態(tài)的預測性維修轉變。

基于狀態(tài)的維修

基于狀態(tài)的維修(CBM)是一項戰(zhàn)略性的維修策略，目的是通過對裝備內部植入的傳感器或外部檢測設備中獲得的狀態(tài)信息進行實時或近實時的監(jiān)控，只在裝備存在維修需求時實施維修。其思想來源于民機的視情維修，于1998年由美國海軍提出，之后被美國國防部正式采納并在各軍兵種推廣，并在2008年升版到CBM+。

CBM+并非是RCM的簡單替代，二者有著非常緊密的內在聯系。RCM是在充分開展失效模式影響及危害性分析（FMEACA）的基礎上，形成預防性（或計劃）維修方案，解決“修什么、何時修、誰來修”的問題，并在使用中不斷修正、完善，促進設計改進。而CBM+則利用裝備產生的數據，追蹤其有代表性的性能、可靠性等指標，發(fā)現異常并告警，進行故障診斷、評估健康狀態(tài)，預測趨勢和可能出現的故障，采取有針對性的維修措施恢復和保持裝備的功能和可靠性。所以，RCM是CBM+的基礎，CBM+則為實現RCM故障管理策略提供先進、高效的方法、標準和工具。顯然，RCM和CBM互相影響、互相促進，是預防性維修與預測性維修的結合，如圖1所示。

圖1 美國國防部RCM和CBM+的相互關系

美國海軍是CBM的發(fā)起者和倡導者，在H-1直升機主減速器CBM+項目中，通過在主減速器上加裝傳感器和開發(fā)監(jiān)控系統 ，在一年半的時間內避免了22臺主減速器由于套筒、碎屑等故障導致的非計劃返廠和多起緊急迫降嚴重事故。美國空軍于2020年專門成立空軍快速維修辦公室，推進B-1、KC-135、C-5、C-130和F-15等主戰(zhàn)機種應用CBM+，計劃于2030年覆蓋全部機型。

CBM+對狀態(tài)監(jiān)控和健康管理的需求

維修方式的演變對發(fā)動機的監(jiān)控提出了很高的要求，及時、準確、完整地掌握發(fā)動機的狀態(tài)，開展故障預測和健康管理成為機隊管理最核心的內容，由此催生了發(fā)動機健康管理（EHM）技術及相關系統的研發(fā)。

系統的構成和主要功能

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理系統由機載、地面、機旁三個系統組成，如圖2所示。機載系統和地面系統通過便攜式維修輔助裝置串聯，各系統均隨發(fā)動機同步研發(fā)、同時部署。其中，機載系統具有高實時性、快速反應、模型精度較高但相對簡單等特點；地面系統接收來自機載系統的飛行性能數據，同時利用發(fā)動機交付試車數據、外場使用維修數據，對發(fā)動機進行狀態(tài)監(jiān)控和趨勢分析，從中探測異常、發(fā)出警告，并借助各種復雜、精準、智能的數學模型和算法開展發(fā)動機健康狀態(tài)評估、性能退化和故障診斷/預測，避免微小異常發(fā)展為大的故障和事故，從而有效提高裝備使用的安全性和可靠性，為科學規(guī)劃發(fā)動機下發(fā)、制定合理的維修策略提供決策依據。

圖2 CBM+頂層架構中的狀態(tài)監(jiān)控和健康管理系統

CBM＋的開放體系架構

地面系統承載了狀態(tài)監(jiān)控和健康管理相當數量的重要任務。但是，美國海軍在實施CBM+的初期，由于缺乏統一、開放的架構和標準，不同公司或專業(yè)機構開發(fā)的應用系統開放性、互操作性和互換性較差，信息共享和數據交換困難，重復開發(fā)費用和維護成本高昂。2001年，美國海軍痛下決心，通過軍民兩用科技項目（DUST）資助了由波音公司等企業(yè)牽頭、高校和科研機構參與的團隊，共同開發(fā)了基于狀態(tài)維修的開放體系框架和標準（OSACBM），用于規(guī)范系統設計和數據信息交換，降低開發(fā)設計成本。OSACBM由7層組成，包括數據獲取層（DA）、數據處理層（DM）、狀態(tài)監(jiān)測層（SD）、健康評估層（HA）、故障預測層（PA）、決策支持層（AG）和表示層（PM），不同層之間數據接口、層次接口和通信協議統一定義，支持不同層次模塊的互操作性和互換性。

發(fā)動機地面綜合監(jiān)控和健康管理系統開發(fā)

借鑒OSA-CBM開放性架構及標準，結合當前國內技術發(fā)展現實情況，開展地面系統設計。

系統總體架構

根據現有技術水平和應用需求情況，搭建由數據獲取、數據處理、綜合監(jiān)控、狀態(tài)評估、運行決策共5層組成的系統總體架構，如圖3所示。原架構第三層狀態(tài)監(jiān)控改為綜合監(jiān)控，把監(jiān)控范圍從以氣路性能監(jiān)控為主擴展為可靠性、振動、滑油、孔探監(jiān)控等。圖3中箭頭表示系統數據流向，可以逐層由低向高流動，即從第一層通過傳感器和其他方式收集數據開始，流向各個不同功能的中間層模塊處理，最后傳送到決策支持模塊進行運行決策；也可以由低層流動到最高層，直接展示結果。

圖3 系統數據流向

主要業(yè)務功能分解

根據系統總體架構設計，除數據獲取和處理部分外，本系統的三個業(yè)務功能層還可進一步分解，主要業(yè)務子功能模塊如圖4所示。后續(xù)隨著技術的發(fā)展和數據、經驗的積累，還將有更多的故障診斷和失效分析等模型、算法的加入，不斷豐富監(jiān)控和評估功能。

圖4 主要業(yè)務功能分解

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理關鍵技術

狀態(tài)監(jiān)控和健康管理涉及眾多發(fā)動機相關專業(yè)和關鍵技術，僅選取其中4項加以說明。

可靠性監(jiān)控指標體系及其參數警戒值的建立和調整

發(fā)動機的固有可靠性由研發(fā)決定，但受運行環(huán)境、任務剖面和性能退化的影響，使用中的預防性維修只是維持或恢復其固有可靠性水平，然而不恰當維修或缺乏維修將會降低其使用可靠性。因此，必須通過建立完善的可靠性管理體系來持續(xù)監(jiān)控其可靠性狀況。

可靠性監(jiān)控涉及兩項關鍵技術：一是可靠性監(jiān)控指標體系的建立，即根據發(fā)動機的特點、實際使用環(huán)境和任務需求，確定各類型發(fā)動機可靠性監(jiān)控量化指標體系，滿足數量有限、可度量、可追溯、可驗證的要求；二是可靠性監(jiān)控指標參數警戒值的建立與調整，對被監(jiān)控的可靠性參數指標設定警戒值，及時發(fā)現可靠性指標統計結果與警戒值的偏離，觸發(fā)告警，每個參數警戒值均基于各異常事件的發(fā)生率，利用統計分析的方法得到，同時針對數據波動的特點進行滾動平均，在一定時期內動態(tài)調整。

基于發(fā)動機個性化模型的性能監(jiān)控和狀態(tài)評估技術

發(fā)動機氣路性能監(jiān)控包括在線采集和存儲發(fā)動機傳感器測量的飛行數據，下載到地面計算機后，以發(fā)動機總體性能基線模型為基礎，根據采集參數與模型參數兩者偏差實現氣路性能的異常檢測和故障告警，并開展趨勢分析、狀態(tài)評估和故障診斷，如圖5所示。

圖5 地面系統性能監(jiān)控/評估流程

上述工作流程中有如下關鍵環(huán)節(jié)。

一是確定發(fā)動機監(jiān)控性能參數或狀態(tài)特征參數組合。新交付的批產/修理發(fā)動機整機性能參數在一定范圍呈現隨機的分散特征，對外場使用的性能裕度具有重要的影響。因此，通過非相似狀態(tài)下發(fā)動機性能的修正、樣本數據的預處理、參數估計及相關性分析，建立每種參數的分布特征，確定具有統計學意義的發(fā)動機狀態(tài)特征參數組合。

二是建立個性化發(fā)動機性能基線模型。性能參數偏差Δy必須準確且能正確反應變化趨勢，才能得到高質量的監(jiān)測和診斷結果，前提是：傳感器測量的飛行參數應準確、充分；發(fā)動機性能基線模型準確；數據預處理方法能有效處理噪聲和數據點突變、數據趨勢突變等異常。其中，發(fā)動機性能基線模型不能簡單采用標準性能模型，必須考慮每一臺發(fā)動機出廠時零件制造/裝配的誤差，發(fā)動機的安裝損失，以及使用過程中性能退化和任務剖面不同產生的影響，在標準模型基礎上，結合發(fā)動機出廠檢驗試車數據和模型辨識方法開展模型修正，建立能表征單臺發(fā)動機的個性化性能基線模型。

三是發(fā)動機外場氣路性能監(jiān)控和狀態(tài)評估技術。氣路性能監(jiān)控關鍵是建立異常檢測邏輯，具備區(qū)分Δy因性能退化產生的非故障漸進性能變化與可能有故障的快速性能變化的能力，確定監(jiān)控告警的閾值是其中的一個難點。氣路分析評估方法包括基于模型的性能辨識和基于數據的性能辨識，或者將二者相結合，引入發(fā)動機自適應模型，自動跟蹤發(fā)動機性能變化，估計發(fā)動機部件的性能降級量和發(fā)動機性能降級趨勢。

高性能振動監(jiān)測與故障診斷技術

航空發(fā)動機結構復雜、有高速旋轉部件，其運行工況和運行環(huán)境復雜，呈現多元激勵的特征，產生復雜的振動響應，直接影響發(fā)動機正常工作和使用壽命。在綜合監(jiān)控中與之對應的關鍵技術包括：發(fā)動機振動故障機理及頻率特征技術，以及在多元信息融合、多種診斷方法融合等技術方向上發(fā)展諸如小波神經網絡、分形神經網絡等先進診斷方法，提高振動故障診斷準確度和預測精度；發(fā)動機振動早期微弱信號處理和特征提取技術，這些信號具有非平穩(wěn)、周期性特點，信噪比往往比較低，但包含豐富的故障信息，能幫助預判發(fā)動機的工作狀態(tài)和健康水平。目前采用常規(guī)的檢測方法（如幅值域分析、傅里葉變換、相關分析等）無法識別，必須利用近代電子學和信號處理方法（如小波域雙譜分析、盲源分離、維格納-威利（Wigner-Ville）分布、短時傅里葉變換和高階統計量分析等），準確檢測出淹沒于強噪聲中的微弱故障信號，達到預判故障、提高診斷準確率的目的。

基于OSA-CBM的系統開放體系架構技術

地面系統涉及發(fā)動機總體性能、可靠性、振動、結構、測試、系統辨識、信號處理、軟件架構、數據庫、人工智能、大數據挖掘等眾多專業(yè)領域，監(jiān)控數十個發(fā)動機等產品型號，處理海量數據，開發(fā)難度大、時間跨度長。隨著需求的變化和技術的發(fā)展需要不斷更新升級，如果仍然沿用傳統的單體架構模型和“單獨系統+單獨技術+單獨服務器+單獨數據庫+單獨機柜+后期編寫接口對接”孤島式系統建設和部署模式，無法在全行業(yè)實現有效的數據、算法和知識經驗共享，無法靈活應對各單位產品技術基礎參差不齊和故障診斷預測業(yè)務需求不斷增長的現狀，造成系統臃腫、大量重復開發(fā)和部署，研發(fā)和運維成本大幅增加。

而OSA-CBM開放體系架構正是解決上述問題的關鍵技術，主要體現在以下幾個方面。

一是采用分層體系架構設計。使用統一建模語言（UML）定義了每層（模塊）的結構，以及不同層之間的數據接口和通信協議，各層與外部系統之間的數據交換格式，以保證系統內部不同層次功能模塊的互操作性和相同功能模塊的互換性，保證與外部系統的集成性。在實際應用場景中，由于算法和發(fā)動機模型采用模塊化設計并解耦，數據采用標準格式傳輸，不同型號發(fā)動機只需更換發(fā)動機模型而無須重建系統，先進算法也可以獨立替換和升級，這也正是組件化（一般是動態(tài)鏈接庫）設計理念的具體體現，使系統基礎架構具有跨平臺、跨語言、跨協議的能力，通用性和可擴展性增強。

二是采用標準化和開放性設計。OSA-CBM從軟件系統設計上對系統的功能、體系結構、數據結構、數據交換、數據存儲、數據共享、功能模塊重用以及集成等多方面進行規(guī)范，并將上述信息全部公開，使功能開發(fā)商可以更加聚焦專業(yè)能力提升、自由選擇參與程度，從而節(jié)省開發(fā)成本，提高功能模塊的可移植性、開放性、可靠性和可集成性。

三是基于網絡服務的柔性平臺設計。一方面，地面系統的柔性體現在其并非由標準定義的所有組件構成，而是根據需要和技術現狀，自由裁剪、柔性組合形成監(jiān)控和診斷系統，具有相當的靈活性；另一方面，網絡服務技術支持監(jiān)控、診斷和預測等不同功能的系統組件分別部署在不同的地域，并通過標準的數據接口、協議和服務松散耦合在一起，形成網絡化的柔性平臺，支撐全行業(yè)專業(yè)功能模塊異地協同使用、資源異地共享。在這種方式下，參與各方只做自己擅長的工作，充分發(fā)揮各自在不同領域的技術優(yōu)勢，使平臺向專業(yè)化協同方向發(fā)展，而發(fā)動機遠程故障診斷也可以在這一網絡架構支撐下運轉，如圖6所示。

圖6 發(fā)動機遠程故障診斷分析協同平臺

結束語

基于狀態(tài)的預測性維修是世界航空發(fā)動機維修模式的發(fā)展趨勢，該維修模式的實現對航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控和健康管理系統提出了新的要求，研究其總體架構、功能分解和關鍵技術將對發(fā)動機行業(yè)相關系統的建設有所裨益。同時，高質量的數據是開展外場綜合監(jiān)控和健康管理的前提，因此外場服務保障數據治理將是后續(xù)的研究重點，以期為CBM+實施奠定堅實的數據基礎。