飞行器健康监控的概念及其发展

肖薇　李思思

摘 要：飞行器健康监控技术是当前国内外的一个研究热点，其应用对于提高飞行器的可靠性、安全性和经济性具有重要的意义。文章从健康监控技术的概念、发展及相关技术三个方面进行了介绍。

关键词：飞行器，健康监控，故障预测

中图分类号：N04；V；V267；X949 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0057-03

The Concept and Development of Aircraft Health Monitoring

XIAO Wei LI Sisi

Abstract：Aircraft health monitoring is currently the hot topic of civil and abroad research. The application of aircraft health monitoring is very important to improve the reliability， security and economical efficiency of aircraft. This article describes the concept， development of aircraft health monitoring technology and its relevant technology.

Keywords：aircraft， health monitoring， failure predict

收稿日期：2014-06-12

作者简介：肖薇（1982—），女，湖北天门人，硕士，专利审查助理研究员，研究方向为自动控制。通信方式：xiaowei_1@sipo.gov.cn。

引 言

航空航天飞行器在经济、军事领域中发挥着重要的作用。由于飞行器故障而导致的事故，轻则降低或失去预定功能，重则导致严重的以至灾难性的生命、财产损失。2002年4月15日中国国际航空公司CA129北京—釜山航班在韩国庆尚南道金海市坠毁，导致125人丧生；2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机在返回的过程中与地面失去联系后爆炸分解，7名航天员遇难；2014年1月25日“玉兔”号月球车发生故障，随时可能停止工作；2014年6月3日，俄航空公司伊尔96-300型客机意外着火损毁……这些事故无不表明，保证飞行器的安全运行是十分迫切的问题。世界各航空航天技术大国为此投入了大量人力和物力进行了广泛的研究，提出了各种各样的方法，其中健康监控（health monitoring）技术是极受重视的关键技术之一[1]，它的研究应用对提高飞行器的安全性和可靠性具有重要意义。

一 飞行器健康监控的概念

飞行器健康监控的内容一般包括状态监测、故障诊断、故障预测和故障决策四个方面[2]。状态监测首先进行信号采集和处理，信号采集是根据诊断要求选择能表示飞行器工作状态的不同信号并选用各类传感器进行探测，而信号处理是将采集到的信号进行分类处理从而获得能表征飞行器特征参数的过程。故障诊断是将获得的飞行器特征参数与规定的允许参数或判别参数进行对比以确定飞行器所处的状态，判断是否存在故障以及故障的类型。故障预测是指根据当前信号预测飞行器状态可能的发展趋势。故障决策用以根据上述对飞行器状态的判断，决定应采取的对策和措施，从而改善和提高飞行器的安全性和可靠性。

二 飞行器健康监控技术的发展

飞行器健康监控技术已经成为国内外的一个研究热点，国内外均有相关专利的申请，笔者在中国专利数据库CNABS及外文专利数据库VEN中，采用“飞行器”“故障诊断”“健康监控”及相关扩展词汇进行检索，从专利角度来分析飞行器健康监控技术的发展。

从全球专利申请情况来看，从1994年开始，涉及飞行器健康监控技术的申请量开始增长，在2011年达到高峰。申请人多为国外大公司，包括波音公司（BOEI）、霍尼韦尔国际公司（HONE）、欧洲宇航防务集团（EADS）、通用电气公司（GENE）、联合科技公司（UNAC）、洛克希德公司（LOCK）等，而美国是飞行器健康监控技术最为主要的原创国。从申请的分类来看，主要集中在G06F（电数字数据处理），这反映出飞行器健康监控技术需要以检测、仿真模拟、测试、控制及相关的数字数据处理为基础。从申请的主题来看，飞行器的健康监控管理占据了约50%。

从国内专利申请情况来看，从2002年开始，涉及飞行器健康监控技术的申请量开始增长，在2012年达到高峰。国内专利申请量与全球专利申请量趋势相同。申请人多为大学及科研院所，包括南京航空航天大学、北京航空航天大学、西安费斯达自动化工程有限公司、西安飞机设计研究所等。可见，虽然国内飞行器健康监控技术起步较晚，但近年来加大了研发力度，以跟上国外的研究步伐。

从技术主题来看，目前飞行器健康监控中的故障诊断逐渐从原来单一的诊断方法，向各个诊断方法相结合的方向发展。同时，随着计算机技术的飞速发展，飞行器健康监控也采用了许多新的技术，如网络化技术、组件化技术、优秀的人机界面技术等。这对于健康监控系统的开发和维护、资源的合理利用提供了有力的支持。

三 飞行器健康监控相关专利技术介绍

健康监控管理主要执行与飞行器及其组成部分健康状态直接相关的管理活动，其以诊断预测为主要手段，通过对各个系统的故障诊断，提高维护效率，从而降低使用/维护成本。波音公司是全球航空航天业的领航者，也是全球最大的飞行器制造商，以下介绍其在飞行器健康监控方面的专利申请来了解该技术的发展状况。

波音公司于2004年提出一种飞行器健康监控系统（US2010017049A1），此监控系统包括含有任务关键软件模块和飞行关键软件模块，任务关键软件模块接收飞行器信息并基于其诊断或预测故障并确定一个或多个风险值、置信值、得益值，飞行关键软件模块基于上述风险值、置信值、得益值计算健康得分并将其与门限值进行比较；飞行关键软件模块对于飞行器信息进行过滤，确定这些信息是否是内部连续、外部连续或一直是稳定的，飞行关键软件模块基于上述得到的健康得分及上述确定的飞行器信息传送飞行器相关的信息至飞行控制系统。在诊断或预测出故障后，需要采取对应的措施。波音公司于2007年提出了另一种健康监控系统（US2008297333A1），其中建立了飞行器功能模型，并利用该功能模型核实飞行过程中潜在的危险状况；建立危险状况的起因模型，并利用与该模型对应的控制方式对相关部件进行控制，从而避免危险状况的产生。同年，波音公司又提出了基于贝叶斯概率分析的健康监控系统（GB2450241A）以提高健康监控系统的准确性及快速性。复杂系统故障预测及健康监控的贝叶斯概率分析，包括接收多个指示复杂系统、多个操纵变量的观测状态的信号，利用被监控系统的诊断模型执行上述多个信号的组合概率分析以提供被监控系统的健康预测信息并提供对应的预测指示；采用分层贝叶斯网络执行上述组合概率分析；上述被监控的系统可以是飞行器板载系统，如环境控制系统中的发动机引气预冷器，基于燃料流量的平均偏差、排气温度的平均偏差、空气供给及控制系统的温度平均偏差确定上述预冷器的故障。

四 结 语

健康监控技术已经成为国内外的一个研究热点。飞行器健康监控技术的初步研究应用，已在国外许多型号上发挥了重大作用，提高了可靠性、任务保障性，降低了运行和维护成本。开展飞行器健康监控技术研究，并推动其在中国飞行器中的应用，以保证各类航空航天飞行器的可靠性、安全性和经济性具有重要的意义。

参考文献

[1] 尚柏林， 宋笔锋， 万方义.飞行器结构健康监控系统研究进展及关键技术，测控技术，2008，27（7）：1-3，14.

[2] 刘剑慰，姜斌.飞行控制系统健康监控技术研究与系统开发[J].科技通报，2011，27（5）：787-791.