航空装备PHM技术发展及需求应用分析

施小弟

摘要：本文介绍了航空装备PHM技术的结构组成，探讨了PHM技术国内外研究现状，分析了航空装备PHM技术发展需求，总结了航空装备PHM技术发展所存在的难题，为学者研究航空装备PHM技术提供部分研究方向。

关键词：PHM；故障预测；健康管理

中图分类号：TH165.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0211-02

众所周知，故障诊断与健康管理技术（Prognostics and health management， PHM）作为航空装备上的新一代测试与诊断技术，不仅能够最大限度的保障航空装备的运行安全，完成既定任务，提高完成任务的能力，而且对于新型号的航空装备适应二级维修体制需要，减少全寿命周期维护费用，具有重要的作用[1]。

随着PHM技术的不断深入研究与应用，针对PHM技术中的多方向，均获得了突破性的发展，并根据型号的发展，PHM技术在多种型号上得到了广泛的应用[2]。根据目前PHM技术的发展情况，国内外众多科研单位在较为成熟的故障诊断和健康管理技术的基础上，针对航空装备PHM技术的功能需求和技术体系进行扩展研究，获得了大量的具有实际效果的技术方法，如数据预处理技术、健康评估技术、故障预测和系统集成等技术，从而大大提高了航空装备PHM技术的应用需求[3]。

1 航空装备PHM技术

研究航空装备PHM技术，其主要分为几个步骤：（1）采用分布式传感器网络技术，采集航空装备各系统的性能状态信息；（2）采用智能数据预处理技术，对获取到的信息进行预处理，从而捕获表征系统性能状态的特征信息；（3）采用多类智能算法或技术来监控和管理航空装备的健康状态，并对可能或即将发生的故障进行检测或者预测，最后得到系统的运行状态，提高的安全性能。PHM技术结构图如图1所示[4]。

一般地，PHM技术按功能划分，主要划分为：传感器采集系统、区域级管理系统、平台级管理系统3个层次。各部分主要功能分析如下。

（1）传感数据采集传输。传感器数据采集系统主要依据安装在不同部位或系统上的传感器，检测和采集航空装备中不同部件或系统的状态数据，然后将采集到的数据进行有效信息转换以及信息传输等[5]。（2）信息处理与特征提取。航空装备PHM技术区域级管理系统接受来自传感器的信号输入和原始数据信息，采用合适的信号处理算法对所接受到的原始数据信息进行预处理，消除信号中的白噪声或者杂质信息的干扰，同时通过合適的信号处理方法，提取出这些数据的有效特征信息，如信号的频谱、功率谱、特征值等，然后将它们传输到后续功能模块中，实现系统的故障诊断、故障预测、寿命预测及健康评估等功能[6]。（3）健康管理。健康管理功能模块主要是接受来自传感器数采模块获取到的原始数据及数据预处理模块捕获到的特征信息成分，依据健康评估、故障检测等智能算法对系统进行健康评估和故障诊断，从而来监测系统的当前运行状态[7]。

2 PHM技术国内外研究现状

针对PHM技术研究，国内外已经开展了大量的研究，并且部分研究成果已经能够实现在具体型号上的应用。国外早在上个世纪60年代，已开始了PHM技术的研究。从1961年以来，美国在执行阿波罗太空计划时发生了重要事故，因此，NASA和美国ONR主持开展了一系列对机械故障预防的研究性工作，这标志着故障诊断的开端[8]。上世纪90年代，美国军方在针对某具体型号的飞机计划中正式系统地提出了PHM技术的概念。2000年，PHM技术被列入《军用关键技术》报告[9]。英国首先将PHM技术应用在直升机上，经过英国各部门的研究，逐渐演变成为针对直升机这一飞行器的健康与使用健康系统（HUMS）。美国波音公司推出了以网络为基础的飞机健康管理模块（AHM），已经应用于B777，B747-400、A320、A330等飞机上。

国内的航空装备PHM技术研究正处于起步阶段，产品还无法达到工程化应用程度。时旺、孙宇锋等人提出了一种基于扩展FMEA的PHM系统的实现方法，引入模糊综合评判方法建立了飞机起落架系统的故障预测模型。吕琛等人从体系结构和应用功能两方面进行了初步健康管理系统的设计，针对PHM系统设计和验证中缺少设计要求验证技术的问题，提出了设计要求的方法和程序，以及用于健康管理系统的诊断与预测算法性能度量方法，并设计了飞行器PHM系统演示验证平台。张莉、袁海文采用Multi-agent技术设计了一个飞机电源故障预测与健康管理系统体系结构模型。

综上，国外已在PHM技术研究的过程中，开展了大量的工程应用性研究，部分研究成果已经能够应用到具体型号上。与国外相比，国内相关技术的研究仅处于起步阶段，多数技术无法应用到具体型号上。

3 航空装备PHM技术发展需求

随着航空技术的飞速发展，现代飞机往往集多种复杂系统和高新技术于一体，性能不断提高，功能不断完善。但是也导致了飞机系统、分系统和设备愈趋复杂，测试和诊断愈趋困难，给飞机的维护保障和使用安全带来严重的问题。由于缺少综合的系统诊断和预测能力，现役飞机在使用中普遍存在虚警率高、不能复现（CND）和重测合格（RTOK）等问题，导致其故障诊断工时和平均修复时间（MTTR）过长，测试设备种类繁杂、计划维修次数过多，从而使飞机使用保障费用高、维修人力不足、使用完好性较差，影响了飞机的再次出动能力。

当前，随着我国航空装备的大力发展，对飞机的可靠性、安全性、测试性、维修性和保障性提出了很高的要求，同时也突显出型号工程研制对飞机PHM技术发展的重要意义。随着越来越多的新型号工程研制的开展，强有力的需求牵引将极大地促进飞机PHM技术的应用研究逐步走向深入。

4 航空装备PHM技术发展存在的几点问题

当前国内外开展航空装备PHM技术研究的单位或机构较多，并取得了一定的成就，但研究成果没有形成一个统一的平台，PHM技术研究成果无法同步满足新型航空装备安全性和维修保障要求。现有的PHM技术常常只是针对某个特定的系统而言是有效的，不具有普适性。同时，由于受到传统故障诊断技术的影响，现有PHM技术本身也存在诸多局限，主要表现在以下几个方面：

（1）現有PHM技术，对健康评估的研究不够深入，对系统的故障预测及健康管理技术的研究较少。（2）目前PHM故障诊断率不高。由于系统本身的复杂性难以了解系统的内部故障机理，导致无法建立其准确的故障树；再加上早期故障特征表现不明显，测点有限或不可及的情况下使得获取的信息常常是不完备。（3）现有预测技术具有较大的不确定性。不确定性是故障预测的固有属性，它主要来源于两方面：一方面是对象故障机理本身就是一个随机过程，另一方面预测过程本身产生的误差。（4）缺乏客观性。由于系统在运行的过程中存在了“人为”的因素，而且故障现象、部位和原因之间的关系非常复杂，导致得到的故障状态信息不能充分反映系统本身的运行情况。

5 结语

从国内外PHM技术研究的发展趋势可以看出，PHM技术正在成为新一代的飞机系统设计和使用中的一个重要组成部分，也是新一代战斗机区别于传统作战飞机的重要标志，大力开展PHM技术的研究，解决目前制约航空装备PHM技术的各种技术瓶颈，提升航空装备技术的可靠性，为其他武器装备的诊断、监测及管理提供技术支撑。

参考文献

[1]莫固良，汪慧云，李兴旺，等.飞机健康监测与预测系统的发展展望[J].振动、测试与诊断，2013，（6）：925-930.

[2]Chris Wilkinson. Prognostic and Health Management for Avionics[C]. 2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings，3435-3447.

[3]Jiuping Xu， Yusheng Wang， et al. PHM-Oriented Integrated Fusion Prognostics for Aircraft Engines Based on Sensor Data[J]. IEEE SENSORS JOURNAL，2014，（4）：1124-1132.

[4]杜志兴.航空机电产品故障预测和健康管理技术[J].科技创新导报，2014，（16）：164.

[5]邓力，马登武，吴明辉.基于健康状态监测与预测的装备维修决策方案[J].计算机测量与控制，2013，（11）：2895-2907.

[6]王华伟，高军，吴海桥.基于竞争失效的航空发动机剩余寿命预测[J].机械工程学报，2014，（6）：197-205.

[7]尉询楷，刘芳，陈良峰，等.航空发动机健康管理用户的诊断预测指标体系[J].航空发动机，2012，（5）：27-35.

[8]张慧敏，宋东，郭勇，等.故障预测模型的评价方法研究[J].测控技术，2013，（5）：121-129.

[9]郭显新，郭小军，龙海跃.直升机传动系统健康管理技术[J].机械传动，2011，（11）：86-89.

Abstract：This paper introduces the structure of PHM technology for aeronautical equipment， discusses the research status of PHM technology at home and abroad， analyzes the development requirements of PHM technology for aviation equipment， summarizes the problems existing in the development of aviation equipment PHM technology， and provides some research directions for scholars to study the PHM technology of Aeronautical equipment.

Key words：PHM； failure prediction； health management