航空设备故障预测与管理研究

2020-01-19喻甲其韩娟刘坤

中国设备工程 2020年5期

喻甲其，韩娟，刘坤

（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610091）

进入新的发展时期，现代武器装备整体上朝着智能化的趋势前行，作战方式也转变成联合作战模式以及网络战斗模式，这就要求武器装备的性能更加优良，可以针对特殊情况做出快速响应并能够持续稳定的运行。所以，全球范围内各个国家都将研究重心转移到综合程度更高的故障检测以及PHM 技术等方面。PHM 技术突破传统监测时单一的状态监控模式，逐渐形成了智能化的健康管理体系，同时，也融入了故障监测服务，利用故障监测能够及时准确地设计维护方案并确保系统稳定运行，有助于优化武器系统的维护成本，保证系统安全性能、可靠性能达到标准。

1 PHM 的内涵和原理

故障监测以及PHM 技术在实际应用中扮演的角色越来越重要，逐步成为当前飞机系统以及车船系统中不可获取的组成环节。故障检测服务，可以自主监测系统中各个模块的工况，同时，给出预测报告；PHM 技术，也就是健康管理，能够基于故障监测服务给出的系统报告，针对其中的资源配比以及功能指标进行分析，为后期系统维护提供参考意见。

PHM 技术是一种以智能化系统为核心的预测服务。通过性能优良、灵敏程度较高的传感设备采集系统中各个模块的实际工况指标，借助高效的数学分析算法，诸如傅里叶级数和Gabor 变换等，配合搭建完成的人工数学模型，对系统做出相应的预估评判，完成对飞机系统运行情况的实时监测和管控。PHM 技术融入实际系统中，将原本出现故障后的维修模式以及定期维护的模式转变成按照系统状态的维护模式，英文简称为CBM。

PHM 技术从本质来说是利用人工智能技术搭建起相应的系统模型，比如，神经网络系统、蚁群算法等。能够针对系统的工况参数以及故障类型进行准确的推测和判别。

2 PHM 系统结构和功能

PHM 系统的整体架构属于区域管理器的类型，该类型的系统架构是把区域管理器作为基础，将系统划分成三层：首层为传感器层，通过飞机搭载的传感设备和基于算法搭建的模拟传感装置共同构成，主要作用是采集系统中初始的数据资料，也就是同系统运行异常相关的参数指标；中间层是由若干个区域管理器构建完成，主要任务是分析上一层传递过来的数据信息，从而判别飞机系统中各个子系统的健康状况。区域管理器主要是由两部分软件结构组成，分别为功能软件和推理机。内部技术综合有大数据分析、模糊控制以及神经网络等多项高新技术。通过匹配系统异常指标和对应信息，基于相关算法和数学模型完成推演、预估以及监测管控等功能，对系统中的数据资料进行综合化分析，最终完成针对飞机系统健康等级的评定。PHM 技术能够实现的功能有以下几种：（1）测定并隔离异常的功能；（2）预估指定模块异常情况的功能；（3）追踪并评定模块剩余生命周期的功能；（4）将资源管理同推理机有效交互，从而实现辅助决策的功能；（5）异常情况的选择性汇报。也就是在合适阶段通过正确方式提供给不同操作人员相应的异常信息。

3 PHM 关键技术分析

3.1 故障预测技术

故障监测的方式较多，一般可以从实际应用分类，根据具体选择的监测模式、技术组成等能够划分为以下几个方面：

（1）基于模型的故障预测技术。此技术可以直接对系统内部情况进行仿真，针对其中的异常问题完成实时评测。此外，该技术还能够基于原有的经验数据进行分析，不断调整系统中的异常仿真，进而提升未来故障评测的准确程度。

（2）基于知识的故障预测技术。该技术核心是借助对目标系统进行研究的技术人员给出的经验和理论，配合模糊推演以及专业系统完成对系统的定性预测。

（3）基于数据的故障预测技术。此系统将历史的工作资料作为基础，架构出相应的系统预估方式，核心原理是利用先进的智能算法不断训练期望目标对象，包括期望获取参数信息的系统和出现异常的指标等，从而建立起智能化的预估模型，有效地将系统中各种工况对应的信息进行判定。最为典型的算法就是神经网络。

（4）复合预测模型。搭建出以物理参数为核心的随机模型，可以准确地预估机械系统中各个模块的剩余生命周期；针对系统中异常指标进行整合通过智能判定，架构出以数据为基础的异常预估模型，有效评定出机械系统中各个模块的实际工况；借助信息整合的算法，将上述模型综合化，对目标系统的健康情况和未来发展进行深度剖析，综合化预估模型的输入端是由外部传感设备以及积累的经验共同构成。

3.2 多传感器融合技术

多传感设备的综合化技术，本质上是将诸多差异化的传感装置搭建起能够协同配合并相互竞争的传感器组，按照特定标准完成智能化分析以及对数据的处理，这样获取的参数指标相比单一信息更加准确，同时，评定过程也更加完善。由于决策分析和评定环节均采用综合化的数据处理，所以系统的状态更加精准。

3.3 PHM 系统验证技术

因为产品在结构指标、组成材料的性能以及外部条件等方面具有差异性，造成数据难以确定，致使系统的故障监测出现不确定情况，由此便出现了PHM 技术的适用性问题。当前，较为常见的验证方式有以下几种：（1）通过实际使用完成验证；（2）快速实验完成验证；（3）理论分析完成验证；（4）仿真实验完成验证。以上四类方式各有优缺点，能够相互弥补不足。

4 民用飞机健康管理系统(AHM)发展现状

一般来说，民用飞机中安全系数的要求较为严格，同时，也需要优化成本投入和后期的维护消耗。民用飞机系统属于复杂系统中的一员，主要的子系统包括有动力动能系统、控制系统、电力系统等。这些子系统中还可以继续划分出多个子系统，各个基础的子系统均是通过基本的元件组成。民用飞机的端口较为烦琐，包括不同的模拟量、数字量以及开关量，同时，还有多样化的信号种类。因此，各个系统的接口均选择标准化接口模式，确保各个系统间能够完成信号的交互。

当前，世界范围内的飞机市场由两大企业所占据，为了进一步稳定市场份额，均投入较高的成本进行健康管理系统的研制，并将其逐步应用于新式飞机中。这些先进的健康系统能够优化相关技术人员的工作，进一步提高运行效率，为企业创造更多的经济收益。虽然各个企业研发的健康管理系统存在不同的名称，但本质上的原理和内容较为相似。

民用飞机上的健康管理系统能够有效地采集工况参数，并将关键的数据进行实时显示，地面系统的操作人员可以深入分析实时参数，评定出飞机的健康等级，对可能影响飞机运行的异常情况及时监测，并分析出现原因，给出相应的解决措施，由此可以进一步优化维护服务，提升工作效率，确保飞机的稳定运行，降低飞机延误问题的发生概率。

AHM 技术通过半个世纪的发展，在民用航空领域中发挥着越来越重要的作用，搭建起能够实时监测的管理体系，实时采集飞机工况，及时评测健康等级，合理规划飞机系统的生命周期，保证航空公司提供更加优质的飞行服务，为航空领域的进一步发展奠定基础。