面向民用飞机运行的健康管理系统设计

侯立国，张春晓，刘 翠，孙见忠

(1.北京飞机维修工程有限公司 科技处，北京 100621；2.中国民航大学 理学院，天津 300300；3.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 211106)

自2010年以来，全球发生多起空难事故，造成数百条生命陨落和巨大的财产损失，航空安全问题越来越成为世界范围的焦点问题。如何在飞机的设计制造中保证飞机的安全，如何采取进一步的技术和管理手段在飞机的使用和运行中防止重大事故的发生，成为航空制造业和民航运行保障领域长期的任务。为保证飞行安全，设计部门、制造单位及航空公司始终在探讨维修管理模式和维修技术手段。

目前，飞机运行健康管理技术已成为解决飞行安全问题的关键技术，也是当今航空界研究的重点。自2000年以来，波音和空客公司推出各自的飞机健康管理软件系统AHM和AIRMAN后，飞机健康管理理念便在行业内产生了巨大的震动效应[1-2]。由于健康管理系统充分利用了飞机机载数据，使地面人员能够实时感知单架飞机系统运行的状况，并通过数据分析可以获得飞机系统和重要部件的性能变化趋势，为飞机维修策略的制定提供了重要依据，也为机务保障工作的计划维修和准确维修的提升发挥了重要积极的作用。因此，对飞机进行健康管理成为全球各航空公司工程管理的目标。

1 飞机健康管理的现状分析

1.1 国内外飞机健康管理研究现状

航空器实时状态监测、故障预测等健康监测新技术通过提前预测状态的发展趋势，可以使航空器安全关口前移，提高安全性。维修保障技术是航空器持续适航的核心内容，不仅为安全保驾护航，还是影响航空器经济性的重要因素。

在20世纪70年代美国NASA提出了航天器综合健康管理(IVHM)的概念[3]。进入21世纪后，在新一代发射技术计划的带动下，一个由多家研究中心组成的联合团队应运而生，致力于研究综合系统健康监测(ISHM)[4]。美国海军发起的开放架构状态维修(OSA-CBM)的研究，代表了今后复杂系统综合健康管理(CSIHM)结构的发展方向[5]。波音公司和洛克西德·马丁公司在投标下一代联合攻击战斗机时都在其设计中综合了预测与健康管理能力。英国Smith航空航天工业是致力于健康和使用监控系统(HUMS)技术的领先者，长期从事状态监测、故障诊断、预测及系统健康管理的研究与产品开发，Smith工业将最初HUMS中的健康监测的概念发展到了如今的健康管理[6]。

中国国际航空公司于2009年率先应用波音飞机健康管理(AHM)系统，带动了行业对飞机健康系统的研究。在民航领域，各大航空公司纷纷开发各自的飞机健康软件系统。国航工程维修部门针对飞机的健康管理进行研究并开发了工程管理系统。如2013年研究项目“面向航空运输集团公司的航空发动机健康管理云服务平台开发与应用”，提出一套航空运输集团公司航空发动机健康管理云服务模式，并建立相应的云服务模型；2014 年“机载数据及移动设备技术研究与应用”项目立项，分析了海量机载数据的接收、解析、存储过程，研究出Hadoop大数据平台和飞机载油量优化模型，用于指导飞行计划制定和实施，同时进行了飞行管理计算机编码规范、飞行管理计算机输入文件编码方法的研究。

随着国产民用飞机的研制，考虑到国产飞机在未来投放市场的安全运行问题，中国航空工业也在积极探索国产飞机的健康管理系统。针对国产C919飞机研发了飞机健康监视系统，面向新舟60的飞机健康管理系统也进行了研发。

自20世纪90年代国际领先的民用飞机制造商引入航空器健康管理的概念和技术，经过了20多年的发展，建立基于空地双向数据通信系统的航空器健康监测与维修保障系统[7]，具体如图 1所示。航空公司应用航空器健康监测与维修保障系统可以实现对航空器飞行状态的实时监控、故障诊断和故障预测功能，可以在飞机降落前迅速识别故障，为运行监控人员和航空公司的维修保障人员确定故障原因、性质、部位、维修措施及合理安排维护时间和应急处理等提供技术支持。

图1 航空器健康监测与维修保障系统示意图

目前，航空器健康监测与维修保障系统在美国、欧洲的主要航空发达国家的工业界和研究机构得到了充分的认可和研究推广应用，并朝着综合化、标准化和智能化的方向发展。虽然国内开展飞机健康管理相对先进国家较晚，但国内也有较多的研究成果，且一些研究成果得到了实际应用，取得了较好效果，促进了我国航空工程管理水平的提高。马小骏[8]提出了基于系统原理的故障诊断方法,并以此构建了服务于航线维修的多策略融合的综合故障诊断体系。李兴旺等[9]从系统架构、功能组成等方面详细阐述了综合健康管理系统在民用和军用飞机上的最新应用。谢原安[10]研究了预测与健康管理(PHM)技术在民用飞机运营安全、维修领域的发展，并对状态监控参数集、特征参数、剩余有效寿命预测等关键技术的研究进行了说明。姚斌等[11]通过研究当前机载健康管理系统 (AHMS) 面临的问题与技术挑战，从设计应用层面提出了分层式机载健康管理系统。赵红华等[12]介绍了利用大数据分析方法对B737-800飞机空调系统进行健康监控的建模思路和方法, 该方法可扩展到液压系统、起落架收放系统、机组氧气系统、飞控系统和发动机系统等, 并可建立统一的基于大数据分析的监控平台。和伟辉等[13]根据对航空系统各个相关利益方的需求分析, 基于模糊理论确立了飞机PHM管理平台各个模块需实现的功能。

1.2 我国飞机健康管理系统的不足

国内开展飞机健康管理方面的研究仍存在较多不足，对飞机运行的健康管理仍达不到满意的水平。目前我国民用飞机的健康管理系统主要存在以下问题：

(1)基于传感器安装的飞机健康管理不能覆盖全飞机。由于感知技术的快速发展和在飞机上的应用，基于传感器的飞机健康管理系统实现了对飞机主要系统和主要部件的健康监控。但由于设计的原因，传感器没有广布在飞机所有的重要系统上，如在飞机结构、发动机本体上没有安装传感器，因此缺少对飞机结构和发动机本体的健康监控。

结构健康监测技术被视为保障复合材料大量使用、提高飞机安全性、降低维护费用的关键技术。飞机在高空恶劣的环境中飞行，长期承受风雨雷电的侵扰，承载着温差的急剧变化，承受着增压-卸载、起飞降落的高频的交变载荷等诸多因素的影响。飞机结构因腐蚀而造成的结构损伤是经常发生的和各航空公司普遍存在的问题，也是维修工程中较头疼的问题。以B737-Classic飞机发生1级腐蚀为例，通过对4家航空公司共计74架飞机的抽样调查表明，平均服役12年中共发生35 012条腐蚀记录，航空公司飞机1级腐蚀频率按机龄的统计分布图如图2所示。

图2 航空公司飞机1级腐蚀频率按机龄的统计分布图

对飞机结构进行健康检查，监视结构的状态，是航空公司在飞机维护中十分重要的工作，加快对结构健康监测技术的研究，定能将成果早日应用。以燃烧为核心的航空涡扇发动机的工作环境更恶劣，发动机的性能直接关乎到飞行安全，由于布控的传感器不足，与发动机本体相关的故障缺陷不能及时被发现。

综上可知，依赖于飞机机载的传感器进行的飞机健康管理，因不能覆盖飞机全系统，故不是完整的飞机健康管理。

(2)基于逻辑设计的信号指示不能反映相关系统或部件随时间变化的工作状态。目前，通过采用各种形式的传感器和采用数字的方式能够感知大部分飞机系统和主要部件的工作状态，为维修工程师对系统的运行监控和分析系统的性能提供了便利条件。但由于系统信号指示的逻辑设计原因，个别的故障数据不能满足工程师多参数分析的要求。例如，空气污染不仅影响发动机正常工作，还严重影响飞机空调系统热交换器的散热性能，致使空调过热故障频发。虽然空调组件压气机出口温度有过热信号指示(B737飞机)，但该信号只有在发生过热时才有指示，组件发生过热便已造成空调组件活门保护性关断。这样的信号逻辑设置不能做到及早预警，让维修人员提前采取措施，避免空调系统中断供气。在其他的一些部件上也有类似的设计。因此，一些信号逻辑的设计存在缺陷，不便于对飞机健康进行全面了解和监控。

(3)飞机维修中大量数据没有得到应用，以机载数据为核心的飞机健康管理信息是片面的。飞机机载数据是表明飞机系统的工作状态或表征飞机的性能。飞机的机载数据是动态变化的，数据是工程师管理的对象，更是维修决策和维修工作实施的结果。维修活动中会产生大量的与飞机功能和性能相关的技术数据没有纳入管理，更没有与相关机载数据进行关联，如虽满足飞机最低放行标准和外形缺损清单但已经表明飞机处于故障状态的数据、保留技术故障的数据、临时修理性的数据、超规范修理的数据等。上述数据表明飞机处于了亚健康的状态，局部的亚健康对飞机整体的健康状态可能短期或长期内对飞机运行存在直接的、间接的或潜在的不利影响。这些数据中，一些数据在机载设备中没有记录或监控，一些机载设备虽有工作的状态参数数据，但对影响状态参数的维修因素数据没有进行整合，造成对故障原因、性能下降及变化趋势的分析不充分，甚至对故障的分析不准确或判断与实际有较大的误差。

(4)飞机健康管理系统以工程管理部门使用为主，没有纳入对飞机健康有影响的相关生产系统、航材支持系统及质量与风险管理系统。飞机维修是一个以工程管理为龙头、维修质量管理为监督、航材支持为保障、生产作业为主体实施的系统工程，各个部门工作的质量优劣对飞机的健康状态都有影响。在各国适航当局的规章145部《民用航空器维修许可审定的规定》中明确提出了维修单位质量保证体系的“五·四”原则，即工程技术管理系统、质量管理系统、维修作业管理系统、人员培训系统4个系统和人、机、料、法、环5个要素。科学地总结航空维修活动的客观规律和历史经验，是保证飞机健康运行必不可少的管理要素。对飞机的健康状态进行分析和对故障进行诊断只是飞机健康管理的一部分，另一部分是对飞机健康管理决策进行维修实施的工作。两部分工作同等重要，因为维修工作的实施结果为飞机的健康状态。因此，缺少与保障飞机安全相关系统的健康管理系统是一个不完整的系统。

(5)对飞机健康管理的定位目标低，达不到飞机运行健康的目标。目前飞机健康还没有统一的定义。关于飞机健康管理系统，大多学者认为该系统是为了降低由于飞机系统或部件失效导致的飞机灾难或事故，并为飞行机组、地勤和维修人员提供连续的机载系统或对部件的健康运行状态态势进行预警监控。且所有应用软件系统都是以飞机的健康为目标，不能否认健康软件系统的应用对飞机的管理带来了进步，健康监视技术让工程师了解了更多的飞机数据信息，提高了分析水平，减少了飞机故障的发生，对飞机维修水平的提升发挥了重要作用。然而，以飞机健康为目标的管理并不能保证飞机运行的健康。飞机的运行是一个复杂的系统，飞机是运行业务系统围绕其开展相关业务工作的对象，飞机作为运载工具是复杂业务系统中的一个重要方面，飞机的健康为飞机运行健康提供了重要的支撑。但以飞机健康为目标的管理不能代表飞机运行的健康，因此以飞机健康为目标不能满足航空运行的需要。

总之，以飞机本身的健康为管理目标而搭建的飞机健康管理系统，虽然在民航实际运行中特别是机务维修中发挥了重要作用，但由于目标定位低、技术设计缺陷、收集健康状态数据片面、覆盖飞机系统不全及参与飞机健康管理系统业务缺少等问题，系统尚未达到对飞机运行健康管理的要求。笔者针对目前各航空公司正在使用的系统(称之为“灰色系统”),提出面向飞机运行健康的管理理念。

2 面向飞机运行的健康管理系统设计及功能实现

飞机安全运行系统是一个多层次、多环节、多业务的综合保障与运行控制为一体的系统。影响飞机安全运行的因素较多，任一业务环节出现问题都会直接或间接地造成不安全事件的发生。B737 MAX飞机是波音公司2017年投入商用的新型飞机，然而在不到2年的时间内两架飞机接连发生坠机[14]。虽然这两架飞机失事都与飞行员操作有关，但波音公司在飞机设计上存在的问题也难逃其咎。2016年 10月11日，上海虹桥机场东航飞行员准备驾驶A320起飞，而在飞机滑跑速度达到110节(200 km/h)左右时，机长突然发现有一架A330飞机正准备横穿该跑道，此时飞机速度也已达到了130节(240 km/h)。因驾驶员果断加大油门，并过早地带起了飞机，使飞机在飞起的时候还有十几米的余度飞越了A330飞机，才避免发生飞行事故。经调查，中国民航局认定上海虹桥机场“10·11”事件是一起因塔台管制员遗忘动态、指挥失误而造成的人为原因严重事故征候。

由此可知，影响航空运行安全的不仅包括飞机自身的问题，还涉及到安全运行系统中的飞行、航行管制、机场和维修工程保障等部门的操作行为。一般来说，飞机正常飞行的技术保障包括通讯与导航的保障、雷达的保障、气象保障、航行调度保障、机务维修保障和机场场务保障等。因此，保证航班运行的安全是一个系统性的工程。在以健康促进和保障安全的理念下，健康是保证安全的基础，飞机的运行安全是以所有与飞机运行相关的业务系统健康为基础的。民航各领域部门和航空制造单位以向社会公众保证航空运输安全为己任，追求各系统的运行健康，从而才能保证整体系统运行的健康。

2.1 飞机运行健康管理系统架构

飞机运行健康管理系统包括健康的飞机支持系统和与飞机运行相关的健康的民航运行业务管理系统，如图3所示。健康的飞机支持系统主要是指飞机制造厂商提供安全可靠的飞机和全方位的、专业的、快速的技术支持服务，并保证技术支持系统运行健康良好。民航运行业务管理系统是集约一体化的系统，包括飞行管理系统、空管管理系统、气象服务系统、机场保障系统、飞机维修工程管理系统。民航运行业务管理系统内相关的业务子系统既独立运行，又相互联系，这些系统在保证各自业务系统健康的前提下相互耦合、协同成为一体。且民航运行业务管理系统要与各航空器制造厂商客服部门的飞机技术支持系统进行密切的联系，进行信息交流、信息共享，获得飞机制造厂商快速的技术支持和服务，共同保证整体的运行健康目标。飞机运行健康管理系统的目标是保证飞机运行安全、可靠、经济和环境友好，其中环境友好包括飞机运行与自然环境和谐、与旅客关系友好和谐的目标。

图3 飞机运行健康管理系统

飞机运行健康管理系统是一个跨业务领域、跨地区单位的、宏大的、高度集成化的复杂系统，是一个保证飞机运行安全绿色健康的系统，是航空运输安全管理的发展方向，也是民航人的梦想，称之为“绿色系统”。建设一个面向飞机运行健康的管理系统是一个长期的任务，需要遵照循序建设的原则，采取统一规划，与飞机健康运行相关的民航业务领域分别搭建、有机联系，既要重视以数据为核心的软性系统的建设，又要重视智能装备的开发，软硬系统协同和平衡发展，提升飞机运行健康的系统智能化水平。

2.2 面向飞机运行的健康管理系统功能设计

构建面向飞机维修的飞机健康管理系统是迈向飞机运行健康管理的阶段目标。以目前的飞机健康管理系统为基础，融入机务运行的相关联业务系统和对飞机健康有影响的相关要素，包括飞机数据和维修活动的数据，对影响飞机健康的维修数据与飞机状态数据进行整合，找出对飞机健康具有较大影响的关系和影响规律，建立影响关系模型。这种融入新要素建立起的面向飞机维修全业务的飞机健康管理系统是目前飞机健康管理系统的增强型，可称之为蓝色的飞机健康管理系统，如图 4所示。系统实现的主要功能包括：①基于机载数据和维护数据的飞机性能分析与故障诊断系统。该系统在原有的机载数据(含QAR数据)基础上加入维修作业中相关飞机部件放行信息、超差修理信息、故障保留信息等数据，这些数据可更全面、准确、合理地反映飞机相关系统和部件的性能状态，更为科学地对性能的变化趋势进行预测。②基于维修监控数据和维修作业修理数据的飞机机体结构健康管理系统。该系统将无损检测数据、腐蚀检查数据、结构修理数据、外形损伤数据进行融合，结合飞机飞行数据，对飞机结构的损伤区域、部位进行动态监控和综合分析，提出预防措施。③基于维修检查数据的飞机起落架健康管理系统。通过对无损检测数据、起飞/着陆数据、车间修理数据进行综合分析，及早发现和预防起落架主要承力部件的缺陷和故障隐患。④基于维修作业的航空器材支持管理系统。该系统包括基于物联网的航材计划管理、智能仓储管理、配送管理。⑤基于数据技术的维修安全风险管理系统。该系统包括基于人为因素的维修安全风险管理系统和基于维修决策质量的维修安全风险管理系统。⑥基于飞机安全运营的航线生产管理系统。该系统包括维修生产计划、航班计划(飞机排班等)、人力计划安排、工具设施安排、维修场地安排、现场作业与调度管理。

图4 面向飞机运行的健康管理系统功能设计

3 结论

笔者主要阐述了国内外飞机健康管理的研究现状，总结了国内外飞机健康管理系统存在的不足，基于民航业务需求提出面向飞机运行的健康管理系统的具体功能和实现内容。在原有飞机健康管理系统的基础上，融入机务运行的相关业务系统，同时引入对飞机健康有影响的相关要素，整合机载数据、维修数据和运营数据，找出对飞机健康具有较大影响的关系和影响规律，建立影响关系模型，为进一步完善民机运行的健康管理系统提供重要参考。这种融入新要素建立的面向飞机运行的健康管理系统，是目前飞机健康管理系统的增强型，也是真正朝着更加综合化、标准化和智能化的方向发展。