某型飞机发动机地面专家诊断系统的研究

杨建勇,李子昂

（洪都航空工业集团，南昌 330024）

1 系统总体设计

1.1 系统功能设计

1）数据管理功能。数据管理分为用户和专家管理两类：用户主要完成历史故障库和数据库、发动机履历本的节流特性数据及电子调节器调节值、发动机原始参数 （即装上飞机第一次地面试车数据）、最后一次大修后的总工作时间、发动机序列号及飞机编号、发动机日常维护情况的浏览、编辑、删除、添加、打印等操作。专家根据需要修改知识库并追加知识，对知识库的一致性、完整性、正确性以及由此引起的一切必要的改动进行修改完善。

2）故障诊断功能。系统能够根据知识库的知识通过推理模块功能完成发动机的故障分析和推理，并找到发生故障的元部件及故障原因，便于维护人员的理解、接收和处理。

3）用户权限管理功能。系统可以设置用户级别，对使用用户的权限进行管理。

1.2 系统结构设计

根据系统功能要求及各功能之间的关系，本系统主要包括知识处理模块、推理模块、数据处理模块、图形处理模块及系统帮助模块。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

知识处理模块的作用是专家针对知识库进行维护完善，保证知识的一致性、完整性、正确性。推理模块的作用是利用知识库已有的知识，按照一定的推理策略和逻辑关系，完成故障的诊断，并控制和协调系统的各个模块使之能够很好地协同工作。数据处理模块的作用是从机载记录的数据通过参数极值和数学算法剔除记录中的无效数据；同时，能将通过推理模块处理的数据以表格和报表形式输出。图形处理模块的作用是根据用户选择相应的一组参数绘制出随时间变化的曲线（含诊断报文）。

2 知识库和知识表示

2.1 知识库

专家系统是人工智能技术的一个重要组成部分。它将人类专家的知识、经验输入到计算机中，使计算机能够以“思维”、“推理”的方式利用这些知识、经验，解决特定的问题。发动机地面专家诊断系统的知识包括维护一线专家的经验知识、发动机维护规程和航空发动机的结构原理性知识。通过对某型飞机发动机结构、功能和结构机理的分析，得到该型发动机故障分析树如图2所示。

图2 某航空发动机故障分析示意图

为了将知识表达清晰，采用了基于故障分析树的知识点分类方法。故障分析树第二层的每一个节点都是知识点，都含有一定数量的分支节点，每个分支节点都有不同的知识表示，各分支节点相对独立。本文将第二层不同的节点形成不同的知识表，有助于减少诊断推理过程中的搜索量，有效提高故障诊断效率，并有利于知识库的维护完善。该型发动机故障分析可归纳为八个知识点，即起动过程、慢车状态、最大巡航状态、额定状态、最大状态、加减速状态、停车过程、滑油系统。每个知识表都有其固有的特性，不同的故障知识点用不同的知识表来存储，共同构成整个专家系统知识库。

2.2 知识表示

知识表示是建造专家系统的一个重要环节，知识表示方法的好坏直接影响系统的推理效率，知识库的模型不仅要符合专家诊断系统推理的思维，同时又要具备不断自我扩充的能力。因此，知识表示方法要具有可扩充性、简洁性和清晰性。

发动机的故障模式复杂，诊断过程也不尽相同，有的故障只凭经验简单判断就可得出结论，有的故障则需对系统工作过程进行详细的剖析并经过复杂推理及排除各因素后方可判断。故障诊断只需分析到外场可更换单元（LRU）。在系统实现过程中，除了系统操作界面突出人性化外，知识库中的表示结构也要符合人的故障分析思维。下面以起动过程知识表为例说明：

起动准备阶段：

判断：燃油切断阀已打开；燃油增压泵工作；发电机负载未接通；环控引气断开。若其中一项不满足，则报出“不能保证起动”，同时报出哪一项不满足要求。

起动过程中：

判断：

1）起动时间：在标准大气条件，起动时间不超过40秒；非标准大气条件，起动时间不超过60秒。若不满足，则报出“起动时间长”。

2）N2开始上升：从“空气涡轮起动机活门打开”信号开始，t≤5秒，N2转速上升。若不满足，则报出“N2开始上升时间晚”。

3）N1开始上升：当N2≤20%时，出现N1转速。若不满足，则报出“N1开始上升时间晚”。

第三，关键词共现图谱表明，政府机构改革研究成果关键词结构较为松散，网络密度不高。存在部分研究者未真正理解关键词的标识内涵，以致出现专业标识性不强的高频关键词，另有些学者在参考文献信息标注不规范导致数据信息不完整，因此建议作者在发表和宣传成果时还得重视文献规范。

4）空气涡轮起动机活门关闭：当49.5%≤N2≤50.2%范围内，空气涡轮起动机活门关闭。若不满足，则报出“ATS关闭早”或“ATS关闭晚”。

5）T4出现时间：从“空气涡轮起动机活门打开”信号开始，t≤30秒，T4上升。若不满足，则报出“T4开始上升时间晚”。

6）滑油压力开始上升：当N2≤45%时，出现滑油压力。若不满足，则报出“Poil上升缓慢”。

7）T4超过最大值：T4＞660℃，则报出“T4超过最大值”。

8）T4超过极限值：T4＞700℃或“起动时 T4极限值”信号，则报出“T4超过极限值”。

9）起动不成功：当出现 “起动时终止供工作燃油”和“终止起动”信号，则报出“起动不成功”。

10）出现“ATS应急节流门关闭”信号，则报出“ATS应急节流门关闭”。

11）出现“ATS极限转速”信号，则报出“ATS极限转速”。

13）出现“燃烧室未点火”信号，则报出“燃烧室未点火”。

14）在起动过程中未形成任何诊断报文和信息报文，则报出“发动机起动参数正常”。

统计发动机起动参数及诊断报文：

…批…架某型飞机配装的No…….动力装置的发动机起动参数（表1）：

表1 飞机发电机起动参数

3 结论

1）本文提出的专家知识库结构可有效地描述知识模型，使得知识库结构简单直观、方便可靠、提高了故障诊断的效率。

2）本系统按照知识点分类的方法进行专家知识库的分类管理和维护，有助于知识库中知识的扩充和完善。

3）本系统有助于机务人员对发动机的健康状况更加深入了解，支持发动机管理和后勤的决策，确保飞行安全。

[1]Nail.某发动机技术状态地面自动监控控制率.2007.

[2]陈志英.航空发动机机务维护专家系统的研究与故障诊断.2008.

[3]吴今培.智能故障诊断与专家系统.2001.