现代民用飞机健康管理技术研究

刘超

摘 要：本文阐述了民用飞机故障预测与健康管理的概念，这项技术借助各种数据处理技术来诊断系统自身的健康状态，并在系统故障发生前对其进行预测，从而极大的提高了飞机的安全性和可靠性水平，大大减少了航空公司的维护成本。本文还研究了该技术在大型飞机的技术应用，其系统的功能和组成。

关键词：民用飞机 故障预测 健康管理

中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0061-01

随着民用航空市场的迅速发展，大型民用客机的安全性、可靠性和维修保障等问题越来越受到制造商和航空公司的重视。安全性和经济性的双重需求，使得民用飞机故障预测与健康管理（PHM：Prognostic and Health Management）技术，逐渐成为新一代民用飞机设计和运营中的一个重要组成部分。故障预测与健康管理技术是通过远程收集飞机数据，实现飞机数据的实时显示，地面系统人员通过对飞机数据的综合分析，准确判断飞机的健康状态，对那些可能影响飞机签派放行的故障，提早发现、找出原因并给出最佳解决方案，从而优化排故维修工作，提高排故效率，达到提高飞机利用率、缩短飞机延误时间、减少非计划维修、降低运行成本和维修成本，降低全寿命运营成本的目的。

1 飞机健康管理系统的发展及现状

民用飞机健康管理技术经历了一个漫长的发展过程。从最初的机内测试（BIT：Built-In Test），依靠各系统和设备自身的电路和程序完成故障诊断和隔离[1]。直到20世纪90年代，波音在777飞机上首次运用了机载维护系统，将飞机上所有系统的故障信息集中的采集和处理，并可以实现故障的检测、定位、隔离等功能[2]。进入21世纪后，航空公司对于飞机安全性、维护性和经济性的更高要求，使得健康管理技术应运而生。目前，世界两大民用航空巨头波音和空客为争夺全球市场，投入巨资开发飞机健康管理系统，并作为一大卖點，运用到其最新研制的机型上。

AHM（Airplane Health Management）系统是波音公司联合其客户研发的用于支持飞机运营和维护工作的一套系统。AHM系统由实时故障管理功能模块、勤务和报警功能模块以及飞机性能监控功能模块组成。AHM系统主要收集的信息包括CMC故障报文信息、ACMS报文信息，到将来可能会将QAR数据信息一起收集起来。通过对以上数据的分析，AHM系统可以为用户提供飞机维护的支持。

2 飞机健康管理系统的功能

2.1 飞机故障信息监控

监控飞机所有的故障信息，将有驾驶舱效应的故障信息实时下传，其它故障信息在飞机落地后通过QAR、航后报PFR、机组人员日志（报告）等及时发送到地面监控系统。地面分析人员利用手册和历史数据并借助计算机辅助分析软件进行分析，按影响飞机签派的紧急程度给出最优排故方案，并在飞机落地后迅速排故，降低飞机延误率。

2.2 飞机超限事件实时监控

监控飞机超限事件，以帮助地面维护人员准确判断可能的损伤，及早采取必要的维护和修理手段，将非计划维修转为计划维修，减少飞机延误时间、减少对后续航班安排的影响。

2.3 飞机系统状态实时监控

实时监控那些影响飞机签派放行的关键系统的关键部件状态，并将超警戒信息通过ACARS实时从空中传向地面，以使地面分析人员通过分析，能够预测导致驾驶舱效应或影响飞机签派的故障发生的时间，提早发现故障，将非计划维修转为计划维修，并根据紧急程度给出优化的解决方案，在飞机落地后迅速排故，降低飞机延误率。

2.4 飞机性能监控

通过采集飞机稳定巡航时的性能参数，利用发动机状态报及相关参数模型进行飞机性能水平分析；计算实际飞机性能与基准性能的偏差；监控飞机/发动机性能趋势，对突然和连续衰减进行告警；从而实现：使机组在飞行过程中准确掌握预计燃油消耗量，保证飞行安全；对机队或飞机性能衰减的评估分析，为飞机的维修计划提供建议和支持。

3 飞机健康管理系统的组成

3.1 飞机健康管理系统的物理组成

从物理硬件组成的角度，飞机健康管理系统由机载健康管理系统、数据传输链路、地面健康管理系统三部分组成。

（1）机载健康管理系统。

机载健康管理系统主要通过实时获取并评估机载各系统/子系统的工作状态数据，并与飞机员显示系统相关联。

（2）地面健康管理系统。

地面健康管理系统包括地面监控管理、智能诊断、维修专家和远程客户终端等模块。对于机上监测系统无法处理的疑难复杂故障，可通过地空通信系统将故障数据传输到地面诊断监控中心，或借助于高级智能诊断系统和远程专家，对故障做出快速准确判断和处理。

（3）空地通信系统。

机载和地面健康管理系统通过空地通信系统实现数据传输。空地数据传输的方式有两种：航后传输和实时传输。航后传输是指机载健康管理系统采集了状态数据，在飞机着陆以后再将数据发送给地面系统，方式包括：QAR，WIFI，有线网络，USB和3G等；实时传输是指机载健康管理系统将采集到的状态数据实时的发送给地面，一般使用ACARS数据链的方式。

3.2 飞机健康管理系统的逻辑组成

从信息交互角度，可将飞机健康管理系统分成以下7个逻辑层。

（1）数据采集：全面采集全机各系统数据，并将数据转换成数字式的数据形式，所采集的数据应能够涵盖后续应用需求。

（2）数据处理：对传感器数据进行计算处理，这种处理可以是一种输入-输出映射，也可以是对原始测量数据的特征提取。

（3）状态检测：应通过对数据的计算，标识出飞机各系统的状态，并应基于预先定义的状态条件，检测出任何不正常状态，并在必要的条件下生成警报。

（4）健康状态评估：评估飞机全机及各系统的当前健康状态，采用推理算法诊断当前故障，并提供诊断的依据和参考信息。应考虑飞机在各种运行状态下的健康状态评估手段。

（5）健康状态预测：应采用多种模型算法，基于飞机数据和使用条件，预测飞机未来的健康状态发展趋势，预测未来将要发生的故障或失效，预测发生故障或失效的剩余使用时间。

（6）支持生成建议：应为生成可操作的维护建议提供支持。

（7）数据传输：在飞机机载故障预测与健康监控功能的基础上，飞机应将大量故障报告、BIT测试数据、状态监控数据、健康趋势报告、用于预测的数据等传输至地面系统，满足地面实时监控与健康管理系统进行进一步深入的分析和预测的需要。

4 结论

PHM技术的引入，改变了民用飞机传统的运营和维护模式，是降低其使用成本的有效手段，可以极大的提高民用飞机的使用经济收益，保证飞行安全，带来极高的社会和经济效益，从而增强民用飞机的市场竞争力。

参考文献

[1] 张宝珍，曾天翔.智能BIT技术[J].测控技术，2000（11）.

[2] 徐永成，温熙森，等.智能BIT概念与内涵探讨[J].计算机工程与应用，2001（14）.