民用飞机预测与健康管理技术与系统特征参数研究

谢原安

【摘 要】本文对预测与健康管理技术在民用飞机运营安全、维修领域的发展与重要作用进行了说明，同时对预测与健康管理技术在民用飞机研究中的关键技术—状态监控参数集、特征参数、剩余有效寿命预测等技术的研究进行的了说明。

【关键词】预测与健康管理；剩余有效寿命；特征参数

0 概述

民用飞机的安全性设计是决定飞机型号生命的至关因素，而民用飞机的维修性设计是决定飞机经济性与市场成功的重要考量，安全性设计直接决定了民用飞机型号的生死，维修性设计决定了民用飞机型号设计市场的成功与否，历来为各航空制造商和运营商所重视。飞机作为现代工业设计中最为复杂、技术最为综合、科技含量最高的产品之一，飞机内部系统繁杂，零部件数量庞大。这也决定了民用飞机的故障模式难以预测，对于飞机而言，排查故障、准确定位、快速隔离、简化维修、及时保障、降低资源损耗，提高飞行安全，这对飞机设计提出了更高的设计要求。

为了应对层出不穷的飞行安全问题，航空运营企业、飞机制造商、航空研究机构不断地探索各种安全与维护的新课题，力图通过对民用飞机飞行过程中各系统、设备、零部件的实时状态进行监控，对采集的状态信息进行实时分析处理，及时地发现异常、诊断并隔离故障，对飞机系统健康趋势和可能发生的故障进行预测，提前进行维修决策和保障资源的配置，合理的提前安排维修计划、有效地减少保障资源的浪费、有针对性地进行维护活动，阻止事故的发生，提高飞机的综合安全性和维修性。

1 预测与健康管理技术

预测与健康管理技术（Prognostics & Health Management，简称PHM）就是各种综合测试技术、维护技术、航电综合技术、后勤保障技术、数据传输技术、大数据技术等在长期发展融合演进中形成的。它利用遍布全机的各类传感装置，实时采集飞机上各系统的状态信息，监测并诊断已发生的故障和损伤，预测各系统剩余寿命，与地面控制中心进行实时的数据传输和信息交换，根据故障诊断和预测结果，采取合适的减缓措施和维护策略，提前合理安排维护计划、提前调配保障设施资源，避免事故发生，降低维护成本。该技术是提高飞机飞行签派率、提高飞机可靠性、保证飞机运营安全的关键技术，也是实现民用飞机视情维护（Condition Based Maintenance，简称CBM），降低运营成本的关键技术，对于飞机特别是民机的运营支持和产品支援具有重要意义。

2 状态监控

PHM涉及到对飞机系统的综合健康监控，飞机综合健康监控需要监测的对象较多，涉及机械、结构、电子设备等多种对象，涉及传感器种类不同，故障诊断监测原理不同，预测方法不同，系统实现非常复杂。为此在全机综合健康管理系统硬件集成方面，首先需要针对不同监测参数的传感器进行选择、评价与布置研究；然后对多个同质和不同质的传感器的信息进行处理、特征提取，以此来完成传感器数据的采集和处理，从而为下一阶段的故障诊断与预测打下基础。

建立机载系统特征参数库，研究飞机系统设备的故障失效、性能退化与状态参数变化之间的关系，研究关键典型系统部件的特征参数谱，分析主要特征参数与系统故障的表征关系。

研究不同特征参数在系统工作状态及失效状态所表现出的变化趋势，结合系统自身故障失效机理分析不同特征参数在量化和趋势上与系统故障之间的映射关系。不同的特征参数在诊断和预测故障时的表现特征，从而可以利用其对应的特征参数变化曲线实现系统健康状态的预测。

3 特征参数

在飞机的预测与健康管理技术中利用对状态参数的实时监控及时的判定飞机系统的健康状态和故障信息，通过对特征参数的信息收集和数据分析，来预测系统的健康趋势和剩余有效寿命。系统的测试性分析可以提供功能流相关性模型，建立系统功能、失效机理和系统传感器布局模型，实现系统状态监控的仿真模型。通过系统的功能流相关性模型可以分析得到系统失效过程模型，以及功能流传播表即系统状态与特征参数的相关性矩阵，基于系统失效模型和相关性矩阵选出系统的状态监控参数集，研究系统失效过程中，单个特征参数的跟随趋势，或者多个特征参数的响应状态，建立与系统状态变化相一致的特征参数谱。

利用对飞机关键系统部件健康状态特征参数监控分析，获取关键系统部件实时的状态参数，并根据状态参数选择和优化方法的研究，来选取出关键系统部件中的特征参数用于监控并预测系统健康趋势，通过收集的数据信息绘制关键系统部件的特征参数谱，特征参数谱用于故障诊断、故障预测模型的研究和分析，是建立故障预测模型的输入和分析的重要依据，建立与健康状态相对应的特征参数谱，搭建关键机载系统部件状态监控与健康管理模块，包括传感器、数据采集、数据传输与数据处理等模块，实现该部件状态的实时监控与趋势预测。

4 机载健康管理平台

飞机状态监控参数众多，不同的参数反应了飞机各系统在运营过程中表现出的不同特性和状态。系统失效过程中，不同状态参数的变化形式和幅度不同，合理选取适当的系统状态监控参数，既准确又能经济、及时、高效的进行故障诊断、预测。机载健康管理系统研究的难点，通过建模、分析、计算、对比、综合分析等手段，才能给出系统状态监控参数优化方法。

建立系统功能失效与测试的相关性矩阵模型。在系统功能流模型中，系统的功能失效等价于系统特征参数的非正常变化，因此可得到系统状态监控参数与测试的相关性模型。在该模型中添加系统正常状态则可得到系统的所有状态，并可给出系统所有状态与测试的关联模型，基于该关联模型，通过数学建模的方式，综合测试的检测信息量、隔离信息量和诊断信息量，以及对测试点和监测点传感器的可靠性、成本、监控检测费用、传感器数量和重量等因素的考量，建立各个测试点对系统状态监控的权值，通过比较测试权值筛选出最优的测试集，即可得到优化后的系统状态监控参数集。最优的状态监控参数集对应了机载健康管理系统中对应的监控位置和传感器布置情况。

通过系统功能流模型中加入测试与监控信号，建立系统失效状态与测试的相关性模型，基于该模型，创造性地利用数学建模的方式，将影响系统特征参数测试的各个因素建立到模型中并计算出各个测试集的状态监控权值，利用权值能快速地给出可以覆盖系统所有状态监控的测试集，即特征参数集。

机载系统失效过程导致特征参数谱的变化和参数谱表现出的异常通常反应了系统的状态，也可通过对状态信息数据的分析用于预测系统故障的先兆。特征参数谱与系统的功能原理和故障失效机理存在着特定的映射关系，正确的描述特征参数谱不仅需要分析系统的功能原理、失效机理还要结合系统的状态参数及自身功能原理，综合利用特征参数模型和实际的物理模型共同解析得到系统的特征参数谱是健康管理技术中计算剩余有效寿命和趋势预测技术的难点。此外，特征参数谱是状态参数通过传感器采集到的信息数据的变化趋势的实时反映，传感器在数据采集过程引入的异常信号导致绘制特征参数谱难以应用于故障诊断和故障预测的算法开发，因此对异常信号的处理应该在建立预测模型之前完成。

5 结论

飞机健康管理系统是民用飞机目前发展和研制的必然趋势，民用飞机的预测与健康管理技术是一个综合的系统工程，涉及到的学科和专业很多，在民用飞机上建立健康管理监控系统提高飞机的安全性、签派可靠度、维修能力和保障能力需要各系统的全面综合。对民用飞机特征参数和状态监控参数的研究是建立民用飞机健康管理系统的基础。

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