诊断、预测和健康管理技术在直升机中的应用研究

陈圣斌，丁 杰，沈亚斌，曾曼成

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

美国国防部在2004年12月提出了后勤转变的战略要求。同年，美国陆军司令部提出了陆军航空基于状态维修(CBM+)的行动计划。至2010年，美国航空开发管理局-航空应用技术管理中心(ADD-AATD)和西科斯基飞机公司(SCA)在以往多年技术储备积累的基础上，联合负责一项“基于能力的使用和支撑技术-航空(COST-A)开发计划”，其目的是为旋翼航空器开发、演示/验证综合的诊断、预测和健康管理系统以降低计划检查和预防性维修工作，减少使用维修费用，提高直升机的使用可用度和飞行安全性。

1 诊断、预测和健康管理的目标和要求

1.1 目标

开发、演示/验证旋翼航空的6个系统的诊断、预测和健康管理系统以降低计划检查和预防性维修工作。减少使用的维修、诊断费用，提高安全性和使用可用度。

1.2 要求

在目前现役直升机(如UH60)上的HUMS/IVHMS的基础上，融合诊断、预测和健康管理技术以降低风险和减少研发费用。在COST-A计划2014年结束时，所开发的诊断、预测和健康管理技术达到技术成熟度6级的水平(TRL-6)。

以最小的附加重量、费用和机上改装，将诊断、预测和健康管理技术嵌入到机上HUMS和系统设计中。

以有限的传感器感受和处理机上的状态故障信息。

获得较低的误拆卸率，同时具有高置信度状态检测率和充分的提前检测时间，以实现无故障维修。

能对机上关键部件/机载设备提供精确的剩余有用寿命。

1.3 维修性参数指标(目标值)

与2005年UH-60直升机外场的统计的基值相比，诊断、预测和健康管理系统的应用使UH-60直升机的维修性达到如下要求：

每飞行小时检查减少50%；

每飞行小时维修人时减少12%;

部件平均拆卸间隔时间(MTBR)提高15%;

误拆卸率小于5%;

故障前检测时间最少为10飞行小时。

2 COST-A系统组成

COST-A的诊断、预测和健康管理系统由机载系统(OBS)和地面系统(GBS)两部分组成。其中OBS实现6个主要系统的诊断、预测和健康管理。而GBS实现OBS未能完成的故障诊断工作(模糊性)，进而提供维修建议和严酷度显示并完成维修规划。系统组成如图1所示。

2.1 机载系统

机载系统(如图1所示)包括：

1)IVHMU(综合健康监控装置)。这是IVHMS(综合健康管理监控系统)/HUMS(健康和使用监控系统)中的装置。COST-A系统就是在IVHMU的基础上构建的。

2)PHMU(预测和健康管理装置)。这是一电路板，它插接在IVHMU机架上的备用插卡上，其功能是实现6个系统的状态诊断、预测和健康管理。以减少维修排故时间，提高使用可用度。

图1 COST-A系统结构

3)OBN(光电主网络)。它使系统的各类数字、模拟信号进行连接，实现实时稳定和可靠通信。

4)NAIU(网络采集和接口装置)这是PHMU电路板、OBN和地面系统之间的主要接口单元。

5)SSI(传感器系统接口装置)。PHNU的传感器经SSI装置接到OBN上，这是一多物理接口模块，它接受数字和模拟信号、协议等，实现光电信号转换。

6)机载软件。它们嵌入在PHMU的电路板上，对6个系统提供先进的机上状态监控、诊断和推理运算律，以便实现早期的和精确的故障检测和隔离。

2.2 地面系统[2]

如图1所示，它包括:

1)飞机笔记本(ACN)。它和机载系统及其软件扩展了IVHMS在机上(UH-60)陆军平台维修(PMA)软件的功能，增加了6个系统的健康显示和维修显示。

2)部队(大队或营级)服务器(BAT)。应用地面诊断、预测和健康管理工具进一步隔离故障，预测部件今后的健康趋势，利用机群的历史数据进行维修规划。

3 COST-A系统运行

COST-A系统运行程序如图2所示:

图2 COST-A软件和推理结构

1)诊断程序。该程序将传感器的信息处理和规格化后，识别系统非正常状态并生成相应故障模式，将特定部件状态指示(CI)或健康指标(HI)信息传输到维修集生成程序。

2)维修集生成程序。若诊断程序中某一特定部件有2个故障模式“A”和“B”的状态指示，则生成了维修活动“1”和“2”，即这一特定部件多了一个维修活动。故障模式“A”和“B”哪一个是故障的根本原因？这存在模糊性。

3)故障模式推理程序。该程序接到模糊性信息后，便对“A”“B”两个故障模式的发生概率排序，进而确定“A”故障为可能发生故障根因。

4)机载维修推理程序。该程序根据“A”故障映射维修集，并生成维修建议。

5)健康累计评估程序。该程序根据故障“A”的健康指标的累计评估，形成对高层次(系统和直升机)的健康指标，并以矩阵方式给出对上层次任务、安全和功能的影响，从而按GYOR(绿、黄、橙、红)的颜色指示，对提供的维修建议在着陆时是即时进行或继续观察。这一颜色指示和维修建议显示在飞机笔记本上。

6)飞机笔记本。其显示器显示维修建议，在对机载系统诊断的状态仍存模糊性时，继续诊断，给出可能的故障根因并予以隔离。

7)部队服务器。该程序累计机载系统健康数据，并利用机群的历史数据进行维修规划，根据剩余寿命给出下一次维修干预时间，以便进行维修保障准备(如备件供应)。

上面的系统运行参见参考文献[3]的实例说明。

4 预测与健康管理技术(PHM)

COST-A系统开发和改进了6个系统的PHM技术。限于篇幅，本文以旋翼系统为例简要说明该系统某些技术的创新发展。

1)PHM的技术要求

传感器系统要设计成可重构和可扩展，并能与OBN接口，它能连续地监控旋翼关键部件的关键载荷、运动和其它参数，以确定他们的健康状态。

应正确地选择予以监控的部件和载荷，并且必须获取大载荷机动运动，同时要求选择数据收集和传输的合理取样进度。

根据监控的关键部件载荷，计算旋翼系统部件和机上其它部件疲劳损伤的剩余有用寿命(RUL)

应收集传感器所监控部件的载荷和运动以便产生和推导桨毂的总载荷。

各个部件的健康是由开发的运算律确定的，它是部件的动态响应特性的趋势与基准响应相比较得出的。

2)旋翼系统开发的技术

旋翼系统开发的技术包括：

①局部载荷和/或运动检测传感器

这包括阻尼器、球形轴承、总距杆端、总距杆传感器。其中：

阻尼器——是新研发的无线传输、自供电的超前/滞后阻尼器传感器系统，它能测量阻尼器的稳态，诊断振动载荷和振动运动。这些载荷和运动组合能确定阻尼器的动态响应和刚度。这些值的发展趋势的比较就能确定阻尼器性能随时间退化的状态，并产生CBM的干预。这一传感器系统具有能源生成能力，在关键工作状态提供可靠而足够的能源。

球形推力轴承(组件)——是新研发的旋翼球形和推力轴承。其无线传输、自供电的嵌入式传感器网络能测量桨叶刚体挥舞、摆振和变距运动，这些传感器也能测量轴承上的挥舞、摆振和变距力。这些载荷和运动组合能用来计算整个旋翼载荷和监控轴承刚度的变化，从而表示出轴承性能退化的状态。这一传感器也设计成嵌入式能源生成器，以提供足够的能源来连续或瞬时传输数据。

推力杆端——这一推力杆端使用经改进的H-60机推力杆端传感器，该传感器除天线之外都嵌入在杆端内，这是一无线传输自供电传感器，对于COST-A计划，其改进目标是降低重量，缩小结构尺寸，并具有最大线性度。在地面运行和悬停状态的低载荷状态下，它也能提供连续能源而不丢失数据。

变距拉杆——根据H-60机的经验，将改进该传感器无线传输和自供电功能，并使之与无线传感器局网(RLWSN)接口。

②旋翼传感器局网

COST-A系统开发的旋翼传感器局网，便于数据从旋翼部件传输到设置在机体结构上的光电主网络(OBN)。这一无线网间连接器(wireless gateway)能满足连接在这一局网上所有传感器的取样数据速度、取样时间和可靠性要求，以确保下游处理时精确同步。这一网间连接器通过OBN能与所有旋翼传感器和PHM装置进行双路数据通信。

5 诊断和预测技术

COST-A系统的机载系统(OBS)和地面系统(GBS)通过其所设置的工具(现有和新引入的)来实现诊断和预测能力。其中机载系统的诊断和健康监控功能给空勤人员提供直升机健康状态详细评估和着陆时所推荐的维修工作范围。地面系统的诊断和预测是一深入细致的计算工作，它利用机群数据来降低模糊性以改进诊断能力，并提供支持数个月的维修规划。

5.1 机载系统

1)COST-A系统的每一系统都使用诊断和推理软件。Reason PTOTM是COST-A系统推理机的主要工具。某些系统使用能兼容的专用软件，它们都嵌入在PHMU的电路板上。这些软件应用不同的模型，确认并使相应数据(例证)(如参数数据、BIT编码)联系起来。它比任一已知的单一监控都能获得更高的精度和置信度，推断出故障根因。

2)推理模型为层次法构建，以便优化控制管理模型的复杂性。

3)COST-A系统由3个层次组成：部件级、系统级和直升机级。任一层次的推理机都能使用和询问其它层次的数据(例证)。任一层次的推理机都使用了3个基本单元：①数据分析——编辑预处理和提炼分类数据集，以便由推理机使用。②模型——使用三种模型，最简单的是贝叶斯置信度网络方式的相关性模型；第二种是正、反两个数据(例证)评估诊断置信度模型；第三种是最完善的或最先进的使用动态和瞬时数据的相关性模型。应根据权衡研究进行工程决断来选择模型。③推理引擎——是一运算律群，通过运算律使数据(例证)与其模型比对以识别性能退化(不正常)部件、分系统和系统健康状态，并计算出最可能的故障根因排序集。

5.2 地面系统

1)UH-60型机平台维修应用：它作为将传统应用和COST-A系统模块综合成一完全综合化的图形使用界面或接口基础，便于维修人员连续和系统地完成维修工作。

2)COST-A系统扩展了其他的数据挖掘工具使之包括先进的运算律和推断法。

3)机群监控工具用来支持和跟踪工作使用参数(operational usage metrics)和飞行手册的超限值、机械诊断、旋翼跟踪和平衡及维修跟踪。一种任务构建型应用工具能实现所有部件基于使用的预测以确定其剩余的有用寿命。

4)基于使用的预测软件也支持维修规划和评估每一主要故障模式在多任务且几个月的规划时间内的发生概率。

5)地面系统也连接到美国陆军开发的集中式机群管理功能上，以便安全地收集各架直升机信息，如工作使用和部件健康。

诊断和预测技术的应用实例参见文献[1]。

6 建模方法

COST-A系统广泛地应用了基于物理的模型和基于数据的模型来建立COST-A系统的诊断和预测方法。

1)基于物理的模型

部件和系统基于物理的分析模型是COST-A系统诊断和预测方法的一个很重要的部分。它应用部件和系统的物理特性来建立部件和系统的诊断和预测模型。

例如旋翼系统，它开发了一种基于物理的气-弹模型来预测部件存在缺陷状态下的系统特性，从而定量表示可能发生的非正常状态，例如载荷偏移高于正常振动的作用载荷，桨叶运动等。

又如，根据复合材料结构件在偶然撞击事件中的损伤和损伤扩展状态建立有限元分析模型，来确定损伤位置，从而定量给出损伤尺寸，并与机群的历史数据或试验数据相比较，确定结构件的剩余有用寿命。

2)基于数据的模型

COST-A系统广泛地应用基于数据的分析模型，例如故障/失效模式推理模型。它应用以往设备/部件的历史数据(如故障率)建立排故表，以便在发生诊断模糊的情况下确定可能故障的根因。

又如，在维修集的生成过程中，它使用了CI/HI与其相应故障所对应的维修措施建立了基于数据(信息)的以矩阵方式表示的对应关系，来确定每一CI/HI(状态指示/健康指示)超限时的不正常状态的1对1相应的维修措施。若存在模糊性，继续应用F/FM推理模型，以确定不正常状态所对应的维修措施。

7 关键技术

通过上面的讨论，可以看出COST-A系统的主要挑战是：

1)确定每一关键部件/设备的主要故障模式及其状态参数，以便确定状态指示和门限值(状态指示器)。

2)建立状态指示的相关模型，以便将传感器截获的信息转化为表征部件健康状态指标。

3)旋翼系统动部件传感器应嵌入到相应部件之中，并具有自供电能力，通过无线传输将传感器数据(信息)传到设置在临近结构件的接收天线上，以消除传统的集流环传输，降低重量，提高可靠性。

4)提供关键部件在各种使用和环境条件下的剩余有用寿命(RUL)以便于进行维修规划和及时提供保障资源(如备件、工具等)。

5)各个系统和6个系统综合一起演示/验证技术，以便在COST-A计划结束时，验证和确认COST-A所开发的技术达到技术成熟度6级(TRL-6)水平。

8 结论及国内发展建议

COST-A计划经过4年的开发，为UH-60等传统直升机和未来旋翼航空器研制的诊断、预测和健康管理系统经预测和健康管理(PHM)系统综合试验室(SIL)演示/验证试验，该系统(包括6个系统在内)开发的35项技术有20多项达到了COST-A计划所要求的技术成熟度6级水平，还有多项要继续投资开发使之成熟。一旦所有技术达到了TRL-6，该系统将移植到UH-60直升机上进行飞行试验，使之进一步成熟并予以确认，以便机群改装投入外场使用。

国内直升机领域应借鉴COST-A系统研发的成功经验创新发展国产直升机的诊断、预测和健康管理系统。从总体上来看，它应包括：

①深入消化COST-A系统的相关资料，掌握系统的相关技术，分析其成功和不足之处，并提出改进方法。

②开展包括航空电子系统在内的各个系统关键部件基于故障的物理研究，确定其主要故障/失效模式及其状态的表示方法，使航空电子系统和其他系统都融入到诊断、预测及健康管理系统之中，从而使全机各系统都实现基于状态维修而取代当前的传统的维修方式。

③进一步研究，通过无线传输或卫星通信，实现机载系统和地面系统的实时通信，以使地面人员实时跟踪机上关键部件的使用状态，从而实时诊断和预测，实现空-地信息无缝链接，实现及时的维修规划和保障资源供应。直升机一着陆就进行维修，进一步减少维修和后勤保障时间，以提高直升机使用可用度。