基于SPC的飞机液压系统性能衰退模式识别方法

王骥 林泽力

摘要：针对飞机液压系统性能状态变化不易准确识别的技术难题，文中提出基于SPC的飞机液压系统性能衰退模式识别方法。首先，对飞机液压系统的衰退过程进行划分，分为正常阶段、退化阶段、故障阶段三个阶段;其次，对飞机液压系统的监测进行分析，获取其相应的表征参数，最后，依据获取到的表征参数，采用SPC方法对飞机液压系统衰退模式进行识别，得到液压系统衰退模式识别。文中以某型飞机液压系统为具体验证对象，开展基于SPC的飞机液压系统性能衰退模式识别方法的验证，结果表明，该方法能够准确实现对飞机液压系统性能衰退模式识别。

关键词：统计过程控制（SPC）;飞机液压系统;性能衰退;模式识别

0  引言

作为飞机上重要的能量传递系统，飞机液压系统承载着液压能传递，可以有效实现襟翼、尾翼、起落架收放等重要功能，因此，液压系统一旦出现故障，则将会导致重大事故发生，轻则降低飞机的使用效率，重则导致重大事故的发生，在以往发生的飞机事故中，其中因液压系统出现故障导致的各类事故占到百分之四十左右，其中尤为严重的事故中，液压系统出现故障导致的事故约占17%。由此可见，飞机液压系统的运行安全是保障飞机安全飞行的重要内容[1]。

在对飞机液压系统进行监测过程中，常用的监测参数有液压油压力、液压管路流量、液压油的温度等，常用的监测方法有神经网络、模糊综合评判等，由于在机上对液压系统的实时监测，需要对数据的快速处理，因此，神经网络、模糊综合评判等方法无法达到实时监测的能力。因此，基于此，文中提出了基于SPC的飞机液压系统性能衰退模式识别方法，借助数理统计方法对液压系统的运行状态进行监控，从而实现飞机液压系统性能衰退模式的快速识别。

1  统计过程控制

对于系统来说，在其运行过程中，任何一个过程状态的变化都会受到来自其自身或外界客观存在事物的影响，有些影响是偶然的，有些影响则是必须的，然而不同的影响将会导致不同的事物发生[2]。

统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）技术是以数理统计方法为核心思想，把监测对象数据进行有效转换，并开展数据的有效监控，科学地对数据出现的随机波动于异常波动进行准确识别，从而实现对监测对象的异常状态的提前预警[3]。从本质上讲，SPC也称为统计性能监控（Statistical Performance Monitor，SPM），用以及时发现过程故障隐患，实现对事故的有效避免，从而达到对监测对象进行准确监控及故障模式进行准确识别的目标[4]。SPC按照其原理，可以分为以下三个步骤：

①健康过程模型，选取过程变量，采集系统健康状态下的运行数据并提取均值、方差等统计特征;

②稳定性检测：主要是对测试数据进行统计特征提取，并根据SPC控制图对系统进行检测;

③故障模式识别过程：主要是分离造成系统不稳定的变量，从而确定故障原因。

2  液压系统衰退过程的阶段划分

文中采用基于SPC的方法，对飞机液压系统的性能衰退模式进行识别，需要提前对液压系统衰退过程进行阶段划分，从而实现对液压系统衰退过程的准确识别。按照液压系统的实际运行状态，液压系统可以划分为以下三种状态：

①“正常阶段”：该阶段中系统性能良好。SPC判定这一阶段中的数据处于稳定状态并且飞参信号无告警。该阶段系统的健康状态为“正常状态”，性能稳定并且能够正常工作。

②“衰退阶段”：该阶段中系统性能发生了一定程度的退化，但没有引发故障。SPC长时间地判定这一阶段的数据处于非稳定状态而飞参信号无告警或告警极少。该阶段系统的健康状态为“衰退状态”，性能下降但依旧能够正常工作。

③“故障阶段”：该阶段中系统性能进一步退化至引发故障，飞参信号长时间的给出告警。该阶段系统的健康状态为“故障状态”，故障出现并且对系统的工作造成影响。

3  案例分析

以某型飞机液压系统为具体研究对象，开展基于SPC的飞机液压系统性能衰退模式识别方法的验证。选取某架机历史飞行数据及当前的飞行数据作为数据基础，开展该架机的衰退模式识别。

该架机出现的故障模式为左泵低压、右泵低压、双泵低压警告，通过对280架次的飞行数据的统计分析，通过对其参数数据的分析，采用SPC方法对其性能衰退模式的识别，结果如图1所示。

选择符合SPC对象要求的健康特征，以均值差分为例，利用SPC方法对该架机进行稳定性判定。图（a）是该架机的健康特征参数（均值差分）的时间序列，在图（a）与图（b）中彩色点标注是飞参数据的告警点，每一种颜色代表一种故障模式。在各图对应的图（b）中绘制了相应的SPC控制图，通过SPC法判将不稳定的点标识为红色，并根据之前设定的依据对衰退过程进行相应的划分。

从1图中，可以看出，该架机的性能衰退过程为正常阶段——衰退阶段——故障阶段，符合液压系统性能状态变化规律。可以看出，如果直接对原始数据分析，并不能觀察出系统在没告警的阶段是否存在性能衰退的情况，而通过SPC法能够合理地划分出系统在衰退过程中的每个阶段。同时，通常在没有外界干扰的情况下，系统会经历“正常阶段”——“衰退阶段”——“故障阶段”这一过程，但是实际数据中，涉及到人工的定期或针对性维修，因此系统可能出现从“衰退阶段”或“故障阶段”回到“正常阶段”等跳变的情况。

4  结论

本文提出了一种基于SPC 的飞机液压系统性能衰退模式识别方法，并以某架机的280次飞行数据为基础，开展方法的验证，结果达到预期。

参考文献：

[1]罗丹.飞机液压试验台数据采集与测控系统的设计与实现[D].南京航空航天大学，2010.

[2]王青，李明树.基于SPC的软件需求度量方法[J].计算机学报，2003，26（10）：1312-1317.

[3]宋景涛，方明霞.统计过程控制（SPC）及MATLAB实现[J]. 理论与实践，2007（6）：40-45.

[4]钱夕元，荆建芬，侯旭暹.统计过程控制（SPC）及其应用研究[J].计算机工程，2004，30（19）：144-147.

作者简介：王骥（1979-），男，江西萍乡人，高级工程师，硕士研究生，海军驻上海地区第十军事代表室，研究方向为航空装备;林泽力（1987-），男，河南商丘人，高级工程师，硕士研究生，中国航空工业集团公司上海航空测控技术研究所，研究方向为航空装备故障诊断与健康管理。