配电产品故障预测与健康管理总体架构设计

陆云龙 齐 乐 王洪玮

(1、天津航空机电有限公司,天津300308 2、空装驻天津地区第二军事代表室,天津300300)

随着信息技术的快速发展，飞机的综合化、复杂化、智能化程度也随之提高。对机载设备的多功能、高聚合的要求也越来越高，同时机载设备运行的环境更加恶劣，导致飞机设备的失效模式多种多样，故障传播的影响更加复杂[1]。传统的基于“事后维修”和“计划维修”的被动维修保障模式已经难以满足现代化多电/全电飞机的需求。出于飞机的可靠性、安全性、经济性等多方面考虑，故障预测与健康管理技术（Prognostics and Health Management,PHM）日益受到更多的重视，并应用于以预测技术为核心的策略。作为实现视情维修和自主保障的重要技术手段，PHM技术已经在航空等领域开展了广泛的研究[2-4]。

然而，现有的飞机级故障预测与健康管理技术架构体系的应用重点放在了发动机、飞机机体及材料结构、飞行控制系统和航空电子系统等，尚未建立专门针对配电系统的故障预测与健康管理架构。

配电系统作为机上电源系统的不可缺失的组成部分，因为其与机上绝大部分设备有着交联关系，为PHM系统的信息采集、处理以及健康管理的执行提供了极大地便利条件，成为了PHM系统中不可或缺的一部分。如今国内民、军机电源系统PHM系统的研究尚在起步阶段，民机C919以及ARJ21开展了配电系统PHM技术初步研究。虽然目前国内外针对飞机电源系统PHM的研究成果较少，但针对飞机电源系统中各分系统内关键部件已经计划开展故障诊断和预测方法研究。配电产品作为配电系统中主要组成设备，成为了最靠近用电设备的一个环节，因此也成为了最能反映用电设备真实状态以及用电设备最终使用的电源品质的一级设备。如今，在一些新型研制的飞机型号中，已经对配电产品的健康管理功能提出了要求。因此，配电产品的PHM技术的研究成为了必然的趋势。

本文就配电产品的PHM总体架构进行设计，从飞机系统对配电产品的要求出发，进行架构的分解，形成配电产品的PHM总体架构。

1 基于配电产品的PHM架构分层

故障预测与健康管理技术概括来说，就是将传感器采集的数据进行处理、融合，由计算机根据一定的模型，依据相应的算法得到检测目标当前的状态和未来一段时间的变化趋势。故障预测与健康管理技术主要包括“健康管理”和“故障预测”两部分内容[5-7]。故障预测，即预先诊断部件或系统完成其功能的状态，确定部件正常工作的时间长度;健康管理，即根据诊断、预测信息、可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策[8-10]。PHM系统的优势包括：故障诊断自动化程度高，其精准性、时效性好；能够实现故障预测，降低维修成本，提高装备实时可靠性等[11]。

PHM的一般技术框架按照对象层、数据层、信息层及决策层的层次结构划分，如图1所示。

图1 PHM的一般技术框架

基于PHM的一般技术，结合配电产品的功能性能，设计配电产品匹配的PHM总体架构，如图2所示。

图2 配电产品的PHM总体架构

2 配电产品各层次分析

基于图2所示的配电产品的PHM总体架构，对各层次进行分析，提取接口数据定义。

2.1 配电产品外部接口

PHM系统外部接口图如图3所示。

图3 配电产品外部接口

2.1.1 接口定义

2.1.1.1 电源接口：为配电产品提供功率电源、工作电源，通过机上功率线缆将机上电源与配电产品连接。

2.1.1.2 上位机接口：为配电产品提供与上位机的数据交互的接口，通过机上通讯总线将上位机与配电产品连接。

2.1.1.3 负载接口：配电产品通过该接口为各负载分配电能，通过机上功率线缆将机上负载与配电产品连接。

2.1.2 接口数据

表1 配电产品外部接口数据

2.2 物理层

2.2.1 功能定义

作为健康管理系统内的物理基础，实现健康管理系统物理数据的输入以及系统数据的输出功能，是PHM系统的被测对象之一，接收所有被测对象的数据。

2.2.2 数据处理

表2 物理层数据

2.2.3 层级间接口

表3 物理层接口

2.3 分析层

2.3.1 功能定义

分析层在健康管理系统主要是负责对感知层传输的数据进行数据处理和特征提取，形成特征数据和故障诊断层所需数据。

2.3.2 数据处理

对电源电压U、电源电路I输出电压u、功率管漏源极电压UDS、输出电压i、功率管漏源极电流IDS、电缆阻抗信号、负载电压、负载电流等数据进行数据处理，如电压/电流均值滤波、状态判定，电流时频域分析，入射信号与反射信号相关运算等操作，同时从接收到的数据中提取出电压/电流时域特征、电流频域特征、电缆阻抗特征等特征信息。

2.3.3 层级间接口

表4 分析层接口

2.4 故障诊断层

2.4.1 功能定义

故障诊断层在健康管理系统主要是负责依据前一层所提供的数据信息进行故障诊断，进行故障和状态判断。

2.4.2 数据处理

2.4.2.1 进行简单算法故障诊断

依据分析层传递过来的特征信息和处理后的信息，利用简单的逻辑和数据对比，进行故障诊断和状态判断，如过欠压检测、BIT检测、电弧检测与定位、短路开路检测。

2.4.2.2 进行复杂算法故障诊断

依据分析层传递过来的特征信息和处理后的信息以及原始数据信息，结合成熟的数据算法，如故障字典、混合逻辑算法、神经网络算法、模糊自适应算法，进行进一步的数据处理，取得算法结果用于进一步的故障预测。

2.4.3 层级间接口

表5 故障诊断层接口

2.5 故障预测层

2.5.1 功能定义

故障预测层在健康管理系统主要是负责依据前一层所提供的数据信息进行故障预测，形成故障预测结果。

2.5.2 数据处理

依据故障诊断层传递过来的故障、状态诊断结论信息和复杂算法处理的数据信息，通过专家知识处理，如经典数据库、负载特性库、故障模式统计库检索等方式，对当前状态进行故障预测，包括对负载端、线缆端、电源端，得到电缆绝缘层老化失效预测结果、负载故障预测结果等。

2.5.3 层级间接口

表6 故障预测层接口

2.6 健康管理层

2.6.1 功能定义

健康管理层在健康管理系统作为最高层，负责最终的健康管理判断，得到合理的健康管理处理方式判断。

2.6.2 数据处理

依据故障诊断层传递过来的故障、状态诊断结论信息和复杂算法处理的数据信息，和故障预测层的故障预测结果，依托于配电产品的管理权限，进行故障隔离与重构、负载管理、任务规划以及维护/维修定位等操作。

3 结论

本文结合故障预测和健康管理一般架构，从配电产品的功能性能出发，搭建了配电产品故障预测与健康管理总体架构，并对架构中各层次进行数据分析与接口设定。为后续配电产品PHM技术的研究和发展提供了方向，也为配电网络如何融入飞机PHM系统中提供了思路。