飛機健康管理與故障預測的應用范文

本站小編為你精心準備了飛機健康管理與故障預測的應用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1PHM系統框架體系需要考慮的關鍵問題

對于所有的復雜系統（如航空器）都具有兩個必備模塊：用于工作的能源和通信機制。這兩個模塊與系統體系所實現的功能緊密聯系在一起。PHM系統的輸入與輸出的方式變化多樣，甚至多種方式結合（環境、機械、電器、熱、聲、視覺、觸覺等的信號），系統必須能夠對這些輸入、輸出進行較好的處理。PHM系統框架下實現的系統功能要與用戶或使用者的要求保持一致。PHM系統一般由多種類型的子系統組成，其中大部分為航空電子系統，如命令與數據處理子系統和電源系統。

1.1能量供應

為PHM系統提供能量的方式是多種多樣的，可以由外部提供，也可由內部提供。系統所需能量是由子系統和組件實現功能的多少以及復雜性所決定的。能量的供給也要考慮子系統和組件的密集度以及位置分布。同時需要分析PHM系統在不同工作模式下的能量消耗率使其能夠滿足各種工作狀態以及子系統的能量需求。能量源對整個PHM系統起著關鍵性的作用，要確保滿足所有的負載要求以及續航要求，同時要有足夠的能量裕度來應對特殊情況。在考慮電氣失效管理的能量裕度時，設計者需要優先考慮系統內部故障檢測、隔離以及恢復，對失效反應的及時性和有效性。在一些PHM系統或其子系統中，能量的供應方式不僅僅局限于電能，也可以是熱能或機械能（用在某些作動系統中）。要依據實際的需要以及可行性來確定所需能量的供應方式。

1.2數據的通信

數據通信對于PHM系統非常重要，無論是無線、有線信號，必須確保數據通信的可靠性，信號交換協議必須要考慮到系統所受外界環境的影響，同時要為系統做出正確控制預留足夠時間。同時，在選擇通信方式時要考慮故障容限和裕度管理。數據通信規則也受到系統組件的類型以及兼容性的限制。為了信號傳輸的方便，傳感器采集到的模擬信號往往需要轉換為數字信號。傳感器的敏感度、布置等都是數據通信需要考慮的關鍵問題。

2PHM系統的設計與應用研究

描述了構成PHM系統設計的主要組成模塊。該系統具有反饋功能，能夠可靠地完成數據收集以及分析，這對系統的故障預測和診斷是至關重要的。離線與在線部分相互補充，構成了功能完整的PHM系統。

2.1技術權衡研究

技術權衡研究主要是為了使系統對故障診斷和預測達到一個最佳平衡狀態。技術權衡技術的目標有（：1）支持系統工程過程的決策需求（；2）評估待選項（要求、功能、配置）（；3）集成并考慮所有的因素（；4）推薦最佳的解決方法（；5）發展并修正系統的概念（；6）判斷是否需要進行進一步綜合性分析，做出取舍。其中，一種比較成熟的技術權衡研究遵循被稱為集成產品與過程設計（IntegratedProductandProcessDesign，IPPD）方法。IPPD的功能包括（：1）建立需要；（2）問題描述；（3）建立目標值（；4）產生可行的選擇方案（；5）做出決策。美國國防部進行的IPPD研究主要針對技術預測與技術鑒別、評估以及選擇（TechnologyIdentification,EvaluationandSelection，TIES）。故障診斷與預測相關的研究屬于TIES類別。進行IPPD研究能夠完成以下任務（：1）定義問題，使用質量功能展開（QualityFunctionDeployment，QFD）工具來獲取“客戶”需求，定義綜合設計分析，鑒別組件功能，監控和測試需求等；（2）設定具體取值，建立取值目標以及可行性限（；3）進行可行性選擇；（4）進行選擇（；5）最終做出決定。其中，QFD用來獲取客戶需求和定義設計綜合分析。

2.2FMECA分析

理解失效機制的原理是設計PHM系統的基礎，FMECA分析為設計者提供了對失效分析的綜合框架。通過FMECA分析能夠找到相關失效事件的根本原因。為達到這一目的，需要定義失效的模式、重要度、發生頻率以及可測試性。先進的FMECA分析可以得到最優故障特征的算法，檢測和隔離早期故障，并且預測出重要部件的剩余壽命。FMECA可以集成到現有的管理控制和數據獲取或其他的數據管理和控制中心中，進而便捷地為使用者提供識別失效事件和事件根源的信息。

2.3CBM測試-計劃的系統設計

通過CBM測試-計劃來確定PHM系統所需儀器、數據采集裝置、測試程序，并且獲取故障數據，進而來訓練和驗證故障診斷與預測的算法。測試計劃的一般流程為：（1）判別系統的工作模式；（2）依據相關控制變量和田口方法來對故障模式進行判別；（3）選擇傳感器的類型以及數據采集的裝置；（4）使用基于正交表的田口矩陣進行多級實驗；（5）決定在基線和故障數據下的測試次數及其類型，進而滿足用戶需求、預算等；（6）選擇傳感器并進行校準精確。

2.4性能的評估

PHM系統需要滿足多目標的要求，為用戶提供多種有用信息，如機務維修人員、飛行員以及系統設計人員等。進而協助維修人員在最佳時間做出維修，保證飛機的最大利用率和安全性。對PHM系統的性能評估主要是從技術和經濟兩個層面展開的。這里從經濟角度評估PHM系統的性能，不僅能反應新技術的優勢，而且能夠顯示出經濟上的可行性。結合維修、使用情況的成本-效益分析所涉及的內容有：（1）評估傳統維修手段下，所產生的使用、維修等費用分析；（2）隱形成本分析，傳統維修模式（如故障后維修、定時維修）帶來的損失成本分析；（3）對引入PHM系統帶來的設備、人員培訓等費用分析；（4）引入PHM系統后，對整個生命周期內的成本-效益合計。

2.5PHM系統的驗證與適航認證

只有PHM系統經過驗證與適航認證之后，才能真正在飛機中得到廣泛應用。PHM系統的驗證是為了滿足系統的設計要求。系統性能標準是系統驗證的基礎，一個成功的PHM系統會對下面的問題給出肯定的回答，“構建的系統是否能夠在設定的約束條件下滿足所有設計需求？”目前，還沒有專門針對PHM系統硬件和軟件的官方適航認證文件，主要還是基于軍用、民用飛機的適航文件基礎之上對其進行認證。早在1992年，文件RTCA/DO-178B（航空系統以及設備中關于軟件的認證）已經對航空系統軟件的適航認證做出了規定。2000年的RTCA/DO-254對航空電子設備硬件做出了相關適航認證要求。2008年，MIL-HDBK-516B規定了航空器系統的適航認證標準。近來，由Honeywell研制的健康與使用監測系統（HealthandUsageMonitoringSystems，HUMS）已經在美國軍用直升機上得到了使用。美國軍方的航空工程指揮部（AviationEngineeringDirectorate，AED）對HUMS以及基于HUMS的維修適航標準進行了規定，并出版了相關的手冊。總之，PHM系統的驗證與適航認證是一個復雜的系統工程，需要多部門、多學科領域工程技術人員共同完成。

3總結與展望

PHM涉及多學科和眾多研究領域，需要各種高新技術（如新型傳感器技術、在線監測技術等），又需要堅實的基礎理論（如新型故障診斷與預測理論等）作為支撐。目前PHM的重要地位已經得到工程界的廣泛認同，工程需求也日益增加，隨著大量輕型飛機的使用，為了節約維修和運營成本，保證飛行安全，在輕型飛機中引入PHM系統將成為必然。然而國內PHM的研究無論是技術上還是理論上離實際要求還有不小差距，需要研究人員開展更加深入的研究。目前，PHM的理論以及具體實現中，存在著許多技術難題。本文主要分析了輕型飛機對PHM技術需求以及相關的技術問題，同樣適用于其他行業。為了搭建輕型飛機的PHM系統，應該在以下方面進行深入研究：

（1）PHM系統軟件開放性的研究，通過不斷升級、更新來增強系統的可維護性、穩定性；

（2）研究PHM技術的標準，為PHM技術廣泛應用打下基礎；

（3）研究PHM系統的自我修復功能；

（4）新型傳感器技術，異種傳感器數據融合傳輸技術、傳感器嵌入技術，傳感器布置優化以及布線技術；

（5）新引進的PHM系統與飛機系統本身的兼容問題，包括電源的供給等；

（6）PHM系統本身的耐久性問題，包括飛機在實際運行中PHM系統的耐久性、系統傳感器的維修、更換以及系統其他部件的維修；

（7）考慮到飛機服役環境的復雜性，研究PHM的故障診斷與預測算法，增強系統的魯棒性以減少誤判和虛警。

4結語

綜上所述，通過攻關相關的技術難題，得到適航當局的認可，將PHM系統應用到輕型飛機中，具有很大的經濟價值和實際意義。

作者：朱新宇盧俊文鄭波王倩營單位：中國民用航空飛行學院西南交通大學電氣工程學院