飞机故障预测与健康管理应用模式研究.pdf

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1、自动化测试计算机测量与控制.2011.19(9)?Computer Measurement&Control?收稿日期:2011-03-10;?修回日期:2011-09-20。基金 项目:航空 科 学 基 金(20101996012);中 国 博 士 后基 金(20090460115)。作者简介:杨?洲(1985-),男,甘肃兰州人,博士研究生,主要从事故障预测与健康管理方向的研究。景?博(1965-),女,河北邯郸人,教授,博士生导师,主要从事现代检测技术、传感器网络等方向的研究。文章编号:1671-4598(2011)09-2061-03?中图分类号:T N206?3文献标识码:A飞机故障预

2、测与健康管理应用模式研究杨?洲1,景?博1,张?劼1,2,周宏亮1(1?空军工程大学 工程学院,陕西 西安?710038;2?空军驻甘肃地区军事代表室,甘肃 兰州?730050)摘要:针对现有飞机维修机制的不足进行了分析,描述了故障预测与健康管理、视情维修和自主后勤的三者之间的关系。提出了三种典型的故障预测与健康管理(PHM)应用模式,在分析比较现有三种模式优劣的基础上,进一步指出 PHM 的发展趋势。设计了一种飞机故障预测与健康管理(PHM)系统框架,并运用物联网技术完成了对自主保障系统的构建,能够有效提升飞机的自主保障能力。最后论证了故障预测与健康管理和持续采办与全寿命支持(CALS)之间

3、的关系,为装备采购和全寿命支持提供了技术支持和理论依据。关键词:故障预测与健康管理、应用模式;视情维修;持续采办与全寿命支持Reasearch on Implementation Modes of Airborne PHM SystemYang Zhou1,Jing Bo1,Zhang Jie1,2,Zhou Hongliang1(1?Engineering College,Air Force Engineering University,Xi?an?710038,China;2?Air Forces Military Representative Office in Gansu,Lanzho

4、u?730050,China)Abstract:Analysing the weakpoints of the current maintenance mechanism,this paper describes the mutual relationship between thePHM(Prognostic and Health Manag ement),CBM(Condition-Based Maintenance)and AL(autonomic logistics).It proposes three rep-resentative implementation modes for

5、the PHM system,identifies its future trend on the basis of the analyzing and comparing the threemodes.Designing a framework for the airborne antonomic logistics based on the PHM system,and constructing the antonomic logistics sys-tem by the means of the internet of things,which will improve its supp

6、ortability effectively.At last,it demonstrates the relation between thePHM and CALS(Continuous Acquisition and Life-cycle Support)providing the technical support and theoretical basis for the equipmentprocurement and life-cycle support.Key words:PHM(prognostic and health management);implementation m

7、odes;CBM(condition-based maintenance);CALS(con-tinuous acquisition and life-cycle support)0?引言21 世纪初,综合系统健康工程和管理(Integrated Sys-tem Health Engineering and Management,ISHEM)作为一门新的学科被推出1,涉及先进的传感器、冗余管理、先进的诊断和预测算法、概率可靠性理论和正规的确认方法、质量保证、系统体系结构和工程、知识获取和管理、测试性和维修性过程等方面。目前,以美、英等国的研究较为全面和深入。2000 年 7月美国国防部防务威胁

8、减少局将 PHM 列入 军用关键技术报告,将其认定为一项能够显著降低使用和保障费用,提高飞行安全和飞机可用性的综合性技术,并成为其采购武器系统的一项要求。新一代战斗机(Joint Strike Fighter,JSF)的 PHM正在研制和成熟过程中,计划在 2008 年以后的第 2 批飞机中引入,同时升级使用机内测试(Built-in Test,BIT)和状态监控的 F/A-182。PHM 技术使 JSF 维修人力较少 20%40%,后勤规模缩小 50%,出动架次率提高 25%,使用寿命达 8000 飞行小时,有效降低了飞机使用与保障费用,提高了飞机系统安全性、战备完好率和任务成功率3。国内关

9、于 PHM 技术的研究起步较晚,主要集中在概念、原理及局部支撑技术的研究,目前已有一些科研院所取得了一些成果,但是面向飞机 PHM 系统的应用模式尚不明确,对PHM 技术的实际应用带来很大的不便。1?故障预测与健康管理、视情维修、自主保障的基本概念及相互关系?据美军综合数据,在武器装备的全寿命周期费用中,与使用费用相比,维修保障费用在技术上更具有可压缩性。根据一项调查结果显示:维修保障费用占装备全寿命周期费用的 80%左右。故障预测与健康管理(PHM)、视情维修(CBM)、自主保障(AL)、货架产品等都是压缩维修保障费用的重要手段4。要综合运用这些手段,首先就必须深刻理解它们之间的相互关系。1

10、?1?PHM、CBM 和 AL 的概念复杂武器装备的维修方式经历了 3 个阶段的转变,即反应性维修、预防性维修和视情维修。视情维修要求系统自身具有对其故障进行预测并对健康状态进行管理的能力,可以实现?经济可承受性?目标,也由此产生了故障预测与健康管理概念。PHM 是一种全面的故障检测、隔离和预测及健康管理技术。它的引入不是为了直接消除故障,而是为了了解和预报故障何时可能发生,或在出现始料未及的故障时触发一种简单的?2061?计算机测量与控制?第 19 卷维修活动,从而实现自主保障,降低使用和保障费用的目标。自主保障并不是一个新的概念,它是一个基于知识的后勤保障系统,它能够辨识和综合保障需求、供

11、应链管理、部件可靠性、安全性与训练信息,便于支持和加强任务的执行。美军在JSF 中提出的自主保障系统主要由 PHM 系统和联合分布式信息系统组成。1?2?PHM、CBM 和 AL 之间的关系通过 1?1 的描述可以看出,PHM 技术建立在视情维修和自主保障基础上,是 JSF 为实现自主保障而引入的一项核心技术,也是视情维修技术的一个具体体现,代表了美军目前CBM 技术所能达到的最高水平,为减少维修人力、增加出动架次率、实现美空军全球部署和快速反应的战略目标奠定了基础。PHM 和 CBM 技术的快速发展进一步推动实现了自主保障的高效性、自主性和准确性。将 PHM 系统贯穿于飞机设计中,主要有以下

12、优点5:(1)有效地减少或消除对测试设备、工具和其他诊断设备的需求;(2)提供一种由维修人员(要求经诊断技能或专家训练的维修人员)来执行的功能;(3)便于将某些非重要部件的维修推迟到适当的时机进行,从而降低在远征或海上作战时前线部署备件的需求。2?我国飞机 PHM 系统应用模式分析及发展趋势与发达国家不同,我国现役飞机虽然在战术性能方面相差不大,但在武器装备的综合维修保障方面则存在较大差距,导致飞机在整体效能较为落后。运用 PHM 技术能够有效提高现役飞机的整体性能。因此,在飞机 PHM 系统的应用模式上,我国也要结合自身实际,选择适合自己发展的道路。主要应用模式有以下 3 种:(1)充分挖掘

13、现有的飞参数据;(2)在现有机型加载 PHM 传感器;(3)在新一代飞机设计实现 PHM 系统,综合考虑 PHM 系统需求,从而完成相关预测功能。2?1?现有飞机维修保障机制存在的问题现有的维修保障体系是被动而非主动的,由于缺少预测功能和健康管理计划,它无法将操作和维护数据转化为决策和行动,预测潜在的维修人员和备件的需要,造成了大量人力物力的耗费。目前主要采用机载传感器或机载 BIT 设备对关键部件的运行情况进行监测,及时记录并监测报告飞机的故障。然而,飞行事故仍时有发生,暴露出的问题主要有6-7:(1)监测点与监测手段不完善由于受认识和技术两方面的局限,机上目前的监测点与监测手段尚不完备,尚

14、不能做到对飞机健康状态的实时监控,而来自这些监测盲点或盲区的故障,往往与某些飞行事故的发生有直接的关系。有分析指出:60%以上的机载故障不能实现自动检测和隔离,对飞机结构强度、疲劳度等机械性能的监测数据单一。不同机载系统甚至同一系统中设备的检测信息不能共享和融合,还不具备健康监测的实时性和全面性,尤其对检测电路检查不到的故障和检测电路本身的故障隔离难度大,虚警率高。(2)故障诊断能力不足监测所得的故障信息,一般为物理参量或状态参量,反映的是故障现象;只有通过分析故障现象,快速准确地查找故障原因,才能做出正确的反应与处置。从飞行实践看,从发现故障到飞机失事的时间往往只以分秒计算,相比之下,机上目

15、前的故障诊断能力明显不足。(3)缺乏故障预测和有效保障能力目前飞机的可测试性设计,服务于维修,重在故障检测,以便发现故障后及时修复,使飞机能尽快地重新执行任务;并未考虑如何及时发现隐患、预防故障,不具备故障预测能力。而有些人为忽视的隐患,在某种飞行条件下,一旦突发成故障,却会酿成机毁人亡的重大事故。当前机载系统只收集了飞行状态、飞行参数和部分故障检测结果,且采用事后人工收集与半自动化管理方式,尚未实现对飞机智能化、网络化和一体化的健康管理。虽然取消了航空电子系统的一级检测设备,但仍保留了飞发检测车、飞控检测车、飞参检查仪等几十种地面检测设备,维修保障规模仍较大。2?2?充分挖掘现有的飞参数据在

16、目前地面机务维护过程中,主要通过飞行参数对飞机机载系统进行监测。飞行参数包括了飞行通讯数据,飞机姿态信息,飞机各系统、发动机的运行状态数据,所以合理应用飞行数据,综合考虑数据采样率、数据传输率等问题,充分利用现有飞参数据,在飞机部件出现故障之前,通过监控其对应的飞行参数来判断该部件是否有故障或者故障趋势,从而及时为维修提供准确、丰富的故障信息,便于快速排除故障,这是一种较好解决在现役飞机应用 PHM 的方法。2?3?在现有机型加载 PHM 传感器由于现有飞机在设计时并未考虑到部件故障的预测功能,导致飞参数据无法监测一些关键部件的故障信息进行建模和分析。因此必须针对特定系统,加载 PHM 传感器

17、,进行故障数据的采集和处理。这样虽然避免了在整体上进行 PHM 系统的加改装,但也存在如下问题:(1)飞机作为一个完整的系统,在机上加装任何一个部件都需要经过严格的论证和检验,PHM 传感器的体积、重量和放置将会对飞机的承重和气动布局带来很大影响。(2)加载 PHM 传感器的放置。传感器的数目和位置选择对结构参数识别精度有较大的影响由于。一般来说,部件安放的传感器越多,所采集到的故障信息就越详细,故障识别精度就越好。但由于机载部件并没有预先留有位置,传感器的数量往往受到电缆布置,电磁干扰和部件健康状态等方面的限制,因此必须在确保自身功能实现的情况下并不破坏系统整体功能的基础上,深入研究传感器的

18、优化布置问题。(3)加载 PHM 传感器的通信。美军在 JSF 的 PHM 系统中通过卫星进行信息传输,得到了很好的验证。而采用蓝牙方式进行传输时,机上数据传输的实时性及安全可靠性并不能得到很好的保障。有线传输存在电缆连接复杂,安装使用不便等问题,将无线传感器网络技术应用于 PHM 系统的数据传输,不但可以省去大量电缆连接,便于安装,还有利于 PHM 传感器的优化部署。但是理论的假设和实际的应用还是存在很大的差距,飞机复杂电磁环境下无线通信中的电磁干扰对数据传输可靠性带来了很大影响。2?4?在新一代飞机设计中实现 PHM 系统我国新一代飞机的设计时就应把 PHM 系统作为飞机总体设计的一部分,

19、综合考虑其 PHM 传感器的安装、布局和通信问题,可以参照美军 JSF 战机上 PHM 系统的需求,依据我国新一代飞机自身的特点进行设计自身系统的实际需求,完成软?2062?第 9期杨?洲,等:飞机故障预测与健康管理应用模式研究硬件平台的设计,并建立相关算法进行实现。在设计过程中,将这一先进理念与 CBM 和 AL 相结合,进一步改善和提高新一代飞机维修保障性能。2?5?发展趋势PHM 系统作为未来我国飞机的主要系统,必定得到广泛的应用。目前的 PHM 技术主要呈现以下发展趋势:(1)综合化为了同时实现增加控制、减轻重量、节约成本、提高飞行安全的目的,伴随现代信息技术的巨大进步,飞机各系统PH

20、M 的综合化以及飞机健康管理与维修保障系统的综合化都有了一定程度的发展。(2)网络化由于飞机是一个多系统交联的复杂装备,为提高对疑难故障的诊断和预测速度和准确性,充分通过网络将现有系统链接,降低监测和诊断成本。(3)开放性开放系统体系结构要求采用模块化设计和公认的接口标准,提高了系统和部件的通用性,进一步缩短研制周期和降低寿命周期费用。3?基于 PHM 的自主保障系统构建本节构建了一种飞机 PHM 系统框架,并对重要环节进行了讨论。其中,PHM 系统作为飞机系统自身的一部分,为实现飞机自主保障提供故障预测与健康管理数据,并将决策信息传输给自主保障系统,由其制定维修计划,完成相关部件的调配,确保

21、飞机健康状态的完好性。3?1?PHM 系统构建一个典型的 PHM 系统构建主要分成 3 个模块,如图 1 所示。最底层是分布在飞机各子系统中的 PHM 传感器和监测设备;中间层是飞机 PHM 处理中心;顶层是管理层,包括飞机自主保障系统。图 1?飞机 PHM 系统构成框图由图 1 可以看出,PHM 系统一般由机载系统、地面系统以及与自主保障系统的接口组成,机载系统本身就是分布式系统,需要分布式计算的支持。而作为未来自主保障核心的PHM 系统,必然存在多系统之间的分布协作关系。因此,就需要采用开放性、模块化和标准化的设计实现方法,运用模块化设计、根据标准的、开放的接口连接各个功能部件,形成模块化

22、系统。下面对 PHM 系统主要模块的功能进行描述。3?1?1?数据采集模块飞机各系统关键部件状态参数的采集是实施故障预测和健康管理的前提,也是自主保障系统的基础。目前在设计新一代战机时,可在一些关键部件安装 PHM 传感器,大大降低传感器在飞机整体布局方面的困扰,为飞机 PHM 能力的实现创造基础条件。利用完善的机载检测设备和飞参记录仪对机上各子系统进行健康监控,为保证数据传输的可靠性和实时性,可采用机载总线传输,将采集到的数据传输到信号处理模块。3?1?2?信号处理模块飞机状态参数数量大种类多,必须将实际采集的状态参数统一转化为计算机可读的数据格式,通过提取故障特征信息来准确描述飞机运行的状

23、态,降低故障诊断与预测的复杂程度。由于先进战机系统交联复杂,故障形式多样,状态和原因之间往往是一种复杂的非线性映射。因此,必须借助多种智能融合算法,对飞机部件的多状态参数进行数据融合才能有效地推断飞机故障,最大限度地提高故障诊断、预测的能力和精度。3?1?3?诊断预测模块当前,故障预测方法主要有基于物理失效模型的方法,基于数据驱动的方法和融合的方法。面对不同的子系统,只有综合应用这些预测方法,并结合专家系统、支持向量机和模糊推理等智能算法,才能有效建立飞机的 PHM 系统,确保其预测功能的实现。3?1?4?分析决策模块PHM 系统的显著特征在于时效性,而现有系统只有当飞机返航后才能确定相关的维

24、修部件和维修计划。当 PHM 系统根据诊断预测结果进行分析作出决策后,自主保障系统在飞行过程中,就能完成故障隔离,预计失效时间,并安排必要的维修计划,在返航前就能通知地面安排维修任务。系统所具有的这种持续的状态监控、故障诊断和预测、分析决策能力能够有效降低并大幅减少飞机再次出动的时间。3?2?基于物联网的自主保障系统物联网(IOT,Internet of Things)是?传感网?在国际上的通称,是指将各种信息传感设备,如数据采集卡、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起来而形成的一个信息交互网络,其目的是让所有被关注的对象都与网络连接在一起,便于使

25、用和管理。本文设计的基于物联网的自主保障系统主要负责根据飞机PHM 系统发送的决策指令,确定需要维修或更换的部件,制定维修计划。它主要包括:外场、航修厂、产品生产部门和航材仓库等。为了有利于航材装备的管理,及时完成对更换设备的查找,可以在产品生产时就给每个产品加装一个唯一的RFID 标识,并在产品进入仓库时,进行扫描输入,组建基于物联网航材的管理系统,并为每一类产品制定相应的安装使用维护手册。这样一来,当飞机 PHM 形成维修决策后,查找最近的更换部件将其运抵维修现场,并将维护手册发送至外场维修人员的 PMA 中,外场维修人员可以根据手册迅速完成对部件的拆卸与安装。其系统具体运行过程如图 2

26、所示。3?3?CALS与 PHM 的关系20 世纪 80 年代美国国防部提出了计算机辅助后勤保障(Computer Aided Logistic Systems,CALS)。随着信息技术的飞速发展和应用的普及深入,在总结实施 CALS 经验的基础上,美国国防部于 20 世纪 90 年代中期将 CALS 的内涵发展为持续采办与全寿命支持(Continuous Acquisition and Life-cy-cle Support,CALS),并明确提出它的发展目标是营造集成数据环境,保证武器装备等复杂产品的研制生产质量,有效缩短(下转 2101页)?2063?第 9期骆光照,等:基于 LabVI

27、EW/WT 3000 的永磁电机参数实时测试系统行趋于稳定后,定子磁链估计值逐步收敛于 0?283Wb,与理论计算的定子磁链幅值 0?269Wb 基本一致,误差为 5%;定子电阻收敛于 27?0186m?,略高于给定值 27m?,并根据采集到的数据可进一步进行特征参数的分析及处理。为验证测量波形与数据的准确性,故同时用示波器测量电流波形。以 A 相 电流 为例,由于 PC 上 位机程 序直 接从WT3000读 取常 规数 据,因 此 A 相电流 的波 形及 数 据与WT3000完全一致;由实验可知,PC 上位机程序和示波器显示的 A 相电流波形一致,且由 PC 上位机程序读取的电流有效值为 1

28、2?78A,示波器读取的有效值为 12?61A,考虑到示波器采样分辨率及数据处理等方面的差别,数据误差在较小的范围内,表明了该系统的有效性及稳定性。6?结束语本文从永磁电机运行实时参数测试的实际需求出发,研究和开发了基于 LabVIEW/WT 3000 的电机特征参数实时测试系统。通过硬件和软件的优化组合,以合理的硬件配置实现了电机实时测试功能。经实际试用表明该系统特点突出,操作简单,使用方便,具有较好的实用性,能满足对永磁电机运行参数的实时测控。同时该系统可方便地进行硬件和软件扩展,以满足新型电机的测试要求,在实际应用中具有较高的应用参考价值。参考文献:1 王?安,彭志永,王学飞.基于虚拟仪

29、器的转辙机用电机测试系统 J.计算机测量与控制,2006,14(7):864-866.2 王书茂,祝青园,王卓君,等.基于校园网的电机转子试验台远程测控系统 J.中国农业大学学报,2007,12(3):89-92.3 姜风国.基于虚拟仪器的电机电参数测试 J.机电工程,2007,4(4):20-22.4 巫庆辉,邵?诚.基于 U-I 模型的感应电机定子磁链估计的仿真研究 J.系统仿真学报,2007,19(1):89-92.5 王成元,夏加宽,等.电机现代控制技术 M.北京:机械工业出版社,2006.6 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8?20 程序设计从入门到精通 M.北京:清华大学出版社,20

30、07.7 Minoru Kondo.Parameter Measurements for Permanent MagnetSynchronous Machines J .IEEJ T rans 2007,2:109-117.8 NationalInstruments.LabView7ExpressU serManual Z.2003.(上接 2063页)图2?自主保障系统运行图研制生产和故障修复周期,降低全寿命成本费用,提高维修保障服务水平8。运用 PHM 技术能够有效满足上述目标,CALS 是从装备管理层面论证了全寿命支持,而 PHM 则是从装备维修保障层面有效确保全寿命支持,但二者的目的是

31、一致的。而作为实施CALS 重要内容的交互化电子技术化手册(Interactive Elec-tronic Technical Manual,IETM)也是构建 PHM 系统、完成地面维修任务的必要因素。4?总结本文在深入分析我国飞机 PHM 应用模式的基础上,构建了一种飞机 PHM 系统框架,完成了对基于物联网技术的自主保障系统的设计。而如何对飞机 PHM 系统进行设计和验证,并与现有飞机 PHM 系统进行性能比较是作者未来研究的主要内容。参考文献:1 Stephen B.Johnson.Introduction to system health engineering andmanagem

32、ent in aerospace A.First Internetional Forum on Inte-grated System Health Engineering and Manag ement in Areospace C.2005.Napa,California,USA.2 Injong Rhee,Ajit Warrier,Jeongki Min,etc.DRAND:distributedrandomized T DMA scheduling for wireless ad-hoc networks C.Proceedings of the seventh ACM internat

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