摘要:目前,飛機系統(tǒng)的設計環(huán)境正面臨復雜性、綜合化、智能化等的挑戰(zhàn),對民用飛機系統(tǒng)的故障預測與健康管理系統(tǒng)的研究就顯得極其重要,本文從故障預測與健康管理(PHM)的內涵以及主要功能著手,提出了飛機PHM系統(tǒng)的設計模型與注意事項。
關鍵詞:飛機系統(tǒng) 故障預測與健康管理 故障診斷 系統(tǒng)設計
1 故障預測與健康管理(PHM)系統(tǒng)的基本內涵
預測與健康管理PHM(Prognosties and Health Management)技術的主要原理是利用先進的傳感器技術對系
統(tǒng)性能相關的參數(shù)進行捕獲、收集、記錄,然后將這些特征參數(shù)與期望的狀態(tài)值進行對比,再使用智能算法和模型對所收集的數(shù)據(jù)和信息進行檢測、分析、預測和調整,從而通過這一系列活動來確保整個系統(tǒng)或設備的工作狀態(tài)運行良好。一般具備如下功能[1]:故障檢測、故障隔離、故障診斷、故障預測、健康管理和壽命追蹤。
這類技術主要包括兩個方面的內容:
一是故障預測(prognostics),即提前對部件或系統(tǒng)工作的狀態(tài)進行檢測,及時對故障隱患進行檢測預警,具體而言一般包括確定部件或者系統(tǒng)的剩余壽命或正常工作的時間長度。
二是健康管理(health management),這里所謂的健康是一個專業(yè)術語,PHM系統(tǒng)中的健康指的是實際狀態(tài)下的機器設備性能與理想正常性能狀態(tài)之間的偏差程度,健康管理則指根據(jù)診斷或者預測所得到的結果,根據(jù)可用資源和使用需求對維修活動進行決策。目前,PHM技術已經被廣泛應用于機械結構產品中,比如核電站設備、制動裝置、發(fā)動機、傳動裝置等。
PHM技術使得事后維修或定期維修策略發(fā)生了變化,而這種更方便更安全的轉變能夠為現(xiàn)實裝備保障帶來多方面功能的提升[2]:提供系統(tǒng)失效的高級告警;提供視情維護能力;能夠為將來的設計、評估和系統(tǒng)分析獲得歷史數(shù)據(jù)及知識;通過維護周期的延長或及時的維修活動提高系統(tǒng)的可用性;通過縮減檢查成本、故障時間和庫存,降低全壽命周期的成本;減少間歇性故障和無故障發(fā)現(xiàn)的發(fā)生。
2 故障預測與健康管理(PHM)系統(tǒng)的組成部分
通常情況下,PHM系統(tǒng)的構成主要有以下六個部分組成,但是各部件之間并沒有完全明顯的界限,而是彼此之間存在著數(shù)據(jù)信息的交叉和反饋,從而形成一個彼此聯(lián)系的有機整體。
2.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸。該部分是PHM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎,主要利用各種傳感器對整個系統(tǒng)進行檢測,采集整個系統(tǒng)的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù),并通過傳輸系統(tǒng)傳入PHM系統(tǒng)內,將所收集到的數(shù)據(jù)有效轉換成可以進行參考和作出決策的信息。
2.2 信息歸納處理。接收從傳感器或其他數(shù)據(jù)處理模塊上所產生的信號和數(shù)據(jù),將這些信號或者數(shù)據(jù)按照一定的格式進行處理,以便用于進一步的健康評估和后續(xù)零件的故障預測,這一部分產生的輸出結果主要采取以下形式:經過濾、壓縮簡化后的傳感器數(shù)據(jù),頻譜數(shù)據(jù)以及其它特征數(shù)據(jù)等。
2.3 狀態(tài)監(jiān)測。該部分接收從傳感器或者其他處理數(shù)據(jù)模塊中產生的數(shù)據(jù)和信號,然后將這些數(shù)據(jù)與預定的失效判據(jù)的進行比較來判定此時狀態(tài)下的系統(tǒng)安全性,并根據(jù)預定的閾值和各種參數(shù)的極限值的設定具有故障報警功能。
2.4 健康評估。這一部分接受來自不同狀態(tài)監(jiān)控模塊和其他健康評估模塊傳出的數(shù)據(jù)和信號,以各種健康狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)參數(shù)和維修歷史記錄等為參考來評估判定被監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀態(tài),具有產生故障診斷數(shù)據(jù)和確定失敗可能性的作用。
2.5 故障預測決策。該部分實現(xiàn)了PHM系統(tǒng)管理的功能,大體思路是首先接受來自狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預測部分產生的各類信號和數(shù)據(jù),然后根據(jù)所收集的信號對零件更換以及維修活動提出修改措施,從而確保被測系統(tǒng)能夠在發(fā)生故障之前及時進行維修,避免了故障事故的發(fā)生。
2.6 接口。該部分主要分為人-機接口和機-機接口兩大類,其中人-機接口包括狀態(tài)監(jiān)測模塊的警告信息顯示以及健康評估、預測和決策支持模塊的數(shù)據(jù)信息的表示等,機-機接口使得上述各模塊之間以及PHM系統(tǒng)同其它系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息可以進行傳遞交換。
3 故障預測與健康管理(PHM)系統(tǒng)的設計分類
在設計民用飛機的PHM系統(tǒng)時,可以參考以下三類PHM模型然后結合實際進行設計。
3.1 基于模型的故障診斷與預測。依據(jù)對象系統(tǒng)的故障特征與模型參數(shù)有著相近或緊密聯(lián)系的特性,基于模型的故障診斷與預測的技術能深入飛機的整體系統(tǒng)的本質和具有實時的故障預測功能,其所依據(jù)的故障診斷與預測技術的整體系統(tǒng)是經過大量實驗數(shù)據(jù)驗證過的,因此通常所產生的數(shù)據(jù)和決策比較真實、可靠。
3.2 基于狀態(tài)信息的故障診斷與預測。這一設計的原理是通過對飛機上各類設備的工作狀態(tài)和工作環(huán)境采取實時監(jiān)測的措施,并借助人工智能等先進的計算訪求技術,來診斷、預測和合理安排設備未來的維修調度時間,從而可以有效降低設備的全壽命周期費用,進一步增加設備的穩(wěn)定性,從一定程度上可以減少檢修或診斷的耗費。
3.3 基于知識的故障診斷與預測。這一設計不需要精確的數(shù)學模型,而是有效的利用相關領域專家的經驗知識來進行設計,雖然目前還不夠成熟,但是卻是很有前景的方法。通常情況下,一般將這一設計技術與其他技術相結合使用進行設計,可以獲得更好的設計效果。
4 故障預測與健康管理(PHM)系統(tǒng)設計中的問題與設計思路
4.1 不確定性。在對電子產品進行故障預測,不確定性的存在會影響預測精度的提高,因此就需要對不確定進行分析和研究,不確定性的來源有很多方面的原因,比如儀器測量不可能完全和正確結果高度一致、各種參數(shù)本身存在的不確定性、失效評價標準所需的評價環(huán)境和狀態(tài)無法保持不變、未來使用的不確定性、定量評估模型的不確定性、維修決策有時難以制定。而減少不確定性的根本方法就是要盡量限制產生不確定性的來源,通常情況下所采用的有效方法是增強傳感器測量、改善制造程序、優(yōu)化損傷模型等。
4.2 間歇失效。間歇失效指的是一種特殊的失效形式,主要有三方面的表現(xiàn):不能鑒定的失效、未來不能復現(xiàn)的失效、特殊的失效模式和失效機理。其中不能復現(xiàn)的故障(CND)占到航電產品故障比例的40%-85%。隨之便要產生高額的維修費,產生這種失效方式的原因主要有兩個:一個是電子產品檢驗的時間不夠充分,使得不合格產品未能被淘汰掉而被當做正品使用。另一個是載信號連接器連接點上存在腐蝕所致,這類原因比較普遍,但目前還無更好的方法來削弱失效的影響。
4.3 潛在的失效源。任何一個飛行器都是由成千上萬個電子產品構成的,而這些電子產品又是由大量電子元件構成的,由于每一個元件可能具有多個可測量的性能參數(shù),而這些性能參數(shù)彼此可能存在著很大的差異和區(qū)別,并且不同元件之間往往具有非常復雜的性能相關性,因此導致電子元件上具有大量潛在的失效源。
4.4 傳感技術存在局限性。在飛機上的故障預測與健康管理系統(tǒng)中,為了確保時時掌控飛機的運行狀況,就需要連續(xù)監(jiān)測各類器件的壽命周期載荷,但是目前的傳感技術卻還無法達到這種要求,另外傳感系統(tǒng)的安裝空間受到電路板大小的限制,通常情況下,電子板的空間會小于傳感器的尺寸,而且安裝到電子產品中的傳感器還可能與電子產品的性能互不兼容,甚至彼此會產生不利的影響。
在進行PHM設計時一般按照以下思路進行,首先要根據(jù)正確合理的標準選擇監(jiān)測部件,確定監(jiān)測參數(shù),然后可以將各類設計方法有機統(tǒng)一起來,以提高設計的科學性、安全性和準確性。另外在進行設計之前要注意收集飛機主要系統(tǒng)的各項歷史數(shù)據(jù),運用數(shù)據(jù)處理技術對這些歷史數(shù)據(jù)進行提取總結分析,便于對整個設計過程進行參考。
參考文獻:
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作者簡介:
石湘(1963-),男,湖南邵陽人,工程師,研究方向:電器設備。