劉銘光

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510403）

航空電氣設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理的研究

劉銘光

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510403）

基于對航空可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的需求，對航空電氣設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)越來越多地得到了重視與應(yīng)用，在國外的航空設(shè)備檢測技術(shù)中，故障檢測與健康管理技術(shù)已經(jīng)成為了核心技術(shù)。介紹了航空電氣設(shè)備故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)，針對航空典型電氣設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)建模的重點(diǎn)內(nèi)容，分析了航空電氣設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的整體預(yù)測過程、相應(yīng)應(yīng)用策略。

故障預(yù)測與健康管理；預(yù)測過程；應(yīng)用策略；航空電氣設(shè)備

0　前言

通過分析發(fā)現(xiàn)，對航空電氣設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測及健康管理，是預(yù)測飛機(jī)電氣系統(tǒng)履行其功能的能力，主要包括健康狀態(tài)、剩余壽命等。通過故障預(yù)測及健康管理技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)時提供電氣系統(tǒng)的健康狀態(tài)，準(zhǔn)確快速診斷與定位故障，預(yù)測故障和剩余壽命，為維修人員提供輔助決策支持，動態(tài)調(diào)度維修資源，實(shí)現(xiàn)空地一體的維修保障，從而減少地面維護(hù)和修理的停機(jī)時間，提高飛機(jī)的完好性、運(yùn)營效益和綜合保障性。

1　故障預(yù)測與健康管理綜述

航空電氣設(shè)備故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，簡稱PHM）。根據(jù)相關(guān)資料顯示，這一內(nèi)容主要包括“健康管理”和“故障預(yù)測”。健康管理是指在期望系統(tǒng)正常性能狀態(tài)下，航空電氣設(shè)備或電氣系統(tǒng)性能整體下降或是偏差的程度；故障預(yù)測是指通過對相關(guān)歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)，對于相關(guān)的系統(tǒng)功能進(jìn)行預(yù)測性的檢測。同時，相應(yīng)總線技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，故障預(yù)測以及健康管理技術(shù)綜合體系的形成在一定程度上得到了完善及提高。

2　針對航空典型電氣設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)建模

根據(jù)相關(guān)資料顯示，航空發(fā)電機(jī)的壽命縮短及性能的衰退，主要是跟發(fā)電機(jī)的機(jī)械磨損、定子繞組絕緣老化等物理故障現(xiàn)象有關(guān)。搭建航空發(fā)電機(jī)專用加速壽命試驗平臺，根據(jù)從發(fā)電機(jī)獲取輸入轉(zhuǎn)速、注油壓力、負(fù)載、頻率、電流、進(jìn)油溫度、出油溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力等多種壽命相關(guān)參數(shù)， 深入分析這些參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系與壽命變化規(guī)律， 設(shè)計壽命預(yù)測模型， 并運(yùn)用該模型對航空發(fā)電機(jī)壽命表征參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。通過分析發(fā)現(xiàn)，要建設(shè)有效的故障預(yù)測及健康管理系統(tǒng)，重點(diǎn)是對系統(tǒng)的特征信號提取、健康狀態(tài)預(yù)報、壽命預(yù)測與保障決策進(jìn)行分析和處理。根據(jù)現(xiàn)階段的實(shí)際發(fā)展情況，對以上組成部分進(jìn)行分析如下。

2.1特征信號提取

故障預(yù)測及健康管理關(guān)鍵是要從眾多信號中提取特征信號，提取應(yīng)用最廣泛是小波分析法。小波分析法是通過對檢測信號多分辨率的正交變換，采用多濾波器組的計算原理對頻域進(jìn)行細(xì)致分解，可以清晰、完備、更精細(xì)地凸顯故障特征。小波分析法還能夠根據(jù)不同的頻率組成部分對信號的整個細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)和處理，在一定程度上提高了信噪比以及信號的分辨率，極大地促進(jìn)了故障預(yù)測以及健康管理的發(fā)展。

2.2健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)

開發(fā)健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)各模塊的功能共享，如飛機(jī)發(fā)電機(jī)的健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)可與飛機(jī)發(fā)動機(jī)的“全權(quán)數(shù)字式發(fā)動機(jī)控制（Full Authority Digital Engine Control -FADEC）”結(jié)合起來，在集成的形式之下成為一個整體對待，能夠使系統(tǒng)滿足不同的功能需求 。兩者之間有著非常密切的聯(lián)系，兩者需要的參數(shù)（如發(fā)電機(jī)的電流、電壓、頻率等）大部分是相同的。

2.3健康狀態(tài)預(yù)告與剩余壽命預(yù)測模型

健康狀態(tài)預(yù)告與剩余壽命預(yù)測這一模型主要是對被檢測對象的整體狀態(tài)進(jìn)行整體的分析，并進(jìn)行統(tǒng)一分類，分類的主要標(biāo)準(zhǔn)有三個，一是正常；二是性能在一定程度上下降；三是失效。同時，這一系統(tǒng)還可以使用特征提取的形式對被檢測對象的整體狀態(tài)進(jìn)行分析以及識別。按照故障的識別方式可以將航空發(fā)電機(jī)的故障分為基于模型的預(yù)測法、基于知識的預(yù)測法、基于數(shù)據(jù)的預(yù)測法等。其中基于模型的預(yù)測要以航空發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與部件失效模型為基礎(chǔ)；基于知識的預(yù)測不需要精確的數(shù)學(xué)模型；基于數(shù)據(jù)的預(yù)測則數(shù)學(xué)模型與物理模型都不需要。

3　整體預(yù)測過程

通過分析發(fā)現(xiàn)，這一預(yù)測過程主要分為四個步驟，為了更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，在此，結(jié)合其實(shí)際情況，對其整體預(yù)測的過程進(jìn)行分析，其主要內(nèi)容如下。

3.1轉(zhuǎn)換估計

首先，我們要進(jìn)行的第一個步驟就是對隱馬爾可夫模型（hidden Markov model 簡稱HMM，是一種參數(shù)的估計推斷辦法）的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行整體估計，在估計的過程中，進(jìn)行整體狀態(tài)的轉(zhuǎn)換估計，為以下步驟的檢測打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2概率密度函數(shù)的獲得

在進(jìn)行隱馬爾可夫模型（HMM）參數(shù)估計的過程中，還要根據(jù)狀態(tài)周期的實(shí)際情況，進(jìn)行概率密度函數(shù)的獲得，我們之所以要進(jìn)行這一步驟，其主要原因在于要通過這一函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的計算，例如平均數(shù)以及偏差等。

3.3進(jìn)行結(jié)果分析

在這一步驟，系統(tǒng)要做的工作就是通過對相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類計算，進(jìn)而對其結(jié)果進(jìn)行處理，通過這些數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)整體健康狀態(tài)的獲得。

3.4壽命預(yù)測

這一步驟，系統(tǒng)主要工作是進(jìn)行壽命的預(yù)測，主要的方法是運(yùn)用迭代運(yùn)算。通過這一方法可以較為準(zhǔn)確的進(jìn)行使用壽命的預(yù)測，從而為航空電氣設(shè)備的使用安全打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

4　相應(yīng)應(yīng)用策略

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段在航空領(lǐng)域方面，PHM這一技術(shù)的應(yīng)用雖然發(fā)展十分快速，但在技術(shù)層面上，還存在一定的問題，這些問題在一定程度上影響到航空電氣設(shè)備的整體質(zhì)量提高及安全使用，為促進(jìn)其應(yīng)用水平的提高，在此，結(jié)合其實(shí)際情況，進(jìn)行相應(yīng)策略的提出，其主要內(nèi)容如下。

4.1飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

要不斷提高故障檢測水平，首先，我們要從飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控方面進(jìn)行分析。例如，我們可以針對單個的電氣系統(tǒng)的部件進(jìn)行PHM技術(shù)的提高，進(jìn)而與相應(yīng)的系統(tǒng)形成一定的匹配。通過這樣的方式，可以及時進(jìn)行部件或是系統(tǒng)運(yùn)行情況的檢測及分析，在進(jìn)行檢測的同時，還可將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并傳輸?shù)降孛骘w機(jī)維護(hù)人員，這為加強(qiáng)航空安全及維修能力提供有力的保障。

4.2應(yīng)用便攜式維修輔助設(shè)備

這一技術(shù)簡稱為PMA（Portable Maintenance Aid）。PMA可以為飛機(jī)上的相應(yīng)部件或是機(jī)電、電子系統(tǒng)進(jìn)行相互聯(lián)系，并進(jìn)行通信鏈的建設(shè)。通過這一技術(shù)，不僅可簡化工作流程，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)檢測與維修工作的相關(guān)監(jiān)控，還能實(shí)現(xiàn)相關(guān)飛行數(shù)據(jù)的下載。

4.3加強(qiáng)前線測試成套設(shè)備的研制

目前飛機(jī)維修保養(yǎng)是以更換或維修故障單元為主要工作方式，會造成特殊系統(tǒng)保障資源的浪費(fèi)，因此可通過開展維修級別分析、完善測試功能、合理分配和確定保障資源等方法補(bǔ)充 PHM技術(shù)的診斷能力和在線監(jiān)控性能。我們還應(yīng)積極進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，以提高可靠性及維修性，進(jìn)而為航空安全打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

5　總結(jié)

綜上所述，進(jìn)行故障預(yù)測及健康管理的研究，對于航空電氣設(shè)備的安全具有十分重要的意義。通過故障預(yù)測及管理技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠降低航空公司的運(yùn)行成本，還能極大地提高電氣設(shè)備及電氣系統(tǒng)的性能，大大提高其工作可靠性。故障預(yù)測和健康管理技術(shù)的開發(fā)與推廣已經(jīng)在歐美國家得到了重視，并有了較為顯著的成效。為了進(jìn)一步促進(jìn)其應(yīng)用水平的提高，結(jié)合實(shí)際情況，提出相應(yīng)解決策略，望能起到一定的借鑒作用。

［1］韓國泰.航空電子的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)［J］. 航空電子技術(shù)2009，03

［2］王瑩玉.基于LS_SVM的軍用航空發(fā)電機(jī)壽命預(yù)測研究［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報， 2010，08

［3］王少萍.大型飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)預(yù)測與健康管理關(guān)鍵技術(shù)［J］. 航空學(xué)報2014，06

［4］杜志興.航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測和健康管理技術(shù)［J］. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014，16：164.

［5］張棟善.航空裝備領(lǐng)域中故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的應(yīng)用分析［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2016，10：264.

［6］范守文，黃洪鐘，楊玻玻.機(jī)電產(chǎn)品容錯糾錯設(shè)計系統(tǒng)及其基本框架研究［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，07：1275-1281.

劉銘光，男（1962.10—），漢族，籍貫 廣東潮州，學(xué)士，講師，研究方向：電氣自動化控制；航空機(jī)電技術(shù)。

Research on Prognostics and Health Management of Aviation Electrical Equipment

Liu Mingguang
（Guangzhou Civil Aviation College，Guangzhou Guangdong510403）

Based on the needs of aviation reliability，safety and economy， more and more attention has been paid to prognostics and health management（PHM） technology of aviation electrical equipment，In the overseas aviation equipment inspection technology，prognostics and health management technology has become the core technology.aviation electrical equipment prognostics and health management technology are introduced in this paper，aimed at key content of aviation typical electrical equipment prognostics and health management system modeling，analysis of the aviation electrical equipment prognostics and health management technology of overall prediction process， the application strategy.

prognostics and health management（PHM）；prediction process；the application strategy；aviation electrical equipment