孫瑋琢

（91550部隊(duì)，遼寧大連，116000）

基于D-S證據(jù)理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷方法

孫瑋琢

（91550部隊(duì)，遼寧大連，116000）

飛機(jī)飛行安全依托于航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷。立足于故障診斷信息的收集與融合機(jī)理，基于D-S證據(jù)理論，從識(shí)別框架構(gòu)建、信任函數(shù)指派、故障征兆數(shù)據(jù)融合和故障模糊診斷四大方面進(jìn)行了研究，并加以試驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析表明：該方法能夠準(zhǔn)確診斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障并將其控制在萌芽狀態(tài)，克服了故障征兆和故障原因之間的盤根錯(cuò)節(jié)關(guān)系，使我國(guó)航空技術(shù)安全水平邁向了新高度。

D-S證據(jù)理論；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；早期故障；數(shù)據(jù)融合

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是為飛機(jī)飛行提供動(dòng)力的源泉，其正常運(yùn)行對(duì)飛機(jī)安全飛行具有深遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義。在發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷過(guò)程中，也就是在發(fā)動(dòng)機(jī)還未造成事故前，就檢測(cè)出故障并解決，是提高飛機(jī)飛行安全性和可靠性的根本，同時(shí)也為維修計(jì)劃的制定和發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的延長(zhǎng)提供幫助?；贒-S證據(jù)理論（以下簡(jiǎn)稱證據(jù)理論）的航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷（以下簡(jiǎn)稱早期故障診斷）就是一種非常重要的方法。早期階段的發(fā)動(dòng)機(jī)故障特征非常不明顯，而且具有很強(qiáng)的不確定性，僅僅通過(guò)單一特征很難判斷出故障有無(wú)。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且具有很多傳感裝置，使得故障檢測(cè)更加困難。本文以此為突破口深入展開(kāi)分析。

1 故障診斷信息的收集與融合機(jī)理

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在早期故障診斷過(guò)程中，要對(duì)故障信息進(jìn)行收集、融合，并深入分析，從而得到更加精確的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)其是否存在早期故障，以便維修人員能夠第一時(shí)間進(jìn)行維修。其實(shí)在故障診斷過(guò)程中，收集和融合故障信息的主要目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的潛在信息，從而把故障控制在萌芽狀態(tài)，以提高飛機(jī)飛行安全性和可靠性。

收集和融合在不同的診斷級(jí)別中有不同的應(yīng)用。通常故障診斷有三個(gè)級(jí)別：

（1）傳感器參數(shù)的收集和融合。這是航空發(fā)電機(jī)最常用故障診斷方式之一。傳感器參數(shù)包括：潤(rùn)滑油的壓力值、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口的溫度值等。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)故障征兆的融合。是指從發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)立結(jié)構(gòu)中的得到運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)信息。運(yùn)行狀態(tài)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)線圈等零部件性能的變化，這也是本文主要研究的話題。

（3）決策級(jí)別的信息收集和融合。是指對(duì)收集和融合的信息進(jìn)行分析決策，例如：發(fā)動(dòng)機(jī)受損程度的評(píng)估，以及相應(yīng)維修策略的制定。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和普通發(fā)動(dòng)機(jī)有很大區(qū)別。航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，信號(hào)比較弱，而且具有很強(qiáng)的不確定性和隨機(jī)性。在實(shí)際早期故障診斷過(guò)程中，為獲得準(zhǔn)確故障信息，需要把很多傳感器的數(shù)據(jù)融合為一體進(jìn)行診斷。在這一過(guò)程中使用最多的方式就是傳統(tǒng)的貝葉斯理論，但需要大量數(shù)據(jù)信息作為支撐。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)復(fù)雜性使得貝葉斯理論在應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常遇到很多難以克服的問(wèn)題，比如：貝葉斯理論需要大量的運(yùn)算，很難獲得先驗(yàn)概率以及相關(guān)概率的密度函數(shù)，也就無(wú)法形成統(tǒng)一的判別函數(shù)，大大降低了早期故障診斷的準(zhǔn)確性。而證據(jù)理論是在貝葉斯理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，通過(guò)概率分配函數(shù)來(lái)表示早期故障的假設(shè)，再通過(guò)相應(yīng)的信任函數(shù)表示證據(jù)的不確定性，從而區(qū)分命題的不確定性，獲得更加精確的早期故障特征。

2 基于D-S證據(jù)理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷模型

2.1 識(shí)別框架的構(gòu)建

顧名思義，D-S證據(jù)理論是由Dempster于1976年提出，由Shafer于1976年完善而形成的，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障征兆的融合開(kāi)創(chuàng)了先河?；贒-S證據(jù)理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷模型，首先要構(gòu)建相應(yīng)的識(shí)別框架。但是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，為了提高故障診斷準(zhǔn)確性，需要安裝大量的傳感器檢測(cè)各個(gè)零部件的運(yùn)行狀態(tài)，把其所有的故障征兆都作為證據(jù)理論的基礎(chǔ)框架，以很大程度上提高準(zhǔn)確性。例如，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上的振動(dòng)傳感器要進(jìn)行一定假設(shè)，即一倍工頻、二倍工頻、最低工頻和最高工頻作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障的針對(duì)假設(shè)，把所有能夠反應(yīng)早期故障的征兆收集到一起進(jìn)行分析。

設(shè)構(gòu)建的識(shí)別框架為

其中，q0表示征兆的空集，q1表示第1個(gè)故障征兆，q2表示第2個(gè)故障征兆，依次類推。通過(guò)建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障征兆的冪集，可保證故障診斷順利準(zhǔn)確地進(jìn)行[1]。

2.2 基本信任函數(shù)指派

當(dāng)識(shí)別框架建立完成后，根據(jù)相應(yīng)總結(jié)的數(shù)據(jù)建立信任函數(shù)。這一過(guò)程中，假設(shè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)有N個(gè)傳感器，但故障總共有M個(gè)，而且每個(gè)傳感器上的故障征兆都不相同，相互之間也沒(méi)有影響，這就需要在每個(gè)傳感器上都建立一個(gè)故障征兆向量[2]。令

其中，x表示一個(gè)測(cè)量周期中航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生早期故障征兆的參數(shù)，也就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。x1表示傳感器中第1個(gè)故障征兆的相應(yīng)數(shù)值，也就是此零部件上發(fā)生早期故障的原因。m表示發(fā)動(dòng)機(jī)中總共發(fā)生故障的數(shù)目，如果發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有正常運(yùn)行狀態(tài)，且沒(méi)有相應(yīng)故障發(fā)生，此時(shí)x的數(shù)值就是0。例如，某航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)信號(hào)中x1表示了D-S證據(jù)理論中假設(shè)的一倍工頻，x2表示了二倍工頻，但是傳感器在測(cè)量過(guò)程中不能檢測(cè)到故障頻率，那么就說(shuō)明此發(fā)動(dòng)機(jī)能夠保證飛機(jī)正常飛行。通過(guò)上文分析，可以用矩陣來(lái)表示相應(yīng)關(guān)系：

例如，snm表示航空發(fā)動(dòng)機(jī)第n個(gè)傳感器上第m個(gè)故障征兆的數(shù)值，當(dāng)snm數(shù)值等于0時(shí)，就表示不存在故障[3]。

2.3 故障征兆數(shù)據(jù)融合

矩陣S中的數(shù)值是通過(guò)證據(jù)理論而獲得的，那么在故障征兆數(shù)據(jù)融合工程中，就需要通過(guò)兩兩融合的方式，提高早期故障診斷的準(zhǔn)確性，從而獲得傳感器中最大的，而又最后的征兆向量

其中t1表示融合后得到的第1個(gè)故障征兆的總信任指派函數(shù)，通過(guò)證據(jù)理論的融合，T包含了所有傳統(tǒng)傳感器的故障征兆信息，如圖1所示。

圖1 故障征兆數(shù)據(jù)融合過(guò)程

2.4 故障模糊診斷

在基于證據(jù)理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷過(guò)程中，需要利用相應(yīng)的故障征兆向量和模糊關(guān)系進(jìn)行矩陣乘積，獲得航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障的發(fā)生原因，進(jìn)而獲得真實(shí)原因。航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障征兆向量在識(shí)別框架構(gòu)建、基本信任函數(shù)指派、故障征兆數(shù)據(jù)融合過(guò)程中已經(jīng)明確得出，而通常情況下還需要整理航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、總結(jié)檢修經(jīng)驗(yàn)，從而得到模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行相應(yīng)的理論分析。這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)需要通過(guò)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行確定，這樣證據(jù)理論不但保證了其通用性，還能把航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行充分體現(xiàn)。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)非常重要，而又和普通發(fā)動(dòng)機(jī)有本質(zhì)區(qū)別，所以一個(gè)故障可能產(chǎn)生很多故障征兆，一個(gè)征兆又可能由不同的故障原因而引起，所以關(guān)系盤根錯(cuò)節(jié)[4]。

3 數(shù)值計(jì)算和結(jié)果分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的錯(cuò)綜復(fù)雜，使得故障征兆、故障原因分析難度也大大增加。通過(guò)融合大量文獻(xiàn)的思想，對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算。取某個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的3個(gè)傳感器信號(hào)作為主要的計(jì)算源信號(hào)，這3個(gè)傳感器故障征兆分別為1倍頻幅值（s1）、2倍頻幅值（s2）和6倍頻幅值（s3）。所測(cè)數(shù)據(jù)特征值如表1所示，并由圖2直觀顯示。

表1 傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)特征值

圖2 各故障征兆下各傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)特征值

從圖2圖表不難看出，不同的故障征兆對(duì)應(yīng)著不同的故障原因，查詢相關(guān)技術(shù)手冊(cè)得知，故障原因分別是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸不對(duì)中（h1），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸和軸承偏心（h2）及轉(zhuǎn)子軸承剛度不相等（h3）[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷對(duì)保障飛機(jī)的飛行安全有著非常重要的作用，必須加以重視，把相應(yīng)故障控制在萌芽當(dāng)中。本文通過(guò)融合大量相關(guān)文獻(xiàn)思想，對(duì)基于D-S證據(jù)理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障診斷進(jìn)行了深入分析，希望對(duì)提高我國(guó)航空業(yè)安全技術(shù)水平有一定幫助。

[1]胡金海, 余治國(guó), 翟旭升, 等. 基于改進(jìn)D-S證據(jù)理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障決策融合診斷研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2014, 35(2): 436-443.

[2]翟旭升, 胡金海, 謝壽生, 等. 基于DSmT的航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期振動(dòng)故障融合診斷方法[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2012, 27(2): 301-306.

[3]吳婭輝, 李新良, 張大治. 基于D-S證據(jù)理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障分析[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件, 2012, 29(6): 105-108.

[4]郝騰飛, 陳果, 廖仲坤, 等. 基于正則化多核判別分析的航空發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)軸承早期故障融合診斷方法[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2013, 28(12): 2759-2770.

[5]胡金海, 夏超, 彭靖波,等. 一種基于相鄰模塊化加權(quán)D-S的融合診斷方法[J]. 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(4): 1174-1183.

Diagnosis Method on Incipient Faults of Aeroengine based on D-S Evidence Theory

SUN Wei-zhuo
(91550 Forces, Dalian, Liaoning,116000, China)

Safety of aircraft flight depends on diagnosis on incipient faults of aeroengine. Based on mechanisms of collection and fusion of fault diagnosis information as well as D-S evidence theory, Research and validations are carried out from four aspects such as establishment of frame of discernment, assignment of belief function, fusion of fault symptom data and diagnosis of fuzzy fault. The data analysis shows that, such a method can accurately diagnose the incipient faults of aeroengine and control them in the bud, overcoming the perplexing relations between the symptom and cause of fault, which leads the technology of aviation safety level in China to a new level.

D-S Evidence Theory; Aeroengine; Incipient Fault; Data Fusion

V241.7

A

2095-8412 (2016) 06-1281-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.062

孫瑋琢(1982-)，男，河北唐山人，工程師。研究方向：裝備可靠性評(píng)估。