黃 俊，顧嘉旭

（1.中國民用航空上海適航審定中心，上海 200335；2.上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，上海 200241）

自20世紀(jì)90年代引入飛機(jī)健康管理（AHM，aircraft health monitoring）技術(shù)以來，隨著民用航空器自動化和智能化的不斷發(fā)展，各系統(tǒng)安裝了大量傳感器，并建立起基于空地雙向數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實時監(jiān)控與健康管理系統(tǒng)，可實時收集飛機(jī)的狀態(tài)信息，并及時獲取飛機(jī)的健康狀態(tài)，對飛機(jī)全壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)進(jìn)行管理[1-2]。

AHM 理念和技術(shù)源于20世紀(jì)美國軍方提出的故障預(yù)測與健康管理（PHM，prognostics and health management），并逐步發(fā)展為新的基于狀態(tài)的維修[3]（CBM，condition-based maintenance），也形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)體系，如開發(fā)系統(tǒng)聯(lián)盟（OSA，Open System Alliance）、美國汽車工程師學(xué)會（SAE，Society of Automotive Engineers）、電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）等[4-5]，并都發(fā)布了各自的標(biāo)準(zhǔn)，包含系統(tǒng)架構(gòu)、核心算法、平臺規(guī)則等?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的健康管理技術(shù)和平臺，有效增強(qiáng)了飛機(jī)的安全性、可用性和運行經(jīng)濟(jì)性。

圍繞健康管理技術(shù)，大型裝備制造商和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了大量研究。工業(yè)界主要聚焦于健康管理系統(tǒng)的模型搭建和系統(tǒng)算法，特別是OSA 提出的OSACBM 和OSA-EAI 標(biāo)準(zhǔn)[6]，在工業(yè)界獲得了廣泛認(rèn)可，其中發(fā)動機(jī)健康管理技術(shù)開發(fā)案例最為成功，基本完成了“標(biāo)準(zhǔn)制定[7]和具體應(yīng)用[8]”，且獲得了實際收益。在民航業(yè)方面，直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS，helicopter health &usage monitoring accelerometers）已在直升機(jī)上廣泛應(yīng)用，并初步實現(xiàn)故障監(jiān)測、診斷預(yù)測及維護(hù)決策的集成化和智能化[9]。波音、空客等制造商提供的飛機(jī)健康管理平臺（如AHM、AIRMAN 等）通過空地數(shù)據(jù)鏈，在地面對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和自動分析，實現(xiàn)故障監(jiān)測和趨勢預(yù)測，一定程度上彌補(bǔ)了飛機(jī)設(shè)計的缺陷，提升了維修效能[10-12]。同時，新的維修理念也影響到了維修計劃的制定，基于健康管理系統(tǒng)，并結(jié)合維修任務(wù)基本屬性，可更科學(xué)合理地安排維修準(zhǔn)備和維修任務(wù)，降低維修成本[13]。

眾所周知，完整的維修鏈包括維修方案分析與制定、維修計劃與安排和維修實施。從目前的行業(yè)實踐來看，AHM 技術(shù)應(yīng)用主要停留在維修實施層面和部分維修計劃方面，借助狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測技術(shù)，在計劃準(zhǔn)備和故障排除方面發(fā)揮了作用。而作為源頭的維修方案分析與制定，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章的具體指導(dǎo)，尚未與AHM 技術(shù)充分融合。目前，MSG-3 是國際上主流的維修方案分析方法，其作為預(yù)防類維修理念的代表，在保證安全性的同時，并兼顧了運行性和經(jīng)濟(jì)性[14]。但從實際情況來看，MSG-3 更多依靠工程判斷和運行經(jīng)驗，存在一定的局限性，如在初始制定階段沒有確切的可靠性數(shù)據(jù)支持，導(dǎo)致檢查類任務(wù)往往采用偏保守的檢查間隔，在執(zhí)行大量任務(wù)時沒有發(fā)現(xiàn)故障，存在過度維修。而在飛機(jī)取證運行后再試圖調(diào)整維修方案，往往需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及嚴(yán)格的分析過程，實施難度極大。因此，迫切需要從源頭，即在MSG-3 分析過程中融入AHM 理念，從而降低維修任務(wù)量，提高維修經(jīng)濟(jì)性。

基于MSG-3 和相關(guān)國際規(guī)范，解讀AHM 相關(guān)分析邏輯的技術(shù)要點和具體步驟，并識別制定飛機(jī)維修計劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，明確前提條件和實施要求，在計劃維修要求的分析制定中融入AHM 理念的具體方案，為航空器制造廠家在型號研制中深度應(yīng)用AHM 方案提供了技術(shù)路徑及實施方案，也為局方開展相關(guān)適航審定明確了審查要點。

1 AHM 理念與MSG-3 的融合

飛機(jī)健康管理技術(shù)經(jīng)歷了模擬信號階段、健康監(jiān)測階段和健康管理階段的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了相當(dāng)規(guī)范和成熟的體系，并已在大型裝備制造中得到廣泛應(yīng)用[3]，相關(guān)行業(yè)也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如SAE、IEEE等），典型的健康管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型的飛機(jī)健康管理系統(tǒng)Fig.1 Typical AHM system

AHM 技術(shù)在民航領(lǐng)域的大量應(yīng)用和初步實踐，也證明其能有效提高行業(yè)的智能化和數(shù)字化水平，提高效率并降低成本，對運行和維修產(chǎn)生了深刻的影響。隨著AHM 技術(shù)的發(fā)展完善和逐步成熟，其理念開始影響傳統(tǒng)的計劃維修大綱制定（基于MSG-3），新的“視情維護(hù)”成為行業(yè)內(nèi)民機(jī)維護(hù)的發(fā)展方向，IP180[15]的討論和發(fā)布就是順應(yīng)了這一現(xiàn)狀。

國際維修審查委員會政策委員會（IMRBPB，International Maintenance Review Board Policy Board）成立于1994年，成員由最初的歐洲聯(lián)合航空局、美國聯(lián)邦航空管理局和加拿大民用航空局?jǐn)U大至目前包括中國民用航空局在內(nèi)的9 家局方。其宗旨是為各型號的維修審查委員會（MRB，Maintenance Review Board）提供政策、程序和指導(dǎo)，促進(jìn)MRB 與局方的協(xié)調(diào)，倡導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化的MRB 政策和程序（包括MSG-3 的持續(xù)修訂）。IMRBPB 每年舉行會議，討論各國MRB 活動中遇到的技術(shù)與管理問題，這些問題以候選問題紀(jì)要（CIP，candidated issue paper）形式提交，批準(zhǔn)后生成IP（issue paper），其內(nèi)容會體現(xiàn)在下一版本的MSG-3 文件中。

為符合市場和技術(shù)的發(fā)展形勢，2016年，IMRBPB成立專門工作組，成員包括各國局方、主制造商、發(fā)動機(jī)廠商、航空公司等，研究將AHM 理念融合到MSG-3流程中。經(jīng)過多輪討論，2018年4月IMRBPB 通過了IP 180[15]，在目前MSG-3 兩層分析邏輯的基礎(chǔ)上增加第3 層分析，對具備AHM 能力的系統(tǒng)按需生成AHM 任務(wù)，替代傳統(tǒng)的定期檢查任務(wù)。IP180 計劃正式加入MSG-3 2021 版本中。

2 IP180 介紹

2.1 現(xiàn)有MSG-3 版本中的系統(tǒng)/動力部分分析邏輯

自20世紀(jì)80年代MSG-3 誕生及發(fā)展以來，系統(tǒng)/動力部分包含兩層分析邏輯，第1 層分析包括：重要維修項目（MSI，maintenance significant item）的選擇，功能、功能失效、失效影響、失效原因的劃分及功能失效類別的判斷；第2 層分析即任務(wù)的選擇。具體分析流程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有MSG-3 流程Fig.2 Logic diagram of MSG-3

2.2 IP180 對MSG-3 修訂內(nèi)容

IP180 在現(xiàn)有MSG-3 兩層分析的基礎(chǔ)上引入第3層分析，專門用于判斷AHM 系統(tǒng)對于故障原因的適用性和有效性。類似于兩層分析中任務(wù)的選擇步驟，第3 層分析通過3 個步驟的問題逐一詢問，判斷基于AHM 系統(tǒng)能否產(chǎn)生替代或部分替代傳統(tǒng)檢查任務(wù)的 AHM 備選方案或混合方案，具體邏輯如圖3所示。

圖3 IP180 邏輯圖Fig.3 Diagram of IP180 logic

2.3 IP180 的缺陷及實施面臨的困難

IP180 的分析邏輯解決了具有AHM 能力的系統(tǒng)以視情維護(hù)任務(wù)替代按固定間隔執(zhí)行的例行任務(wù)，符合當(dāng)前技術(shù)和理念的發(fā)展趨勢，得到了行業(yè)內(nèi)的廣泛支持。但I(xiàn)P180 還面臨較大缺陷，即缺少對AHM 能力的定位和具體評定方法，這是將其融合進(jìn)MSG-3 中的前提，也是IMRBPB 會上爭論的焦點。雖然IP180 對此有提及，但僅限于概念和方向，缺少實質(zhì)性指導(dǎo)，工業(yè)方和局方也沒有達(dá)成完全共識，IP180 在實施過程中面臨無法落地的困境。

3 AHM 應(yīng)用與實施方案建議

由對IP180 文件的介紹可看出，IP180 的核心前置要求是一套合理可靠的AHM 系統(tǒng)。因此，在采用IP180 進(jìn)行MSG-3 分析前，必須解決AHM 能力的定位和評定標(biāo)準(zhǔn)，涉及機(jī)載系統(tǒng)、空地傳輸鏈和地面分析/監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 AHM 能力定位

IP180 中對AHM 的定義如下：使用飛機(jī)特定系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)來監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)和對故障或功能退化進(jìn)行探測，以及時安排維護(hù)行動（通常包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)分析和安排維修）。

從定義中可以看出，AHM 能力不直接支持航空器的日常飛行，其是實現(xiàn)飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)健康監(jiān)控與管理的一套綜合系統(tǒng)，包含機(jī)載和地面部分，且都由硬件和軟件組成，還需要空地數(shù)據(jù)鏈的支持與配合。

3.2 AHM 能力評定

由于AHM 能力的評定是實施IP180 分析邏輯的前提和重要條件，結(jié)合AHM 的定義和定位，建議從以下幾個方面進(jìn)行評定。

3.2.1 機(jī)載系統(tǒng)

AHM 的機(jī)載系統(tǒng)可分為兩大類方案：①基于現(xiàn)有飛機(jī)機(jī)載設(shè)備和傳感器的AHM 數(shù)據(jù)采集方案；②加裝或改裝為獨立的AHM 系統(tǒng)。這兩套方案的共同需求是能夠提供滿足AHM 工作所需要的數(shù)據(jù)以供航空器運營人進(jìn)行監(jiān)控和分析，且所有設(shè)備均需經(jīng)過局方認(rèn)可。在設(shè)計階段，方案①屬于將AHM 能力融入系統(tǒng)，只需依照所屬系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估，提取關(guān)鍵要素并說明具體的使用情況；而方案②由于是獨立系統(tǒng)，航空器在運行過程中不會直接使用到該系統(tǒng)，因而其可靠性要求可稍低于前者，但由于AHM 系統(tǒng)影響了維修大綱的制定，間接影響到了飛機(jī)適航性，應(yīng)參考文獻(xiàn)[16]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計，且需要進(jìn)行獨立評定，從功能的完整性、可靠性、冗余性等方面完成相關(guān)報告或試驗。綜合來看，方案①因無需增加額外設(shè)備而更易實施，也更易被局方接受。兩種方案具體圖例如圖4所示。

圖4 AHM 框架Fig.4 Framework of AHM

3.2.2 空地傳輸鏈

方案①由于并不是獨立系統(tǒng)，空地通訊需要依附于已有的機(jī)載設(shè)備?，F(xiàn)今，越來越多的飛機(jī)開始配備機(jī)載WIFI 設(shè)備，并基于陸地基站和衛(wèi)星開展通訊，能夠提供較大的帶寬，但數(shù)據(jù)連接的穩(wěn)定性和延遲問題得不到有效解決，且在帶寬并不特別富裕的情況下，當(dāng)乘客或AHM任意一方數(shù)據(jù)傳輸量突發(fā)峰值都有可能導(dǎo)致另一方無法正常通訊。對乘客施以QoS（quality of service）限制以保證AHM 的帶寬，是現(xiàn)有條件下的一種妥協(xié)。而方案②中，由于AHM 系統(tǒng)獨立，空地通訊可以使用獨立設(shè)備，帶寬就有了保障，但由于高帶寬通訊手段仍然基于空地或衛(wèi)星通訊，數(shù)據(jù)連接的不穩(wěn)定性和延遲仍然是需要解決的問題。

由于AHM 數(shù)據(jù)的特殊性及帶寬的限制，合理的數(shù)據(jù)加密手段和數(shù)據(jù)壓縮算法及校驗碼是必要的?？紤]到機(jī)載設(shè)備計算能力限制，加密方案、壓縮算法及校驗算法不宜過于復(fù)雜，以避免高算力導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，進(jìn)而影響電子設(shè)備艙的運行溫度。

在不能保障數(shù)據(jù)連接穩(wěn)定性的情況下，確認(rèn)飛機(jī)連接狀態(tài)及連接丟失恢復(fù)后如何獲取丟包的狀態(tài)成了另一個問題。通常可以采取類似心跳包的機(jī)制，定時交換空地數(shù)據(jù)，并實時糾錯。通過數(shù)據(jù)包頭部編號可得知是否存在丟包現(xiàn)象，并可要求航空器按照丟失的編號重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，以確保數(shù)據(jù)完整性。具體數(shù)據(jù)鏈框架如圖5所示。

圖5 空地數(shù)據(jù)鏈框架圖Fig.5 Framework of air-ground datalink

3.2.3 地面分析/監(jiān)測系統(tǒng)

商業(yè)運行環(huán)境中，保障數(shù)據(jù)儲存及平臺運行的安全穩(wěn)定需要放在首位。硬件設(shè)備必須存放或托管于A級機(jī)房中，且必須有異地容災(zāi)備份方案并按需進(jìn)行冷備。租用數(shù)據(jù)中心比自建成本低，但同時也產(chǎn)生了更多不可控情況及數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險。數(shù)據(jù)儲存和平臺運行必須在物理上進(jìn)行隔離，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。隨著機(jī)隊的增長擴(kuò)容，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計也應(yīng)考慮擴(kuò)展性，以適應(yīng)未來發(fā)展趨勢?？紤]技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，由機(jī)器學(xué)習(xí)來訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型是大勢所趨，因而設(shè)備需要具備機(jī)器學(xué)習(xí)的算力。

軟件平臺的穩(wěn)定性是重中之重，由于數(shù)據(jù)量龐大，選擇合適的數(shù)據(jù)庫是首要任務(wù)。AHM 終端依靠地面軟件平臺，因此該平臺應(yīng)具有故障報警、故障預(yù)測、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)調(diào)取、數(shù)據(jù)實時顯示、空地連接狀態(tài)顯示等基本功能，預(yù)留API（application programming interface）可方便接入航空公司的計劃部門、航材部門和運行部門，進(jìn)一步帶動航空公司降本增效。

3.2.4 AHM 系統(tǒng)綜合評定

在完成上述各項分析和評定后，還需對整個系統(tǒng)實施綜合評定。實際上線前需進(jìn)行模擬實驗以確定系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能實現(xiàn)規(guī)劃功能，滿足初期設(shè)計需求。AHM 必須經(jīng)歷數(shù)據(jù)采集和處理（采集數(shù)據(jù)用于確認(rèn)退化特性曲線以確認(rèn)告警閾值及確認(rèn)空地通訊系統(tǒng)可靠穩(wěn)定）、健康監(jiān)控（故障報警，確認(rèn)系統(tǒng)可在故障發(fā)生時及時告知地面監(jiān)控人員并驗證設(shè)定閾值是否合理）、健康管理（系統(tǒng)模擬上線，利用設(shè)定的閾值實現(xiàn)故障預(yù)測驗證）、正式上線使用。

從系統(tǒng)工程和可靠性的角度考量，建議分步實施，從簡單系統(tǒng)到復(fù)雜系統(tǒng)，從一般系統(tǒng)到重要系統(tǒng)，逐步積累和總結(jié)，并不斷完善。

3.3 規(guī)章和機(jī)制保障

AHM 系統(tǒng)的綜合性決定了其開發(fā)與運用涉及局方、工業(yè)方、航空公司、科研院所、軟件廠商等，需要各方積極參與和共同推動。從國內(nèi)民機(jī)發(fā)展的角度，應(yīng)由飛機(jī)制造商牽頭，將民機(jī)研發(fā)運行的上下游（設(shè)計方、運行方、部件廠商、航空公司）協(xié)同起來，打通整個技術(shù)過程和路徑，與局方共同建立統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或指南。

4 IP180 分析案例

按照上文所提原則建立起完整的AHM 系統(tǒng)評判標(biāo)準(zhǔn)體系后，即可對現(xiàn)有的AHM 系統(tǒng)進(jìn)行評價或測試，如符合標(biāo)準(zhǔn)，IP180 的前置條件可判斷為滿足，可將其運用于MSG-3 來開展具體的第3 層分析過程。

4.1 隱性故障分析案例

針對隱性故障任務(wù)，以傳統(tǒng)任務(wù)目視檢查剎車指示銷為例：某采用電剎車機(jī)型現(xiàn)有任務(wù)為目視檢查剎車指示銷，間隔為100 飛行循環(huán)（FC，flight cycle）。在額外采集電剎車作動器電機(jī)電壓的數(shù)據(jù)后，可通過該數(shù)據(jù)判斷剎車盤磨損狀態(tài)，并在即將到達(dá)閾值時發(fā)出剎車組件更換需求信息。該數(shù)據(jù)可選擇傳輸?shù)降孛婢S修中心，將傳統(tǒng)的人工目視檢查剎車指示銷轉(zhuǎn)變?yōu)橐暻榈腁HM 替代方案。傳統(tǒng)任務(wù)目視檢查剎車指示銷IP180 替代方案如表1所示。

表1 IP180 替代案例1Tab.1 Alternative case 1 to IP180

從表1可看出，在AHM 介入后，一線機(jī)務(wù)無需再執(zhí)行該檢查任務(wù)，而是將任務(wù)轉(zhuǎn)移到地面監(jiān)控人員或監(jiān)控平臺，并直接將故障信息傳遞給維修計劃部門，極大地減少了例行檢查任務(wù)所消耗的人工時。

4.2 具有退化特性組件的分析案例

針對具有退化特性的被檢測件，以再循環(huán)空氣過濾器為例：假設(shè)某機(jī)型再循環(huán)空氣過濾器傳統(tǒng)任務(wù)報廢間隔為1 000 飛行小時（FH，flight hour），通過在濾器和循環(huán)風(fēng)扇之間增加1 個壓差傳感器，地面工程人員可通過壓差變化分析最佳報廢時間。傳統(tǒng)任務(wù)報廢再循環(huán)空氣過濾器的IP180 替代方案如表2所示。

表2 IP180 替代方案2Tab.2 Alternative case 2 to IP180

從這個例子可以看到，由于AHM 介入，地面工程師可以通過分析數(shù)據(jù)確認(rèn)報廢時間，避免了過度維修的情況，延長了任務(wù)間隔，降低任務(wù)頻率，有效減少了人工時和航材成本。

其他如通過分析數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測來替代定期功能檢查，依照分析結(jié)果靈活安排拆換任務(wù)，有效提高飛機(jī)利用率等優(yōu)點，不再舉例展開描述。

5 結(jié)語

雖然國內(nèi)部分航空公司已開始使用類似AHM 的系統(tǒng)實施健康管理工作，但尚沒有從源頭上影響現(xiàn)行有效的計劃維修要求，成效有限。IP180 文件雖然規(guī)范了相關(guān)分析邏輯，但并沒有明確指出AHM 技術(shù)實施的實際需求。通過解讀IP180，初步總結(jié)了AHM 系統(tǒng)評判標(biāo)準(zhǔn)并提出了具體建議和實施路徑，相關(guān)細(xì)節(jié)仍需要由局方和工業(yè)方進(jìn)一步細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)，并在行業(yè)內(nèi)積極嘗試，以點帶面并不斷總結(jié)。

目前，中國對融合AHM 理念的MSG-3 分析邏輯研究和使用與國際主流民機(jī)制造商處于同一起跑線。AHM 系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用需要整條產(chǎn)業(yè)鏈自上而下地配合，中國民航產(chǎn)業(yè)鏈完整，機(jī)隊數(shù)量龐大，運行經(jīng)驗豐富，國產(chǎn)民機(jī)制造商在AHM 方面的拓展與應(yīng)用有望與國際主流民機(jī)制造商并跑甚至實現(xiàn)局部領(lǐng)先。