飞行数据基础上的飞行器故障预测与健康管理系统研究

摘 要 本文通过对IVHM、PHM相关文献的整理，对基本概念进行了归纳和总结，力求对IVHM、PHM技术的发展进行全面的了解，理清IVHM、PHM的发展历程及关键技术，并对国内外现有的主要研究单位及学术组织进行了归納和概括，以使读者对健康管理技术有更加详尽的了解，为我国在相关领域的研究工作提供有力的帮助。

关键词 健康管理技术；综合飞行器健康管理技术；故障预测与健康管理技术；综合飞行器故障预测与健康管理系统

1 技术背景与发展现状

随着航空航天技术的发展，飞行器的安全性与可靠性，以及飞行器后勤保障体系的高效和经济性等越来越成为发展航空航天技术无法回避的问题。美国联邦航空管理局（FAA）和国家运输安全委员会（NTSB）的统计数据表明，过去17年来全世界飞行事故有24%是由飞行器子系统和部件的故障引起，26%是由飞行失控引起，而很大一部分飞行失控是由硬件和系统的故障引起的[1-2]。此外，航空航天工业也面临着巨大的经济压力，航空公司每年在飞行器后勤保障上花费310亿美元，平均每一个小时的飞行时间要有12个小时的后勤保障时间。为提高飞行器的可靠性与安全性，降低成本，美国国家航空航天局（NASA）提出了飞行安全计划——飞行器综合健康管理（Integrated Vehicle Health Management，IVHM）技术。IVHM技术将飞行器各个子系统的故障监测、故障诊断、影响评估、故障预测等，及其相应的处理措施和后勤保障的安排等综合为一个对飞行器健康状况的综合管理系统，从提出至今经历了一个漫长的从概念到具体实现的发展过程，目前尚未出现一个具备完整健康管理功能的IVHM系统，但IVHM技术在飞行器安全性、可靠性、经济性等方面的突出作用，受到航空航天工业科研与生产单位的广泛认同，成为航空航天工业发展的一种必然趋势[1-2]。

伴随着IVHM的发展，也出现了许多用于VHM的诊断推理工具（都有哪些 做成表或图），如：Ames研究中心开发的Livingstone诊断推理工具，已成功应用于DS-1、X-34、X-37等项目中；JPL（Jet Propulsion Laboratory）开发的推理工具SHINE和诊断工具BEAM，成功用在X-33等中；此外还有基于模型的推理机TEAMS成功用在K-1等中、基于模型的软件工具FACT等。新型的传感器、先进的诊断推理算法和系统集成方法等的应用也成为IVHM技术发展的重要成果。

综上所述，IVHM技术已经得到一定的发展，但还不完善，尚处于原理、部分功能和概念的验证阶段，目前还没有具备完整IVHM功能的系统。

2 PHM技术的发展历程及应用现状

近些年来，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术和微机电技术等信息技术的飞速发展和系统复杂化、综合化水平的提高，武器装备的嵌入式诊断技术正在从过去单纯的电子/航电设备BIT和结构/机械设备的状态监控向覆盖武器装备所有重要系统和关键部件的机载预测与健康管理（PHM）方向发展演变。PHM之类技术受到各国军方和工业界的广泛关注，各方都在积极采取各种方式加速这类军民两用技术的开发和利用。随着PHM技术在军事和民用领域的广泛应用，世界各国对PHM技术的兴趣日渐浓厚。人们普遍认为，电子预测技术目前虽然远未达到成熟，尚不能进入应用，但它代表了PHM未来的一种重要发展趋势。目前PHM技术研发的最大障碍是对于残余寿命周期预测的不确定性的评估，以及对电子产品间歇失效的检测。因此，国外专家建议研发机构将资金投入移向这些领域，以便尽快使PHM技术进入实用阶段。

总之，PHM已成为国外新一代武器装备研制和实现自主式保障的一项核心技术，是21世纪提高复杂系统“五性”（可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性）和降低寿命周期费用的一项非常有前途的军民两用技术。目前国外PHM 技术已经从方案设计阶段发展到工程验证阶段，其应用遍及航空、航天、工业过程、核电站等大型复杂系统领域，国内对于PHM 的研究则刚刚起步。

3 PHM系统的结构、功能及关键技术

3.1 PHM系统的功能[3]

PHM系统具体包含下列主要功能：故障检测能力；故障隔离能力；故障预测能力；残余使用寿命预测能力；各种跟踪能力；故障选择性报告能力；辅助决策和资源管理能力；容错能力；信息融合和推理机能力以及信息管理能力。

3.2 PHM系统的结构

PHM系统的结构必须便于从部件级到整个系统级综合应用故障诊断和预测技术，整个飞机的PHM系统由推进系统的实时监控系统、航空电子系统的实时监控系统、结构实时监控系统、飞行器管理系统（VMS）以及其他任务分系统和低观测性（LO）特征的实施监控系统构成。飞机的航空器区域管理系统（VZM）将上述各监控系统的信息综合后，传给地面的联合分布式信息系统，据此来判断飞机的安全性，安排飞行任务，实施技术状态管理，更新飞机的状态纪录，调整使用计划，生成维修工作项目，以及分析整个机群的状况。

3.3 PHM系统的关键技术

PHM是新一代武器系统的维修和管理技术，也是一种全面的故障检测、隔离、预测及状态管理技术。

4 结束语

IVHM和PHM技术是国外飞行器健康管理技术的两种典型代表。两种技术各有优缺点，比如海军的综合转台评估系统（ICAS）、陆军的嵌入式诊断和预测等的专用性太强，而PHM技术在三军中具有良好的通用性。国内对于飞行器健康管理技术的研究刚刚起步，目前有北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、某飞机设计研究所等单位进行现代意义上的健康管理技术跟踪和概念研究，大量的健康管理工作尚停留在健康监测水平。

参考文献

[1] 常琦，袁慎芳.飞行器综合健康管理（IVHM）系统技术现状及发展[J].系统工程与电子技术，2009，（11）：2652-2657.

[2] Belcastro C M.Aviation safety program：integrated vehicle health management technical plan summary[M].NASA Technology Report，2006：I-53.

[3] 姜兴旺，景博，张劼.综合飞行器故障预测与健康管理系统研究[J].工程与技术，2008，（5）：37-41.

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