民用飞机健康管理体系研究

摘要：健康管理师航空制造行业的发展趋势，各飞机制造商均在开展飞机健康管理技术的研究与应用。本文介绍了民用飞机健康管理（PHM）的概念，并对健康管理的体系，现阶段存在的问题进行了简要的介绍。最后，针对提出的问题，结合目前民用飞机的架构提出了解决的方案。

关键词：民用飞机 健康管理 PHM

引言

近年来，信息数字化技术在飞行安全中的应用十分广泛，为民航业提供了建立大系统所需要的工程数据库、软件平台和数据通信传输等相关的构件。合理地将信息数字技术与安全技术相结合，将不断提高航空安全工作的质量和效率。世界各大著名的航空制造企业为争夺全球市场，对提高飞机的安全性、可靠性、维修性和降低飞机的运营成本给予了越来越多的重视。

健康管理系统应用信息数字化技术，极大提高了航空公司的运营、维护工作效率，优化了航空公司的维修模式，得到航空公司的广泛认同，逐渐成为提升机型竞争力的重要手段。在国内，飞机制造商尚未建成成熟健康管理系统，向航空公司用户开展健康管理的应用。为了提高国内健康管理系统的研制水平，研究民用飞机健康管理体系就显得极为重要。

1. 民用飞机健康管理概念

对于健康管理的定义目前没有统一的文字表述，各个研究机构依据各自研究对象和研究方向有着各自的理解与认识。IVHM（Integrated Vehicle Health Management）项目产品负责人Mark M.Derriso提出健康管理系统是“任何采集、处理和管理健康数据来获得飞机当前状态并决定它执行一项给定任务能力的系统”[1]。

飞机健康管理体系要求航空器维修决策策略从由事后维修或定时维修转变为视情维修。实际应用中，维修决策系统需要依赖于众多相关的故障信息，需要健康管理体系完成对机载信息的监控、存储、传送以及故障的预测与诊断。健康管理体系不是为了直接消除故障，而是为了了解和预计故障何时将发生，或在出现未料到的故障时，维修决策系统将快速确定触发维修工作。

飞机健康管理系统充分利用数据通信技术，大量获取飞机运行信息，监控飞机状态。通过监控飞机状态，及时发现故障，为剩余寿命预测提供基础，提前采取措施，以提高飞机利用率，降低飞机运营和服务成本，在飞机的运营和管理上有较好的实用性。

2. 民用飞机健康管理架构

按照OSA-CBM（Open System Architecture for Condition Based Maintenance）对健康管理系统组成的归纳和总结，民用飞机健康管理系统技术体系结构也分别从数据采集层、数据处理层到表达层等七层的系统构成[1][2][3]，如图1所示。

a） 数据采集层：通过在飞机上布置各种传感器，采集飞机的温度、压力、应变、震动等信号，并通过总线传输。

b） 数据表达层：对获取的数据进行处理、分析、特征值提取等操作，将获取的数据变为有效数据。

c） 状态监测层：将信号特征值与操作阈值进行比较，获取系统的运行状态，并对故障进行评估。在发生告警或故障时，执行相应操作。

d） 健康评估层：使用状态监测获取的数据，对系统、子系统以及部件的健康状态进行评估。

e） 预测层：根据健康评估的结果以及趋势，预测未来某时刻的健康状态，并评估剩余寿命。

f） 决策支持层：根据健康评估和预测的结果，提出相应的维护措施，延时系统的寿命，减少故障率。

g） 表达层：提供人机交互的界面，为操作人员和维修人员提供飞机的健康状态，包括异常状态的显示和告警。

3. 民用飞机健康管理面临的问题

3.1 系统复杂

飞机健康管理的对象是飞机，而飞机是一个很典型的复杂系统，由动力系统、飞控系统、航电系统等多个相对独立的系统构成，而各个系统又包含多个子系统，其中含有若干、部件、组件等。

3.2 接口复杂

现在飞机上各个系统采用多种总线接口，用于传输不同特性的信号，包括ARINC429，CAN，PWM，离散量等。要实现健康管理，就需要关注所有类型的信号，从而造成接口复杂。

3.3 空地数据链路受限

民用飞机使用ACARS与地面进行数据传输，而ACARS的带宽仅为2.4kbps，严重制约了健康管理系统数据的传输。

3.4 机载系统性能受限

考虑到运营成本问题，民用飞机要求机载设备重量尽量轻、占用空间尽量小，就使机载系统的设备的计算能力和存储容量受到限制。

4. 民用飞机健康管理功能实现

民用飞机由于其本身的特点，在系统设计时需要考虑重量、可靠性、安全性、维修性等诸多方面，同时又面临系统复杂，接口多样，空地数据链路受限的问题，本文通过以下方式解决以上几个问题。

4.1 航电核心网络

民用飞机系统众多，且相对独立，同时，各个系统又使用多种类型的数据总线进行不同类型数据的传输，如果直接从各个系统收集各个机载的参数、故障、状态等信息，将会增加健康管理系统设计的难度。

现在民用飞机的航电核心网络多采用ARINC664p7总线与飞机上其他的系统相连，并且具备数据转换的能力。各个系统可以将健康管理需要的数据通过航电核心网络发送到健康管理系统，这样不仅可以简化健康管理系统接口的设计，还可以减少由于多种数据类型造成的数据处理难度。

4.2 机载系统和地面系统分工

民用飞机的空地通信带宽和机载设备性能受到限制，不能将所有的健康管理任务分配到机载系统当中。因此，可以采用机载系统 与地面系统分工的方式完成健康管理功能。

机载健康管理系统完成参数采集，并采用效率高，占用机载计算机资源少的算法，处理关键参数，并将处理结果通过ACARS发送到地面系统，用于快速响应。同时，更多的非关键数据被存储在机载设备，随后在飞机落地后传送给地面系统，用于健康评估、预测等。这样既可以最大限度满足实时监控飞机状态的要求，又可以避免所有数据实时传输造成的高昂代价。

5. 结束语

健康管理是航空制造行业的发展趋势，可以增强主动式快速响应能力，提高飞行突发故障的应急处理能力，避免重大延误的发生，减少大型客机飞行安全隐患，降低维护成本。目前国内还没有飞机制造商将其应用机的制造中，今后应该重点开展健康管理体系设计和验证工作，尽快应用于民机的设计与运营中。

参考文献

[1] Belcastro C M. Aviation Safety Program： Integrated Vehicle Health Management Technical Plan Summary. NASA Technology Report， 2006， 1-53.

[2] Gordon B， Aaseng G. Blueprint for an Integrated Vehicle Health Management System. IEEE 20th Digital Avionics Systems Conference， 2001， vol 1， 1-11.

[3] Baines， T.S. et al. State-of-the-art in integrated vehicle health management. R Wade， H Barnard （eds） Failure Prevention for System Availability Proc 62nd Meeting of the Society for Machinery Failure Prevention Technology 06-08 April Virginia Beach Virginia US， pp 323-335.