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1PHM系統(tǒng)框架體系需要考慮的關鍵問題

對于所有的復雜系統(tǒng)（如航空器）都具有兩個必備模塊：用于工作的能源和通信機制。這兩個模塊與系統(tǒng)體系所實現(xiàn)的功能緊密聯(lián)系在一起。PHM系統(tǒng)的輸入與輸出的方式變化多樣，甚至多種方式結合（環(huán)境、機械、電器、熱、聲、視覺、觸覺等的信號），系統(tǒng)必須能夠對這些輸入、輸出進行較好的處理。PHM系統(tǒng)框架下實現(xiàn)的系統(tǒng)功能要與用戶或使用者的要求保持一致。PHM系統(tǒng)一般由多種類型的子系統(tǒng)組成，其中大部分為航空電子系統(tǒng)，如命令與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。

1.1能量供應

為PHM系統(tǒng)提供能量的方式是多種多樣的，可以由外部提供，也可由內部提供。系統(tǒng)所需能量是由子系統(tǒng)和組件實現(xiàn)功能的多少以及復雜性所決定的。能量的供給也要考慮子系統(tǒng)和組件的密集度以及位置分布。同時需要分析PHM系統(tǒng)在不同工作模式下的能量消耗率使其能夠滿足各種工作狀態(tài)以及子系統(tǒng)的能量需求。能量源對整個PHM系統(tǒng)起著關鍵性的作用，要確保滿足所有的負載要求以及續(xù)航要求，同時要有足夠的能量裕度來應對特殊情況。在考慮電氣失效管理的能量裕度時，設計者需要優(yōu)先考慮系統(tǒng)內部故障檢測、隔離以及恢復，對失效反應的及時性和有效性。在一些PHM系統(tǒng)或其子系統(tǒng)中，能量的供應方式不僅僅局限于電能，也可以是熱能或機械能（用在某些作動系統(tǒng)中）。要依據(jù)實際的需要以及可行性來確定所需能量的供應方式。

1.2數(shù)據(jù)的通信

數(shù)據(jù)通信對于PHM系統(tǒng)非常重要，無論是無線、有線信號，必須確保數(shù)據(jù)通信的可靠性，信號交換協(xié)議必須要考慮到系統(tǒng)所受外界環(huán)境的影響，同時要為系統(tǒng)做出正確控制預留足夠時間。同時，在選擇通信方式時要考慮故障容限和裕度管理。數(shù)據(jù)通信規(guī)則也受到系統(tǒng)組件的類型以及兼容性的限制。為了信號傳輸?shù)姆奖悖瑐鞲衅鞑杉降哪M信號往往需要轉換為數(shù)字信號。傳感器的敏感度、布置等都是數(shù)據(jù)通信需要考慮的關鍵問題。

2PHM系統(tǒng)的設計與應用研究

描述了構成PHM系統(tǒng)設計的主要組成模塊。該系統(tǒng)具有反饋功能，能夠可靠地完成數(shù)據(jù)收集以及分析，這對系統(tǒng)的故障預測和診斷是至關重要的。離線與在線部分相互補充，構成了功能完整的PHM系統(tǒng)。

2.1技術權衡研究

技術權衡研究主要是為了使系統(tǒng)對故障診斷和預測達到一個最佳平衡狀態(tài)。技術權衡技術的目標有（：1）支持系統(tǒng)工程過程的決策需求（；2）評估待選項（要求、功能、配置）（；3）集成并考慮所有的因素（；4）推薦最佳的解決方法（；5）發(fā)展并修正系統(tǒng)的概念（；6）判斷是否需要進行進一步綜合性分析，做出取舍。其中，一種比較成熟的技術權衡研究遵循被稱為集成產品與過程設計（IntegratedProductandProcessDesign，IPPD）方法。IPPD的功能包括（：1）建立需要；（2）問題描述；（3）建立目標值（；4）產生可行的選擇方案（；5）做出決策。美國國防部進行的IPPD研究主要針對技術預測與技術鑒別、評估以及選擇（TechnologyIdentification,EvaluationandSelection，TIES）。故障診斷與預測相關的研究屬于TIES類別。進行IPPD研究能夠完成以下任務（：1）定義問題，使用質量功能展開（QualityFunctionDeployment，QFD）工具來獲取“客戶”需求，定義綜合設計分析，鑒別組件功能，監(jiān)控和測試需求等；（2）設定具體取值，建立取值目標以及可行性限（；3）進行可行性選擇；（4）進行選擇（；5）最終做出決定。其中，QFD用來獲取客戶需求和定義設計綜合分析。

2.2FMECA分析

理解失效機制的原理是設計PHM系統(tǒng)的基礎，F(xiàn)MECA分析為設計者提供了對失效分析的綜合框架。通過FMECA分析能夠找到相關失效事件的根本原因。為達到這一目的，需要定義失效的模式、重要度、發(fā)生頻率以及可測試性。先進的FMECA分析可以得到最優(yōu)故障特征的算法，檢測和隔離早期故障，并且預測出重要部件的剩余壽命。FMECA可以集成到現(xiàn)有的管理控制和數(shù)據(jù)獲取或其他的數(shù)據(jù)管理和控制中心中，進而便捷地為使用者提供識別失效事件和事件根源的信息。

2.3CBM測試-計劃的系統(tǒng)設計

通過CBM測試-計劃來確定PHM系統(tǒng)所需儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、測試程序，并且獲取故障數(shù)據(jù)，進而來訓練和驗證故障診斷與預測的算法。測試計劃的一般流程為：（1）判別系統(tǒng)的工作模式；（2）依據(jù)相關控制變量和田口方法來對故障模式進行判別；（3）選擇傳感器的類型以及數(shù)據(jù)采集的裝置；（4）使用基于正交表的田口矩陣進行多級實驗；（5）決定在基線和故障數(shù)據(jù)下的測試次數(shù)及其類型，進而滿足用戶需求、預算等；（6）選擇傳感器并進行校準精確。

2.4性能的評估

PHM系統(tǒng)需要滿足多目標的要求，為用戶提供多種有用信息，如機務維修人員、飛行員以及系統(tǒng)設計人員等。進而協(xié)助維修人員在最佳時間做出維修，保證飛機的最大利用率和安全性。對PHM系統(tǒng)的性能評估主要是從技術和經濟兩個層面展開的。這里從經濟角度評估PHM系統(tǒng)的性能，不僅能反應新技術的優(yōu)勢，而且能夠顯示出經濟上的可行性。結合維修、使用情況的成本-效益分析所涉及的內容有：（1）評估傳統(tǒng)維修手段下，所產生的使用、維修等費用分析；（2）隱形成本分析，傳統(tǒng)維修模式（如故障后維修、定時維修）帶來的損失成本分析；（3）對引入PHM系統(tǒng)帶來的設備、人員培訓等費用分析；（4）引入PHM系統(tǒng)后，對整個生命周期內的成本-效益合計。

2.5PHM系統(tǒng)的驗證與適航認證

只有PHM系統(tǒng)經過驗證與適航認證之后，才能真正在飛機中得到廣泛應用。PHM系統(tǒng)的驗證是為了滿足系統(tǒng)的設計要求。系統(tǒng)性能標準是系統(tǒng)驗證的基礎，一個成功的PHM系統(tǒng)會對下面的問題給出肯定的回答，“構建的系統(tǒng)是否能夠在設定的約束條件下滿足所有設計需求？”目前，還沒有專門針對PHM系統(tǒng)硬件和軟件的官方適航認證文件，主要還是基于軍用、民用飛機的適航文件基礎之上對其進行認證。早在1992年，文件RTCA/DO-178B（航空系統(tǒng)以及設備中關于軟件的認證）已經對航空系統(tǒng)軟件的適航認證做出了規(guī)定。2000年的RTCA/DO-254對航空電子設備硬件做出了相關適航認證要求。2008年，MIL-HDBK-516B規(guī)定了航空器系統(tǒng)的適航認證標準。近來，由Honeywell研制的健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)（HealthandUsageMonitoringSystems，HUMS）已經在美國軍用直升機上得到了使用。美國軍方的航空工程指揮部（AviationEngineeringDirectorate，AED）對HUMS以及基于HUMS的維修適航標準進行了規(guī)定，并出版了相關的手冊。總之，PHM系統(tǒng)的驗證與適航認證是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要多部門、多學科領域工程技術人員共同完成。

3總結與展望

PHM涉及多學科和眾多研究領域，需要各種高新技術（如新型傳感器技術、在線監(jiān)測技術等），又需要堅實的基礎理論（如新型故障診斷與預測理論等）作為支撐。目前PHM的重要地位已經得到工程界的廣泛認同，工程需求也日益增加，隨著大量輕型飛機的使用，為了節(jié)約維修和運營成本，保證飛行安全，在輕型飛機中引入PHM系統(tǒng)將成為必然。然而國內PHM的研究無論是技術上還是理論上離實際要求還有不小差距，需要研究人員開展更加深入的研究。目前，PHM的理論以及具體實現(xiàn)中，存在著許多技術難題。本文主要分析了輕型飛機對PHM技術需求以及相關的技術問題，同樣適用于其他行業(yè)。為了搭建輕型飛機的PHM系統(tǒng)，應該在以下方面進行深入研究：

（1）PHM系統(tǒng)軟件開放性的研究，通過不斷升級、更新來增強系統(tǒng)的可維護性、穩(wěn)定性；

（2）研究PHM技術的標準，為PHM技術廣泛應用打下基礎；

（3）研究PHM系統(tǒng)的自我修復功能；

（4）新型傳感器技術，異種傳感器數(shù)據(jù)融合傳輸技術、傳感器嵌入技術，傳感器布置優(yōu)化以及布線技術；

（5）新引進的PHM系統(tǒng)與飛機系統(tǒng)本身的兼容問題，包括電源的供給等；

（6）PHM系統(tǒng)本身的耐久性問題，包括飛機在實際運行中PHM系統(tǒng)的耐久性、系統(tǒng)傳感器的維修、更換以及系統(tǒng)其他部件的維修；

（7）考慮到飛機服役環(huán)境的復雜性，研究PHM的故障診斷與預測算法，增強系統(tǒng)的魯棒性以減少誤判和虛警。

4結語

綜上所述，通過攻關相關的技術難題，得到適航當局的認可，將PHM系統(tǒng)應用到輕型飛機中，具有很大的經濟價值和實際意義。

作者：朱新宇盧俊文鄭波王倩營單位：中國民用航空飛行學院西南交通大學電氣工程學院