航空发动机健康管理算法开发

航空发动机健康管理算法开发

单位：MathWorks CN

编写：王鸿钧

目录

1.1

Rolls-Royce

分析火山灰对发动机的影响 (1)

1.2

Snecma

模块化开发健康管理算法

(3)

3.1

建立算法集成环境

.

(6)

3.2企业级的计算平台 (7)

4.1实现工具选择 (8)

4.1.1基础平台 (8)

4.1.2功能实现 (9)

4.2工程应用的扩展 (10)

4.2.1

与企业应用集成

(10)

4.2.2

并行计算能力 (11)

插

图

航空发动机健康管理系统的研发趋势

当前，各大航空发动机制造商纷纷改变原有单一出售发动机的经营模式，致力于扩展发动机维护、发动机租赁、发动机数据管理分析等服务，通过服务合同绑定用户，扩大利润空间。而发动机的健康管理，也从最初的单一监视，发展为结合在线故障诊断、数据上传与离线健康趋势分析的各种应用。如Rolls-Royce的COMPASS系统，能根据起飞和巡航过程中发动机的工作参数随时输出发动机的健康状态，将其传给地面的公司总部，再通过高性能的地面计算机结合历史数据开展综合分析，指导每一台发动机的运营、修理和维护。

如何处理发动机运行产生的数据，是发动机健康管理技术的研究核心。要实现发动机的性能分析与寿命预测、故障诊断与故障预测、成本控制与资源优化，需要记录和分析大量发动机原始运行数据，在此基础上建立表达性能、故障、运营成本等趋势的模型，开发相应预测算法。在算法的实现方面，自动代码生成技术提供了一种新的高效开发途径。

1.1Rolls-Royce分析火山灰对发动机的影响

在MATLAB EXPO 2013上，Rolls-Royce展示了一个针对全球运营发动机的火山灰影响分析系统。火山喷发会产生大量的火山灰，如果飞机正好从火山灰扩散范围内飞过，发动机就会吸入火山灰。这会对发动机的健康状况产生一系列影响，可能的影响包括：

●压气机被腐蚀，效率和喘振裕度降低

●火山灰阻碍燃烧，产生熄火风险

●火山灰吸附涡轮环，导致气路堵塞

●涡轮冷却气受阻，部件减寿

●硫酸盐依附在热端部件长达数月，使涡轮叶片的含镍合金硫化

●滑油污染

●电子元件损坏

世界气象组织（WMO）在全球拥有若干个火山灰警报中心（VAAC），这些中心会监测所在地区的火山喷发情况，并每天通过互联网发布火山灰数据。Rolls-Royce的火山灰影响分析系

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统每天会自动将全球所有火山灰数据下载到本地数据库，同时与发动机健康管理数据库当中存储的发动机飞行数据进行关联。标准发动机飞行数据包括飞机ID、飞行日期/时间、往来城市、机场位置等，根据这些数据就可以计算一台发动机的火山灰暴露程度，进而形成一台发动机的火山灰暴露数据序列，开展火山灰影响的历史追踪。

作为Rolls-Royce整个发动机健康管理系统的重要组成部分，这个系统的所有数据处理程序都是采用MATLAB工具开发的，包括：

●自动导入全球火山灰数据，并根据火山灰严重程度绘制彩色的火山灰地图

●自动导入发动机飞行数据，通过矩阵运算得到发动机的火山灰暴露数据

●将发动机的火山灰暴露数据写入发动机健康管理数据库

●统计历史数据并生成发动机的火山灰影响历史报告

图1Rolls-Royce分析火山灰对发动机影响的流程

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1.2 Snecma 模块化开发健康管理算法

Snecma 为了帮助工程师快速简便地开发发动机健康管理算法，建立了一个称作“Snecma 算法成熟与测试应用”（SAMANTA ）的模块化开发平台。这个平台于2007年上线。根据2015年的统计，SAMANTA 已经产出了160多个标准模块，15项具体的发动机健康管理算法，算法内容涵盖发动机健康监视、故障诊断和故障预测。

图2 Snecma 的发动机健康监视算法分类

图3 Snecma 的发动机故障诊断和故障预测算法体系

Snecma 希望发动机工程师不需要掌握太多数学或计算机科学的专业知识，就可以顺利表达自己想要实现的算法，为此他们选择MATLAB 语言作为SAMANTA 的基础。通过定义3

种基本

对象，SAMANTA建立并完善了算法与相关数据、文档间的接口关系，实现了算法的抽象化与模块化。基于SAMANTA，工程师可以将不同算法当中一些共通的文本处理、图形显示、数据操作元素作为标准模块积累下来。通过标准模块的组合，又可以快速开发新的算法。

SAMANTA定义的3种基本对象分别是：

●信号（signal）：算法的输入数据及输出结果。输入数据可以直接来自飞行记录，也可

以由其他算法间接产生。SAMANTA信号是按照一种标准格式定义的结构体，内容包括数据表（时间索引、数据值）和数据属性（物理含义、单位）。

●操作集合（opset）：算法可以直接操作的存储在MATLAB数据文件中的所有相关信号

列表。发动机N次工作循环、M种不同采样率记录的N×M组信号，构成的N×M页数据表，就是一项典型的操作集合。

●模块节点（mnode）：按照统一的接口标准和图形界面封装的数据处理算法。模块节点

提供一系列基础操作，可以完成初始化、参数有效性检查、数据积累、通过积累的数据开展学习、算法执行、数据显示等任务，用户按一定顺序组合这些操作，实现设置、运行、学习、绘图等具体的算法应用。

图4基于模块节点的SAMANTA算法封装

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