飞行器健康管理技术综述
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[ 3- 5]
九八 五 工程 飞 行 控制 专 业 建 设 资 助 项 目 ( 04XD0401) ; 西北工 业 大学 英才 培 养 计划 资 助项目 ( 03XD0103)
作者简介 : 李爱军 ( 1972- ), 男 , 黑龙江 密山人, 博士 , 副教授 , 主要从事智能控制理论与应用 , 飞行控制的研究。
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电光与控制
第 14 卷
去、 现在的情况以及积累的数据推断情况 /状态发展 的能力。 2) 缓和 对故障进行处理, 最大可能保证平台和任务的 有效性。缓和的实施建立在对故障影响评估的基础 上。对飞行器健康状 态的影响决定 了平台资源重 组 /重 构以及任务再计划的实际内容。 3) 修复 更换或者是将故障部分恢复到正常状态。 4) 检验 确认修理解决了故障问题, 并且没有遗留潜在 的副作用。 修复和检验主要解决恢复平台设计构型及其程 度的问题。达到修理和验证目标后, 飞行器的健康 状态将恢复到设计水平。因此 , 健康管理就范围而 言包括了平台上的管理活动以及地面的维修和保障 活动。从目前国外的研究情况来看, 健康管理的实 现更加强调地面的诊断、 预测和维护决策支持。 [ 4, 6 ] 1 . 3 健康管理采用的主要故障诊断方法 诊断推理技术是健康管理系统的核心技术 , 现 在的健康管理系统大都采用基于多级模型的推理技 术。在系统级的诊断层次 , 多采用定性推理技术; 而 在一些子系统和元件诊断层次上, 则采用定量模型 模拟和基于多信号的建模技术。另外, 由于基于模 型技术有自身的缺点, 如果建立的模型比较好地反 映了原系统结构 , 则诊断结果比较准确, 但由于现代 飞行器系统内部结构复杂 , 很难准确建模 , 诊断结果 可能误差比较大。因此, 还应采用人工神经网络、 模 糊逻辑和统计学习等人工智能技术以及多信息融合 技术, 对基于模型故障诊断技术进行改进和补充。
1 健康管理的基本概念
1 . 1 定义 飞行器的健康状态描述了构成系统、 子系统以 及部件执行设计功能 的能力。飞行 器的健康管理 ( HM )定义为与其健康状态直接相关的管理活动 , 即了解飞行器及其组成部分的状态, 在出现功能失 灵时将其恢复到正常状态 , 而在系统故障后将安全 风险和对任务的影响降到最小。健康管理以诊断、
第 3期
李爱军等 :
飞行器健康管理技术综述
81
阈值大小, 而输出则为对检测部分、 子系统、 系统的 状况报告信息。 3) 健康评估层 该层的功能是持续融合来自状态监视层以及其 他健康评估部分的多个信息源的数据 , 诊断并报告检 测部分和子系统的健康状态, 并据此进行故障隔离, 完成余度管理、 实时综合资源管理和优化以及重组 / 重构。特殊功能包括间歇状况的分析、 特殊数据的收 集、 事件的相关性分析以及未知故障和事件的报告 等。健康评估的节点应能面向测试或健康评估策略 实现诊断, 以及命令控制系统动作以处理未知故障或 断续发生的事件。控制动作包括对状况监视器或健 康评估节点报告的控制, 以及对数据收集和任务优先 级的控制。此外健康评估节点也可将资源管理能力 包括在内, 以充分利用数据存储、 处理和通讯的资源。 4) 预测层 该层的功能是对部件和子系统在使用工作包线 和工作应力下的剩余使用寿命进行估计。使用工作 包线和工作应力可参照预先设定的强度或直接对运 行强度进行估计得出。 5) 决策支持层 该层包含操作和支持系统 , 例如任务 /操作性能 评估和规划、 维修推理机以及维修资源管理。该层 为维修资源管理和其他监视综合健康管理系统的性 能和有效性的处理过程提供支撑。 6) 人机交互层 该层应具备与其他所有层通讯的能力, 并可通 过便携式维修设备、 维修管理和操作管理实现综合 健康管理系统与维修人员的人机交互界面功能。 以上 6 层结构中, 信号获取和处理、 状态监控、 健康评估等 3 层位于飞行器平台上, 是健康管理、 任 务载荷管理的主要内容。 3 层的功能可直接借助飞 行器子系统中的传感器、 处理器以及分布式系统互 联网络和计算单元来具体实现。预测、 决策支持和 人机交互等 3层功能需要更强的计算处理资源, 以及 更加广泛、 完整、 全局性的数据资料和历史性档案 , 主 要由地面的相应健康管理子系统 /设备来实现。 2 . 4 JSF 中的综合健康管理技术 新一代战斗机中采用综合健康管理技术是为了
Fra Baidu bibliotek
图 1 综合飞行器健康管理系统组成框图
2 . 3 综合飞行器健康管理系统的功能分层 对应健康管理行为的需要, 从信息交互角度 , 可 将综合飞行器健康管理系统分成 6 个信息层, 分别 为信号处理层、 状态监控层、 健康评估层、 预测层、 决 策支持层以及人机交互层。该结构支持平台上和地 面的组成部分, 并包括与 所有支持系统 ( 例如维护 和后勤 )、 子 系统 /飞 行器控制以及 任务 /运 行管理 的交互界面。 1) 信号处理层 该层获取和处理来自传感器与控制系统的输入 数据 , 既包括专用的功能状态、 正常与否的指示, 也 包括依照设定的特征空间提取数据的内容特征。通 常的提取算法包括快速傅里叶变换、 小波、 滤波器或 统计 ( 平均 , 标准偏差 )等。 2) 状态监控层 该层对子系统、 部件的行为以及材料的状况进 行测试和报告 , 此外也对运行环境进行检测和报告。 状态监控层的关键输入包括 信号获取和处理 层 处理过的信号以及来自 健康评估 层的控制输入 和报告准则, 其中报告准则用于控制报告的时间和
Survey on aircraft health m anage m ent technology
L I A i- jun, Abstract : ZHANG W e i- guo , TAN Jian
( College of A utomation, N or thw estern Po ly technical University, X i an 710072, China )
摘
要:
健康管理技术是近年来飞行器 ( 飞机 、 无人机、 航天器 ) 广泛采用的一种了解及修复
飞行器与元部件状态的技术。在总结国内外文献的基础上, 详细阐述了健康管理的定义 、 行为, 综 合飞行器健康管理系统及其组成 、 功能, JSF 战斗机的综合健康管理技术以及自主后勤保障体系的 概念、 结构及功能等内容。 关 键 词: 健康管理; V 249 综合飞行器健康管理系统 ( I VHM S ); 自主后勤保障体系 文献标识码 : A 预测及健康管理 ( PHM ); 联 合分布式信息系统 ( JDIS) ; 中图分类号 :
[2 , 10 - 14]
[ 3- 9]
2 综合飞行器健康管理技术
综合飞行器健康管理 ( I VHM ) 这个概念出现于 1970年代, 它定义为一些行 为的集合, 这些行为包 括了解飞行器及其元件的状态 , 当飞行器发生异常 时把它恢复到正常状态以及在系统发生故障时使它 对系统安全和所进行任务的影响最小。 2 . 1 综合飞行器健康管理系统 综合飞行 器健 康管理 系 统 ( Integ rated V eh ic le H ealth M anagem ent Syste m, I VHMS ) 由对 飞行器的 智能检测、 系统级评估、 控制和管理功能所构成 , 目 的是为飞行器操作员及任务执行者提供信息和辅助 决策, 以降低生命周期风险 , 避免一些不可预料的危 险事故。 I VHM S 实行以信息为依据的运行与维修 ,
也就是收集、 处理和综合 关于整个系统 ( 包括飞行 器、 子系统、 部件、 传感器和地面保障系统 ) 的健康 信息 , 进而做出以信息为依据的决策, 产生确保任务 成功的相应的动作或行动。综合健康管理技术是提 高飞机、 空间飞行器的安全性、 可靠性及可维护性并 有效地降低成本的重要技术途径。 2 . 2 综合飞行器健康管理系统的组成 I VHMS 主 要 分 为 两 部 分: 地 面 健 康 管 理 ( IGHM ) 系统和机载健康管理 ( I VHM ) 系统, 如图 1 所示。其机载系统包括飞行器管理、 任务管理和子 系统管理等部分。地面系统以综合维修信息系统为 基础 , 是一个颇具规模的计算机网络, 包括任务和运 行控制站、 维修推理器、 维修资源管理器以及地面的 诊断推理器。综合飞行器健康管理系统能实时完成 天空 - 地面通信, 可执行地面命令 , 提前通报故障, 使地面维护提前准备就绪。
第 1 4卷 第 3期 2007 年 6 月
电光与控制 ELECTRON ICS O PT ICS & CONTROL
V o.l 14 N o . 3 Jun . 2007
文章编号 : 1671- 637X ( 2007) 03- 0079- 05
飞行器健康管理技术综述
李爱军 , 章卫国, 谭 键
710072) ( 西北工业大学自动化学院 , 西安
H ea lth m anagem en t techno logy is w idely used in aircrafts , U ninhab ited A erial V ehic le s
( UAV ) and spacecrafts in recent years, wh ich is used for obta in ing the situation of th e vehic le itse lf and the com ponents, and for renovat ing if necessary . In th is paper , the definition and behav ior of the health m anagem en, t In tegra ted Veh icle H ea lth M anagem ent System ( I VHM S) and its com posit ion and function , in tegrated health m anagem ent techno lo gy o f JSF, the concept io n , structure and function of autonom ous lo g istics safeguard system and so on are in troduced and ana ly zed based on summ ary to fore ig n literatures . K ey w ords: health m anagem en; t Integrated Veh icle H ealth M anage m ent System ( I VHM S ); Jo int D istr ibution Infor m at io n System ( JD IS) ; P rog autono nosticatio n and H ealth M anagem ent( PHM ) ; m ous logistics safeguard syste m
收稿日期 : 2006- 02- 27 基金项目 : 修回日期 : 2006- 06- 29
[ 1- 3]
预测为主要手段, 具有智能和自主的典型特征, 必须 建立在状态 /信 息感知、 融合和辨识的基础上, 是以 感知为中心的决策过程和执行过程。 1 . 2 健康管理的行为 健康管理作用的对象是诸如飞行器管理系统和 任务管理系统等复杂的大系统。健康管理涉及从发 生故障到恢复正常的一系列活动。围绕故障的生命 周期 , 健康管理大致有以下 4 个行为: 1) 诊断和预测 诊断是发现系统的哪一部分工作不正常, 以及 不正常到何种程度 ; 预测是确定情况将要发展的进 程。诊断是确定飞行器及其组成部分健康状态所需 的活动集合。根据获取的信息, 诊断应能明确故障 的根本原因, 并能对应解释信息表示的症状。 诊断的目标是在刚出现时就识别问题 , 而不是 等到所有情况 都明晰。预测 则是必须具备 根据过
九八 五 工程 飞 行 控制 专 业 建 设 资 助 项 目 ( 04XD0401) ; 西北工 业 大学 英才 培 养 计划 资 助项目 ( 03XD0103)
作者简介 : 李爱军 ( 1972- ), 男 , 黑龙江 密山人, 博士 , 副教授 , 主要从事智能控制理论与应用 , 飞行控制的研究。
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电光与控制
第 14 卷
去、 现在的情况以及积累的数据推断情况 /状态发展 的能力。 2) 缓和 对故障进行处理, 最大可能保证平台和任务的 有效性。缓和的实施建立在对故障影响评估的基础 上。对飞行器健康状 态的影响决定 了平台资源重 组 /重 构以及任务再计划的实际内容。 3) 修复 更换或者是将故障部分恢复到正常状态。 4) 检验 确认修理解决了故障问题, 并且没有遗留潜在 的副作用。 修复和检验主要解决恢复平台设计构型及其程 度的问题。达到修理和验证目标后, 飞行器的健康 状态将恢复到设计水平。因此 , 健康管理就范围而 言包括了平台上的管理活动以及地面的维修和保障 活动。从目前国外的研究情况来看, 健康管理的实 现更加强调地面的诊断、 预测和维护决策支持。 [ 4, 6 ] 1 . 3 健康管理采用的主要故障诊断方法 诊断推理技术是健康管理系统的核心技术 , 现 在的健康管理系统大都采用基于多级模型的推理技 术。在系统级的诊断层次 , 多采用定性推理技术; 而 在一些子系统和元件诊断层次上, 则采用定量模型 模拟和基于多信号的建模技术。另外, 由于基于模 型技术有自身的缺点, 如果建立的模型比较好地反 映了原系统结构 , 则诊断结果比较准确, 但由于现代 飞行器系统内部结构复杂 , 很难准确建模 , 诊断结果 可能误差比较大。因此, 还应采用人工神经网络、 模 糊逻辑和统计学习等人工智能技术以及多信息融合 技术, 对基于模型故障诊断技术进行改进和补充。
1 健康管理的基本概念
1 . 1 定义 飞行器的健康状态描述了构成系统、 子系统以 及部件执行设计功能 的能力。飞行 器的健康管理 ( HM )定义为与其健康状态直接相关的管理活动 , 即了解飞行器及其组成部分的状态, 在出现功能失 灵时将其恢复到正常状态 , 而在系统故障后将安全 风险和对任务的影响降到最小。健康管理以诊断、
第 3期
李爱军等 :
飞行器健康管理技术综述
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阈值大小, 而输出则为对检测部分、 子系统、 系统的 状况报告信息。 3) 健康评估层 该层的功能是持续融合来自状态监视层以及其 他健康评估部分的多个信息源的数据 , 诊断并报告检 测部分和子系统的健康状态, 并据此进行故障隔离, 完成余度管理、 实时综合资源管理和优化以及重组 / 重构。特殊功能包括间歇状况的分析、 特殊数据的收 集、 事件的相关性分析以及未知故障和事件的报告 等。健康评估的节点应能面向测试或健康评估策略 实现诊断, 以及命令控制系统动作以处理未知故障或 断续发生的事件。控制动作包括对状况监视器或健 康评估节点报告的控制, 以及对数据收集和任务优先 级的控制。此外健康评估节点也可将资源管理能力 包括在内, 以充分利用数据存储、 处理和通讯的资源。 4) 预测层 该层的功能是对部件和子系统在使用工作包线 和工作应力下的剩余使用寿命进行估计。使用工作 包线和工作应力可参照预先设定的强度或直接对运 行强度进行估计得出。 5) 决策支持层 该层包含操作和支持系统 , 例如任务 /操作性能 评估和规划、 维修推理机以及维修资源管理。该层 为维修资源管理和其他监视综合健康管理系统的性 能和有效性的处理过程提供支撑。 6) 人机交互层 该层应具备与其他所有层通讯的能力, 并可通 过便携式维修设备、 维修管理和操作管理实现综合 健康管理系统与维修人员的人机交互界面功能。 以上 6 层结构中, 信号获取和处理、 状态监控、 健康评估等 3 层位于飞行器平台上, 是健康管理、 任 务载荷管理的主要内容。 3 层的功能可直接借助飞 行器子系统中的传感器、 处理器以及分布式系统互 联网络和计算单元来具体实现。预测、 决策支持和 人机交互等 3层功能需要更强的计算处理资源, 以及 更加广泛、 完整、 全局性的数据资料和历史性档案 , 主 要由地面的相应健康管理子系统 /设备来实现。 2 . 4 JSF 中的综合健康管理技术 新一代战斗机中采用综合健康管理技术是为了
Fra Baidu bibliotek
图 1 综合飞行器健康管理系统组成框图
2 . 3 综合飞行器健康管理系统的功能分层 对应健康管理行为的需要, 从信息交互角度 , 可 将综合飞行器健康管理系统分成 6 个信息层, 分别 为信号处理层、 状态监控层、 健康评估层、 预测层、 决 策支持层以及人机交互层。该结构支持平台上和地 面的组成部分, 并包括与 所有支持系统 ( 例如维护 和后勤 )、 子 系统 /飞 行器控制以及 任务 /运 行管理 的交互界面。 1) 信号处理层 该层获取和处理来自传感器与控制系统的输入 数据 , 既包括专用的功能状态、 正常与否的指示, 也 包括依照设定的特征空间提取数据的内容特征。通 常的提取算法包括快速傅里叶变换、 小波、 滤波器或 统计 ( 平均 , 标准偏差 )等。 2) 状态监控层 该层对子系统、 部件的行为以及材料的状况进 行测试和报告 , 此外也对运行环境进行检测和报告。 状态监控层的关键输入包括 信号获取和处理 层 处理过的信号以及来自 健康评估 层的控制输入 和报告准则, 其中报告准则用于控制报告的时间和
Survey on aircraft health m anage m ent technology
L I A i- jun, Abstract : ZHANG W e i- guo , TAN Jian
( College of A utomation, N or thw estern Po ly technical University, X i an 710072, China )
摘
要:
健康管理技术是近年来飞行器 ( 飞机 、 无人机、 航天器 ) 广泛采用的一种了解及修复
飞行器与元部件状态的技术。在总结国内外文献的基础上, 详细阐述了健康管理的定义 、 行为, 综 合飞行器健康管理系统及其组成 、 功能, JSF 战斗机的综合健康管理技术以及自主后勤保障体系的 概念、 结构及功能等内容。 关 键 词: 健康管理; V 249 综合飞行器健康管理系统 ( I VHM S ); 自主后勤保障体系 文献标识码 : A 预测及健康管理 ( PHM ); 联 合分布式信息系统 ( JDIS) ; 中图分类号 :
[2 , 10 - 14]
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2 综合飞行器健康管理技术
综合飞行器健康管理 ( I VHM ) 这个概念出现于 1970年代, 它定义为一些行 为的集合, 这些行为包 括了解飞行器及其元件的状态 , 当飞行器发生异常 时把它恢复到正常状态以及在系统发生故障时使它 对系统安全和所进行任务的影响最小。 2 . 1 综合飞行器健康管理系统 综合飞行 器健 康管理 系 统 ( Integ rated V eh ic le H ealth M anagem ent Syste m, I VHMS ) 由对 飞行器的 智能检测、 系统级评估、 控制和管理功能所构成 , 目 的是为飞行器操作员及任务执行者提供信息和辅助 决策, 以降低生命周期风险 , 避免一些不可预料的危 险事故。 I VHM S 实行以信息为依据的运行与维修 ,
也就是收集、 处理和综合 关于整个系统 ( 包括飞行 器、 子系统、 部件、 传感器和地面保障系统 ) 的健康 信息 , 进而做出以信息为依据的决策, 产生确保任务 成功的相应的动作或行动。综合健康管理技术是提 高飞机、 空间飞行器的安全性、 可靠性及可维护性并 有效地降低成本的重要技术途径。 2 . 2 综合飞行器健康管理系统的组成 I VHMS 主 要 分 为 两 部 分: 地 面 健 康 管 理 ( IGHM ) 系统和机载健康管理 ( I VHM ) 系统, 如图 1 所示。其机载系统包括飞行器管理、 任务管理和子 系统管理等部分。地面系统以综合维修信息系统为 基础 , 是一个颇具规模的计算机网络, 包括任务和运 行控制站、 维修推理器、 维修资源管理器以及地面的 诊断推理器。综合飞行器健康管理系统能实时完成 天空 - 地面通信, 可执行地面命令 , 提前通报故障, 使地面维护提前准备就绪。
第 1 4卷 第 3期 2007 年 6 月
电光与控制 ELECTRON ICS O PT ICS & CONTROL
V o.l 14 N o . 3 Jun . 2007
文章编号 : 1671- 637X ( 2007) 03- 0079- 05
飞行器健康管理技术综述
李爱军 , 章卫国, 谭 键
710072) ( 西北工业大学自动化学院 , 西安
H ea lth m anagem en t techno logy is w idely used in aircrafts , U ninhab ited A erial V ehic le s
( UAV ) and spacecrafts in recent years, wh ich is used for obta in ing the situation of th e vehic le itse lf and the com ponents, and for renovat ing if necessary . In th is paper , the definition and behav ior of the health m anagem en, t In tegra ted Veh icle H ea lth M anagem ent System ( I VHM S) and its com posit ion and function , in tegrated health m anagem ent techno lo gy o f JSF, the concept io n , structure and function of autonom ous lo g istics safeguard system and so on are in troduced and ana ly zed based on summ ary to fore ig n literatures . K ey w ords: health m anagem en; t Integrated Veh icle H ealth M anage m ent System ( I VHM S ); Jo int D istr ibution Infor m at io n System ( JD IS) ; P rog autono nosticatio n and H ealth M anagem ent( PHM ) ; m ous logistics safeguard syste m
收稿日期 : 2006- 02- 27 基金项目 : 修回日期 : 2006- 06- 29
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预测为主要手段, 具有智能和自主的典型特征, 必须 建立在状态 /信 息感知、 融合和辨识的基础上, 是以 感知为中心的决策过程和执行过程。 1 . 2 健康管理的行为 健康管理作用的对象是诸如飞行器管理系统和 任务管理系统等复杂的大系统。健康管理涉及从发 生故障到恢复正常的一系列活动。围绕故障的生命 周期 , 健康管理大致有以下 4 个行为: 1) 诊断和预测 诊断是发现系统的哪一部分工作不正常, 以及 不正常到何种程度 ; 预测是确定情况将要发展的进 程。诊断是确定飞行器及其组成部分健康状态所需 的活动集合。根据获取的信息, 诊断应能明确故障 的根本原因, 并能对应解释信息表示的症状。 诊断的目标是在刚出现时就识别问题 , 而不是 等到所有情况 都明晰。预测 则是必须具备 根据过