基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估_孙闯
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第 49 卷第 6 期 2013 年 3 月
机
械
工 程
学
报
Vo l . 4 9 Mar.
No.6 2013
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2013.06.030
基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估*
孙 闯1 何正嘉 1 张周锁
1
陈雪峰 1
32
机
械
工
程
学
报
T
第 49 卷第 6 期期
能部件的可靠性进行分析。 特征提取过程使用不同的统计方法分析所采 集到的状态信息，提取多方面的统计特征全面地反 映状态信息的本质属性，并利用统计特征建立状态 特征矩阵。状态特征矩阵可表示为 x11 x12 x1m x x22 x2 m X x1 , x2 ,, xm 21 (1) x n1 xn 2 xnm 式中， X 表示状态特征矩阵； xi 为特征矢量， xi x1i , x2i ,, xni ；n 表示特征个数； xij 表示第 i
月 2013 年 3 月
孙
闯等：基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估
31
客机因发动机故障失去动力坠毁，造成 78 人遇难 27 人重伤的灾难性事故。 2012 年 11 月 11 日， 阿联 酋航空公司一架空客 A380-800 客机起飞后在爬升 过程中一台发动机发生故障， 故障发动机被迫关闭， 所幸处理措施及时、得当未造成重大人员伤亡。因 此，为了保证飞机的安全性、防止重大灾难事故的 发生，必须对航空发动机在运行过程中的可靠性进 行评估。 近一个多世纪以来，国内外学者在可靠性研究 领域取得了丰硕的成果，可靠性理论日臻完善、工 程应用效果不断提升。然而，传统可靠性分析基于 大样本概率统计方法，只能给出宏观统计意义下的 分析结果。利用传统可靠性分析方法评估航空发动 机的运行可靠性存在以下两方面的困难： ① 传统可 靠性分析基于大样本条件，难以有效地处理小样本 失效数据，而航空发动机具有高可靠性和长寿命特 点，失效样本不足，其可靠性评估是典型的小样本 问题； ② 不同工况条件下航空发动机退化形式不尽 相同，具有离散性，传统可靠性方法基于大样本统 计出的共性失效规律缺乏对单台设备可靠性评估的 准确性。 传统可靠性理论方法应用于小样本和单台设 备可靠性评估的不足已引起了国内外学者的关注。 [1] 2000 年，著名可靠性专家 O’CONNOR 等 在国际 权威可靠性杂志上撰文深刻阐述了传统统计方法在 解决工程中小样本问题时容易产生误导的原因。我 [2] 国学者黄洪钟 对常规可靠性理论的基本假设进行 了批判，并指出基于大样本的概率重复性假设在解 决工程问题时所存在的不合理性。近年来，越来越 多的学者开始致力于设备运行信息在可靠性评估中 [3] 的应用研究。2009 年，意大利学者 ZIO 发表综述 性文章指出利用状态信息进行系统可靠性评估的可 行 性 。 2011 年 ， 韩 国 学 者 CAESARENDRA 等 利用状态监测信息和智能预测模型实时评估和 预测了机械设备的失效概率。国内西安交通大学丁 [5-7] 锋等 较早地研究基于状态信息的设备可靠性评 估方法，并取得一定成果：2009 年，建立了基于运 行状态信息的轴承可靠性评估模型；2011 年，建立 了基于全寿命状态监测数据的数控加工刀具可靠性 评估模型；2012 年，将状态信息应用到比例协变量 模型中，提出了一种刀具运行可靠性评估方法。 上述研究利用运行信息进行可靠性评估，建立 了状态信息与设备运行可靠性之间的映射关系，在 一定程度上克服了传统可靠性评估方法的不足。然 而，这些方法仍然需要历史失效样本以确定可靠性 评估模型参数，对于小样本或者单样本条件下的可
图1
运行可靠性评估流程图
1.1
状态信息获取与特征提取
航空发动机是由多个功能部件组成的完整机 械系统。就像人体系统的温度、血压等指标能够反 映其健康状态一样，航空发动机的温度、压力和转 子转速等运行信息也能够体现其运行状态的好坏。 另外，航空发动机的每个功能部件可以看作单独的 机械结构，机械结构的动态响应信息可表征该结构 的损伤状况。在本文的三个案例中分别采集发动机 的温度、压力等运行状态信息和关键功能部件的动 态响应信号，利用监测信息对发动机整体和关键功
[4]
靠性评估仍然存在困难。 状态监测数据是设备内在状态的外在表现，反 映了设备的健康程度，为设备可靠性评估提供了重 要信息。针对单台航空发动机运行可靠性难以用传 统可靠性方法评估的问题，本文提出了一种基于运 行信息的可靠性评估方法。该方法评估航空发动机 当前状态与其正常状态的相似性得到可靠度指标， 不依赖历史失效数据，可实现单台设备可靠性的实 时评估。其核心过程如下：获取发动机的状态信息 并建立状态子空间；计算正常状态与当前状态子空 间基矢量的主夹角，主夹角反映了当前时刻发动机 性能偏离正常状态的程度，体现了发动机能够完成 正常规定功能的能力；最后根据主夹角定义可靠度 指标，对航空发动机的运行可靠性进行评估。
1
运行可靠性评估方法
本文提出的基于状态信息的运行可靠性评估 方法主要包含 4 个步骤，即状态信息获取与特征提 取、子空间构造、子空间主夹角计算和可靠度指标 定义。状态信息获取与特征提取的主要目的是建立 状态信息模式与发动机性能的对应关系，并对状态 信息进行统计分析构造状态特征矩阵；子空间构造 过程利用子空间分析方法建立状态特征矩阵的子空 间；子空间主夹角计算过程通过数值分析方法计算 正常状态与当前状态子空间的主夹角，定量反映两 个子空间的相似程度；最后根据子空间主夹角定义 在区间[0, 1]内变化的可靠度指标。运行可靠性评估 流程图见图 1。
Operating Reliability Assessment for Aero-engine Based on Condition Monitoring Information
SUN Chuang1 HE Zhengjia1 ZHANG Zhousuo1 CHEN Xuefeng1 NING Xiyu2 ZOU Limin2 CAO Hongrui1
0
前言
源自文库
*
航空发动机是飞机的“心脏” ，其状态性能直
* 国家自然科学基金(51035007， 51275382)、 博士点基金优先发展领域(重 点)(20110201130001)资助项目。20121205 收到初稿，20130218 收到修 改稿
接决定了飞机的飞行状态。受高温、高压、变工况 等恶劣工作环境的影响，航空发动机将不可避免地 发生性能退化，其性能退化会降低整个飞机系统的 可靠性和安全性，增加安全风险甚至导致重大事故 的发生。由发动机故障引起的飞机事故屡见不鲜， 2011 年 1 月 9 日，伊朗航空公司一架波音 727-286
曹宏瑞 1
宁喜钰 2
710049；
邹利民 2
(1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 2. 五七一九工厂 成都 611900)
西安
摘要：航空发动机是飞机的“心脏” ，其运行可靠性评估对保障飞行安全具有重要意义。受不同运行状况的影响，航空发动 机退化程度和失效时间具有较大的离散性。 针对单台航空发动机运行可靠性评估难以运用基于大样本统计的传统可靠性方法 的问题，提出基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估方法。该方法利用核主成分分析建立状态子空间，描述航空发动机 状态性能的变化；计算正常状态与当前状态子空间基矢量的主夹角，利用映射函数将主夹角转化为运行可靠度。采用美国国 家航空航天局提供的航空发动机全寿命仿真数据和某维修厂现场实测数据对所提出的方法进行验证， 结果表明该方法能够合 理地评估单台航空发动机的运行可靠性，为小样本条件下航空发动机运行可靠性评估提供有效手段。 关键词：运行可靠性 中图分类号：TH17 航空发动机 状态信息 子空间 主夹角
T
式中， 1 , 2 ,, m 表示权矢量。将式(3)、(5) 代入式(4)， 并经过一系列化简可将 KPCA 特征值方 程转化为
(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049; 2. 5719 Factory, Chengdu 611900)
Abstract：The aero-engine is a pivotal component of an airplane. The operating reliability assessment of the aero-engine is greatly meaningful in guaranteeing the flight safety. In practice, operating conditions of the aero-engines vary. It leads to that degradation degrees and failure times for different aero-engines are with great degrees of discreteness. Aiming at solving the problem that reliability assessment methods based on probability statistical analysis are inappropriate to assess the reliability of the individual aero-engine, a novel method using the condition monitoring information is proposed. The condition subspace of the aero-engine is constructed by utilizing the Kernel principal component analysis(KPCA) to describe the performance change of the aero-engine. The principal angles between the subspaces from the normal state and the damage state are calculated. The principal angles are transformed into operating reliability index by a proper mapping function. The proposed method is validated by using both the aero-engine run-to-failure data shared by National Aeronautics and Space Administration and the practical test data from a repair factory of aero-plane. The results illustrate the proposed method can assess the operating reliability of the aero-plane reasonably. It also offers valid approach for the operating reliability assessment of the aero-plane whose failure model subjects to small sample characteristics. Key words：Operating reliability Aero-engine Condition monitoring information Subspace Principle angles
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Vo l . 4 9 Mar.
No.6 2013
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2013.06.030
基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估*
孙 闯1 何正嘉 1 张周锁
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陈雪峰 1
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第 49 卷第 6 期期
能部件的可靠性进行分析。 特征提取过程使用不同的统计方法分析所采 集到的状态信息，提取多方面的统计特征全面地反 映状态信息的本质属性，并利用统计特征建立状态 特征矩阵。状态特征矩阵可表示为 x11 x12 x1m x x22 x2 m X x1 , x2 ,, xm 21 (1) x n1 xn 2 xnm 式中， X 表示状态特征矩阵； xi 为特征矢量， xi x1i , x2i ,, xni ；n 表示特征个数； xij 表示第 i
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孙
闯等：基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估
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客机因发动机故障失去动力坠毁，造成 78 人遇难 27 人重伤的灾难性事故。 2012 年 11 月 11 日， 阿联 酋航空公司一架空客 A380-800 客机起飞后在爬升 过程中一台发动机发生故障， 故障发动机被迫关闭， 所幸处理措施及时、得当未造成重大人员伤亡。因 此，为了保证飞机的安全性、防止重大灾难事故的 发生，必须对航空发动机在运行过程中的可靠性进 行评估。 近一个多世纪以来，国内外学者在可靠性研究 领域取得了丰硕的成果，可靠性理论日臻完善、工 程应用效果不断提升。然而，传统可靠性分析基于 大样本概率统计方法，只能给出宏观统计意义下的 分析结果。利用传统可靠性分析方法评估航空发动 机的运行可靠性存在以下两方面的困难： ① 传统可 靠性分析基于大样本条件，难以有效地处理小样本 失效数据，而航空发动机具有高可靠性和长寿命特 点，失效样本不足，其可靠性评估是典型的小样本 问题； ② 不同工况条件下航空发动机退化形式不尽 相同，具有离散性，传统可靠性方法基于大样本统 计出的共性失效规律缺乏对单台设备可靠性评估的 准确性。 传统可靠性理论方法应用于小样本和单台设 备可靠性评估的不足已引起了国内外学者的关注。 [1] 2000 年，著名可靠性专家 O’CONNOR 等 在国际 权威可靠性杂志上撰文深刻阐述了传统统计方法在 解决工程中小样本问题时容易产生误导的原因。我 [2] 国学者黄洪钟 对常规可靠性理论的基本假设进行 了批判，并指出基于大样本的概率重复性假设在解 决工程问题时所存在的不合理性。近年来，越来越 多的学者开始致力于设备运行信息在可靠性评估中 [3] 的应用研究。2009 年，意大利学者 ZIO 发表综述 性文章指出利用状态信息进行系统可靠性评估的可 行 性 。 2011 年 ， 韩 国 学 者 CAESARENDRA 等 利用状态监测信息和智能预测模型实时评估和 预测了机械设备的失效概率。国内西安交通大学丁 [5-7] 锋等 较早地研究基于状态信息的设备可靠性评 估方法，并取得一定成果：2009 年，建立了基于运 行状态信息的轴承可靠性评估模型；2011 年，建立 了基于全寿命状态监测数据的数控加工刀具可靠性 评估模型；2012 年，将状态信息应用到比例协变量 模型中，提出了一种刀具运行可靠性评估方法。 上述研究利用运行信息进行可靠性评估，建立 了状态信息与设备运行可靠性之间的映射关系，在 一定程度上克服了传统可靠性评估方法的不足。然 而，这些方法仍然需要历史失效样本以确定可靠性 评估模型参数，对于小样本或者单样本条件下的可
图1
运行可靠性评估流程图
1.1
状态信息获取与特征提取
航空发动机是由多个功能部件组成的完整机 械系统。就像人体系统的温度、血压等指标能够反 映其健康状态一样，航空发动机的温度、压力和转 子转速等运行信息也能够体现其运行状态的好坏。 另外，航空发动机的每个功能部件可以看作单独的 机械结构，机械结构的动态响应信息可表征该结构 的损伤状况。在本文的三个案例中分别采集发动机 的温度、压力等运行状态信息和关键功能部件的动 态响应信号，利用监测信息对发动机整体和关键功
[4]
靠性评估仍然存在困难。 状态监测数据是设备内在状态的外在表现，反 映了设备的健康程度，为设备可靠性评估提供了重 要信息。针对单台航空发动机运行可靠性难以用传 统可靠性方法评估的问题，本文提出了一种基于运 行信息的可靠性评估方法。该方法评估航空发动机 当前状态与其正常状态的相似性得到可靠度指标， 不依赖历史失效数据，可实现单台设备可靠性的实 时评估。其核心过程如下：获取发动机的状态信息 并建立状态子空间；计算正常状态与当前状态子空 间基矢量的主夹角，主夹角反映了当前时刻发动机 性能偏离正常状态的程度，体现了发动机能够完成 正常规定功能的能力；最后根据主夹角定义可靠度 指标，对航空发动机的运行可靠性进行评估。
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运行可靠性评估方法
本文提出的基于状态信息的运行可靠性评估 方法主要包含 4 个步骤，即状态信息获取与特征提 取、子空间构造、子空间主夹角计算和可靠度指标 定义。状态信息获取与特征提取的主要目的是建立 状态信息模式与发动机性能的对应关系，并对状态 信息进行统计分析构造状态特征矩阵；子空间构造 过程利用子空间分析方法建立状态特征矩阵的子空 间；子空间主夹角计算过程通过数值分析方法计算 正常状态与当前状态子空间的主夹角，定量反映两 个子空间的相似程度；最后根据子空间主夹角定义 在区间[0, 1]内变化的可靠度指标。运行可靠性评估 流程图见图 1。
Operating Reliability Assessment for Aero-engine Based on Condition Monitoring Information
SUN Chuang1 HE Zhengjia1 ZHANG Zhousuo1 CHEN Xuefeng1 NING Xiyu2 ZOU Limin2 CAO Hongrui1
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前言
源自文库
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航空发动机是飞机的“心脏” ，其状态性能直
* 国家自然科学基金(51035007， 51275382)、 博士点基金优先发展领域(重 点)(20110201130001)资助项目。20121205 收到初稿，20130218 收到修 改稿
接决定了飞机的飞行状态。受高温、高压、变工况 等恶劣工作环境的影响，航空发动机将不可避免地 发生性能退化，其性能退化会降低整个飞机系统的 可靠性和安全性，增加安全风险甚至导致重大事故 的发生。由发动机故障引起的飞机事故屡见不鲜， 2011 年 1 月 9 日，伊朗航空公司一架波音 727-286
曹宏瑞 1
宁喜钰 2
710049；
邹利民 2
(1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 2. 五七一九工厂 成都 611900)
西安
摘要：航空发动机是飞机的“心脏” ，其运行可靠性评估对保障飞行安全具有重要意义。受不同运行状况的影响，航空发动 机退化程度和失效时间具有较大的离散性。 针对单台航空发动机运行可靠性评估难以运用基于大样本统计的传统可靠性方法 的问题，提出基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估方法。该方法利用核主成分分析建立状态子空间，描述航空发动机 状态性能的变化；计算正常状态与当前状态子空间基矢量的主夹角，利用映射函数将主夹角转化为运行可靠度。采用美国国 家航空航天局提供的航空发动机全寿命仿真数据和某维修厂现场实测数据对所提出的方法进行验证， 结果表明该方法能够合 理地评估单台航空发动机的运行可靠性，为小样本条件下航空发动机运行可靠性评估提供有效手段。 关键词：运行可靠性 中图分类号：TH17 航空发动机 状态信息 子空间 主夹角
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式中， 1 , 2 ,, m 表示权矢量。将式(3)、(5) 代入式(4)， 并经过一系列化简可将 KPCA 特征值方 程转化为
(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049; 2. 5719 Factory, Chengdu 611900)
Abstract：The aero-engine is a pivotal component of an airplane. The operating reliability assessment of the aero-engine is greatly meaningful in guaranteeing the flight safety. In practice, operating conditions of the aero-engines vary. It leads to that degradation degrees and failure times for different aero-engines are with great degrees of discreteness. Aiming at solving the problem that reliability assessment methods based on probability statistical analysis are inappropriate to assess the reliability of the individual aero-engine, a novel method using the condition monitoring information is proposed. The condition subspace of the aero-engine is constructed by utilizing the Kernel principal component analysis(KPCA) to describe the performance change of the aero-engine. The principal angles between the subspaces from the normal state and the damage state are calculated. The principal angles are transformed into operating reliability index by a proper mapping function. The proposed method is validated by using both the aero-engine run-to-failure data shared by National Aeronautics and Space Administration and the practical test data from a repair factory of aero-plane. The results illustrate the proposed method can assess the operating reliability of the aero-plane reasonably. It also offers valid approach for the operating reliability assessment of the aero-plane whose failure model subjects to small sample characteristics. Key words：Operating reliability Aero-engine Condition monitoring information Subspace Principle angles