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作者简介:

魏元雷,男,博士,高级工程师。主要研究方向:民用飞机实时监控、故障预测与健康管理。E-mail:weiyuanlei@comac.cc

通讯作者:

魏元雷,E-mail:weiyuanlei@comac.cc

中图分类号:TP227

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.03.018

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目录contents

    摘要

    现代民用飞机在设计和维修领域的故障预测与健康管理(PHM)系统研制均需要技术标准的支撑,随着PHM技术的快速发展和应用,提高PHM系统研制的标准化水平,也成为提高民机健康管理业务灵活性与效率、技术风险的科学评估与管理、投资回报水平的迫切需要。全面梳理分析了以SAE、MIMOSA、ARINC、FAA、RTCA、IEEE为代表的国外先进标准组织编制的PHM相关的标准体系和应用范围;指出国内民用飞机故障预测与健康管理标准研究、编制和应用差距;参考SAE HM-1标准规范体系的规划和建设思路,基于系统工程的方法论,从顶层进行规划,初步设计了我国民机健康管理标准体系框架和各专题的标准题目分解。最后提出我国PHM标准体系开发思路,以及标准体系的编制工作实施建议。

    Abstract

    The development of prognostics and health management (PHM) systems in the fields of civil aircraft design and maintenance needs the support of PHM standards. With the rapid development and deep application of PHM technology, the PHM standards also become an urgent need to improve operational flexibility and efficiency of PHM systems as an aid to cost effectiveness, and to improve the scientific assessment and management of technical risk. This paper comprehensively introduces and analyzes the existing foreign PHM related standard systems. This paper comprehensively analyzes the existing PHM related standard systems represented by SAE, MIMOSA, ARINC, FAA, RTCA and IEEE, and the gap between the domestic civil aircraft PHM standards and the foreign ones. Based on the methodology of systems engineering, the paper proposes the preliminary plan of China’s civil aircraft PHM standards with reference to SAE HM-1 standard system, as well as the research directions and the suggestions of standards drafting, tracking and feedback. Finally, this poper puts forward the development ideas of PHM standard system in China, as well as the compilation and the implementation suggestions of the standard system.

  • 0 引言

  • 在民航维修领域,飞机故障预测与健康管理技术(prognostics and health management,简称PHM)已获得了飞速发展和广泛应用,以适应预测维修、精准维修、智能维修的发展趋势。波音、空客等民机巨头正在利用其在飞机设计、参数设定及系统集成方面的技术优势和丰富经验,借助其在飞机运行数据获取、分析技术、市场领先地位,不仅开发出广受欢迎的AHM、AIRMAN技术服务,还积极推出了一系列大数据分析与运行支持平台,如波音的AnalytX、空客的Skywise、GE的Predix/APM、Honeywell的FORGE,建立新的航空维修数字服务生态环境,将形成行业核心技术、市场、产业链的垄断前景。客观上,上述服务优化了航空公司运营、提升了机队维护效率和飞机性能。但对国外技术和服务产品的依赖,我国将失去航空维修产业的主导权,面临极大的数据安全风险和重大经济损失等隐患。国内航空公司和飞机主制造商目前已开始重视自主开发健康管理系统技术和产品,以规避上述风险。

  • 然而,目前我国民机PHM系统研制和标准编制总体还处于起步跟踪阶段,相关的标准规划、研究和制定成果匮乏,已成为制约我国民机PHM系统研制和应用发展的一个重要瓶颈之一。欧美国家在PHM标准研究和制定方面已建成成熟体系,获得了蓬勃发展,因此非常有必要分析借鉴国外标准。本文全面系统研究了现有的国外PHM相关的标准体系和应用范围,提出了我国民机PHM标准体系建设规划建议。

  • 1 概述

  • 国外以SAE、MIMOSA、ARINC和FAA为代表的先进标准组织,基于系统工程的方法论,分工协作,共同构建起飞机健康管理标准体系,包含了应遵循的适航规章、需求与技术要求、系统架构设计、系统接口、验证与评价、开发实施与系统运行,同时也针对PHM机载和地面系统中应用的状态监测技术、故障诊断与预测技术,涵盖了机电/航电系统、发动机、APU、机体结构等典型系统部件,发布了技术规范、指南和实用信息报告。

  • 国际上主要的民机健康管理标准组织和机构,如:美国汽车工程师学会(SAE)、机械信息管理开放标准联盟(MIMOSA)、美国航空无线电公司(ARINC)、美国联邦航空管理局(FAA)、美国航空无线电委员会(RTCA)、国际标准化组织(ISO)、国际电子电气工程师协会(IEEE)等,所编写的针对IVHM/EHM/HUMS的标准和规范,其各自的研究方向和面向领域如图1所示。

  • 图1 国外健康管理相关标准组织

  • SAE标准体系侧重于飞机及其成员系统PHM、发动机EHM、飞机结构SHM、直升机HUMS等。对民用固定翼和旋翼飞机都可用,适用于健康管理系统论证、设计、研制、验证、实施过程。同时为符合适航当局的要求,还需遵循相关FAA、ARINC、RTCA的相关标准。

  • IEEE标准侧重于电子系统PHM测试和诊断信息的通用描述,可用于飞机航电系统PHM的规划与开发。MIMOSA的OSA-CBM标准适用于视情维修系统设计,以及CBM系统内部数据交换。目前ISO机器状态监测与诊断(CM&D)系列标准主要应用于燃气轮机、风机、液压、电力领域。

  • 2 飞机健康管理(PHM)相关标准分析

  • 2.1 SAE HM-1委员会

  • SAE HM-1标准委员会(SAE HM-1Integrated Vehicle Health Management Committee)成立于2010年,成员来自OEM厂商如Airbus、Boeing、BAE、EUROCOPTER、GE、Pratt& Whitney、Rolls-Royce、Goodrich、Honeywell、Meggitt、Parker Aerospace等,政府与监管当局如EASA、FAA、ICAO、Transport Canada,航空公司如United Airlines、Lufthansa,研究机构如NASA、Cranfield University等,该委员会的主要职责是:跟踪分析行业最新IVHM需求、经验和技术,为IVHM设定健康管理标准的路线图,制定相关的SAE标准,并监控标准应用与修订。

  • 健康管理组织目标涉及了运营人、系统供应商、主制造商等多个利益攸关方,同时健康管理对象涉及所有机载成员系统、飞机结构、动力系统等多级多个系统、多个学科,健康管理对象、功能、特点、架构等不全相同,因此,确定明确的组织目标、设计准则、开发流程相关的标准框架是第一步。该委员会2012年确定了需要编写的标准体系,覆盖了组织目标、系统需求、架构、设计、验证和确认、实施与应用,构建了健康管理顶层标准体系。

  • SAE HM-1截至2021年4月已经编制发布18项标准[1-18],正在编制的标准共计5项[19],下文将全面分析描述SAE HM-1编制发布的标准。

  • 2.1.1 系统组织目标

  • ARP6275提供了在航空器上实施IVHM时的成本效益分析(CBA)的方法,需要考虑复杂特性、执行CBA的不同工具和方法,用于评估投资回报。

  • AIR6900给出了IVHM设计批准、运营人以及MRO的一系列适航法规、政策和指导文件,这是IVHM解决方案获得适航批准的基础,是型号合格证(TC)、补充型号合格证(STC)、修订TC或修订STC活动的一部分。飞机运营人将IVHM作为飞机维修计划的一部分,也是飞机运营许可证授权批准的基础。

  • ARP7122给出了飞机运行阶段使用IVHM系统完成维修信用(MC)的过程,以检查单和示例的形式详细说明了标准化流程。使用IVHM系统辅助飞机维修程序,多家IVHM系统已经获得适航当局批准。FAA已经发布了咨询通告指导IVHM系统适航认证的申请和实施,本文旨在就如何批准此类系统获得MC提供更具规范的指导,涵盖了IVHM机载和地面系统。

  • 2.1.2 需求分析

  • ARP6883给出了飞机IVHM系统需求编写指南,提供了IVHM功能需求和技术要求开发的一种系统化方法,重点是IVHM的独特要素和准则、各利益攸关方的一般要求和关注点、需求分解结构,还提供了IVHM完整的基于系统工程的开发流程、波音787、A350、F-35、AH-6健康管理系统需求编制实际样例。

  • JA6268给出了飞机健康就绪部件的设计数据与运行数据交换规范,系统各功能层级之间数据交换规范的最佳实践和指南,以便将部件和子系统IVHM功能集成到飞机或平台级别的应用,实现系统性能退化的跟踪监测和预警。

  • 2.1.3 系统架构设计

  • ARP6407从可行性评估、概念设计分析以及开发阶段为IVHM设计提供指导,并考虑了权衡研究、技术指标和生命周期影响。

  • AIR6915提供了设计和实施军用和民用固定翼飞机IVHM时应考虑的人为因素。这些因素涵盖了机组人员和维修人员根据IVHM系统的输出所采取的感知、分析和行动。

  • AS4831A给出了IVHM地面系统的软件接口规范,为IVHM地面系统用于多个制造商的设备状态和性能监控,建立了软件输入和输出接口规范。接口标准化有利于提高IVHM业务灵活性和效率以及成本效益(例如:更易于实施)。

  • ARP6290将为创建IVHM系统架构提供最佳实践和指导,还将提供架构设计参考工具、参考案例。本项指南把ISO13374CBM系统的功能层纳入IVHM架构开发的具体准则。该项标准目前还是草案。

  • 2.1.4 验证与确认

  • ARP6887将涵盖IVHM系统验证和确认过程中各节点的目标和活动,以确保IVHM系统的高质量和安全级别。该项标准目前还是草案。

  • 2.1.5 系统实施

  • ARP6803探讨了IVHM功能的全面构建,提供了与IVHM相关的概念、技术和实现的顶层视图,但没有提供详细的实施步骤。

  • JA6097给出了发动机和飞机系统在长期运营成本最低的条件下,基于可靠性模型优化维护成本、制定系统维修方案的方法。

  • JA1013将给出一些视情维修(CBM)最佳实践,视情维修实施路径,包括设计和运行支持阶段。该项标准目前还是草案。

  • 2.2 SAE E-32委员会

  • SAE E-32航空航天推进系统健康管理委员会发布了一系列燃气涡轮发动机监视系统标准,用以指导民用航空发动机的状态监视、故障诊断及健康管理系统的设计、使用和维护。该标准体系涵盖了EHM机载与地面系统架构、发动机振动、气路温度、传动系统、APU监测、故障预测等具体监测与分析技术规范和要求。

  • 现行有效SAE E-32标准总计19项,截至2021年4月共发布30项[20-49]、在编1项、在修订6项、作废12项标准[50]。2011年AIR1872B作废,2009年AIR4986A作废;2016年AIR1873A、AIR4061C、AIR4175B、AIR5120A四个AIR合并成ARP5120;2015年AIR4176A作废并由ARP4176A代替,2020年ARP4176A作废并由ARP6275代替;2017年AS8054A、AIR1839D作废,都由ARP1839代替。AIR4985和AIR5909将作废,由2020年10月发布的AIR7999代替。

  • 2.2.1 EMS体系结构设计

  • 1981年SAE发布了ARP1587《航空燃气涡轮发动机监视系统指南》,2013年发布了B版。在E-32的EHM标准规范中,ARP1587属于基石文件,该标准给出了关于发动机健康管理(EHM)系统完整的顶层体系结构和设计选项。这个关键里程碑式的规范提供了EHM顶层视图,给出了EHM的系统描述、功能、优势、示例,并提供了具有参考价值的实例,解决了一般性的实施问题,但没有提供详细的实施步骤。

  • AIR1871给出了EHM开发实施“经验教训”,针对多个类型的发动机EHM开发案例,给出了简要的技术描述、设计要求、研发成就、经验教训和未来建议,包含了EHM地面系统、金属屑末、滑油、传动等系统。

  • 2020年10月发布的AIR5871A发动机故障预测标准,给出了故障预测的含义、能力和局限性,以及现有故障预测方法的使用指南和示例,但没有涉及验证和技术实现。

  • ARP5120《航空燃气涡轮发动机健康管理系统开发与集成指南》提供了适用于端到端EHM系统开发的最佳实践推荐、程序和技术,以指导飞机发动机和辅助动力装置(APU)的高可靠性EHM系统的软硬件功能设计、开发、集成、验证和确认。本规范也给出了EHM系统研制要素、方法、活动和技术要求,包含了EHM系统的机载部分和地面部分,以开发和验证高可靠度EHM。

  • ARP5120提供了典型EHM系统参数需求、样本参数矩阵、接口参数类型、信号数据处理方法,考虑了气路性能、机械参数、低周疲劳和发动机历史数据记录,EHM地面系统功能设计需求和维修系统接口需求。

  • 2.2.2 EMS性能评估指标

  • AIR7999《发动机监控管理系统的故障诊断与预测指标体系》融合扩展了以前发布的AIR4985《发动机监测系统性能的量化评价方法》和AIR5909《EHM系统故障预测指标》,以适应近年来发动机故障诊断与预测技术的快速发展和应用,提供了故障诊断与预测模型算法及EHM系统规范化的性能和效能度量指标体系、必要的指标定义和数据源。

  • 2.2.3 典型系统及部件PHM标准

  • AIR1828C给出了发动机滑油系统监测指南,描述了滑油系统性能监测、金属屑末监测和状态监测的技术、方法、分析及应用。

  • ARP1839《航空涡轮发动机振动监测系统(EVM)指南》重点介绍了系统设计考虑因素,也描述了目前正在使用的EVM系统及其未来发展趋势。AS5391、AS5392、AS5393、AS5394、AS5395涵盖了HUMS更多方面。

  • AIR4174A给出了涡轴发动机动力传动系统监测指南,可以帮助管理层、设计人员和用户确定发动机动力传动系统状态监测需求、定义技术成熟度和应用风险、监测技术和组件选择、优化监测系统性能和成本效益。涵盖了发动机动力传动系统部件、接口、传动装置、齿轮箱、吊架轴承、轴系和相关旋转附件、螺旋桨和转子系统。

  • AIR5317A《飞机辅助动力单元(APU)健康管理指南》给出了APU主要监测参数清单和数据处理方法,为健康管理系统开发奠定了基础。

  • AIR1900A给出了发动机温度监测元件和系统选用指南,涉及发动机的各个区域温度测量方法和监测硬件的选择准则。AIR65给出了几种典型喷气发动机热电偶的性能及修正方法,以校正热电偶的设计、传导、辐射、响应速度和气体速度的影响。ARP690给出了测量空气与排气温度的标准无遮蔽连接热电偶设计规范,包括热电偶电动势测量校正、导杆类型、传导误差控制要求等。AIR46B讨论了发动机镍镉铝热电偶的测量准备与使用。ARP464、ARP465B分别给出了发动机温度传感器表贴安装设计、法兰结构安装设计指南。

  • 2.2.4 EHM系统持续适航要求

  • ARP5987给出了EHM系统生命周期维护信用保证流程,提供了EHM系统维护信用保证流程和检查表的详细使用指导、应用案例。它适用于端到端EHM系统的整个生命周期,包含机载系统和地面系统,实际应用时以检查单的形式来体现这一标准化流程。该文件没有规定EHM硬件或软件保证水平,其安全保证等级由“申请人”和适航监管机构共同确定。

  • 为了支持飞机的持续适航性,SAE E-32委员会制定了ARP6835《基于持续适航的飞机发动机监测系统》标准,特别强调支持ETOPS运行规章要求,发动机状态监测程序必须能在航前确定发动机是否能够在批准的发动机运行限制范围内提供所需的最大持续功率或推力、引气和功率提取。应用EMS系统检测、预测这种恶化或故障征兆,对减少机队运行事件和中断至关重要。EMS预测和检测的准确性应该保证在允许范围。

  • 2.3 SAE AISCSHM委员会

  • 截至目前,SAE AISC-SHM(Aerospace Industry Steering Committee on Structural Health)已发布3项、正在编制1项共计4项标准[51-53],涉及了固定翼和旋翼飞机结构健康监测实施、损伤检测能力评估分析、适航要求。

  • ARP6461提供了固定翼飞机结构健康监测实施指南,适用于SHM的定义、开发和认证。

  • AIR6892提供了旋翼飞机SHM技术的定义、开发、集成、认证和部署方面的指导。重点解决旋翼飞机上实施SHM的独特性,没有重复ARP6461中的通用部分。

  • ARP6821提供了结构健康监测系统损伤检测能力评估指南。该指南给出了量化评价方法,评价SHM系统的能力。

  • AIR6245给出了军方和工业方关于SHM的要求与难点,帮助SHM系统开发人员理解军方发布的大量适航规章、要求和标准。

  • 2.4 FAA标准组织

  • PHM系统应遵循的适航规范,主要包括FAA AC43-218、FAA Order 8110.49、FAA 25-356-SC及FAA AC29C MG-15。

  • FAA AC43-218《飞机综合健康管理系统(IAHM)的运行批准》给出了飞机健康管理系统可接受的端到端开发流程、方法指南与适航符合性要求。即将发布的AC43-218将为运营人获得飞机和发动机健康管理系统持续适航符合性批准提供指导。该文件包括以下几方面内容:

  • 1)提供IAHM系统开发指南,包括飞机系统、数据传输和数据分析/实施;

  • 2)描述设计批准持有人(DAH)的责任;

  • 3)飞机维护的触发要求;

  • 4)系统培训、数据及其传输安全要求;

  • 5)不得代替的性能必检项目(RII);

  • 6)运营人操作程序和监管方通告事项。

  • FAA Order 8110.49A机载软件批准指南,用来指导飞机认证服务,即如何应用DO-178B批准机载软件。

  • FAA 25-356-SC是针对波音787飞机创新的飞机机载数字网络和计算机软件系统发布的安全标准,以保护飞机系统和数据网络免受未经授权的访问,建立与现有标准规定的安全水平相等的安全水平。

  • FAA AC29C MG-15是旋翼飞机HUMS的适航性建议,给出了HUMS的验证、安装、认证、持续适航的实施方法步骤。

  • 2.5 ARINC标准组织

  • ARINC美国航空无线电公司制定的ARINC624《飞机机载维护系统设计指南》和ARINC604《机内测试设备设计和使用指南》[55]两项标准,是现代民航飞机维修系统的设计和实现的核心规范。机载维护系统通常被视为飞机PHM机载系统。

  • ARINC604描述了航线维修中BITE的角色、航电设备对BITE规格要求,提出了BITE设计和使用、集中式故障显示系统(CFDS)标准和数据存储要求,其目标是帮助用户降低维修成本、提高维修效率、简化维修程序并缩减人员培训。

  • ARINC624综合了每个成员系统LRU中的BITE系统、BITE接口与访问系统、综合数据处理系统、故障和失效的自动隔离(CMC)以及状态监控系统(ACMS)的具体设计标准。

  • 2.6 MIMOSA标准组织

  • 机器信息管理开放系统联盟(MIMOSA)是一个非盈利性行业协会,由工业资产管理系统供应商及工业资产最终用户组成。OSA-CBM规范最初由MIMOSA以及多个CBM技术应用企业(如波音、GE、Rockwell Collins等)共同制定,由MIMOSA对标准进行管理维护,版本经过多次更新,已经比较完善。

  • OSA-CBM标准对ISO13374定义的CBM系统的功能架构进行了细化设计,CBM系统需遵循的体系结构,从逻辑上分为传感器层、数据处理层、状态监测层、健康评估层、预测层、决策支持层和表示层共七个层次,还包括数据结构、数据通信接口、算法组织以及从信号采集到决策建议的数据处理流程的规定。ARP6290、ARP1587即是基于OSA-CBM标准编制了飞机及发动机健康管理系统架构设计指南。

  • 2.7 RTCA标准组织

  • RTCA是由美国民间非营利性股份公司运作的国际著名组织,主要针对航空领域内的通信、导航、监视和空中交通管理系统问题,提出一致性的建议。在健康管理系统研发当中,DO-178B、DO-160G、DO-254和DO-278四份标准可分别作为对机载软件认证、环境条件和测试程序、机载硬件和地面软件的要求[55]

  • 2.8 IEEE标准组织

  • 2017年IEEE发布了《1856电子系统PHM的标准框架》[56],用于支持电子系统的PHM系统的规划,内容覆盖了PHM名词术语定义,PHM系统能力、功能模型、全寿命周期过程、性能度量等框架性指导。

  • 与PHM有关的还有IEEE Std1232《面向所有测试环境的人工智能交换和服务标准》和IEEE Std1636《维修信息收集和分析的软件接口标准》系列标准,用于电子系统的测试性分析设计。

  • 3 我国民机PHM标准体系建设浅析

  • 3.1 我国PHM标准研究差距

  • 目前我国现有民机PHM标准主要针对测试性、状态监测等方面,几大航空公司丰富的国外PHM系统的使用及开发经验、飞机主制造商及供应商PHM技术预研和应用成果形成了部分企标和行标,如参考ARP1587形成的7个HB/Z 286系列《发动机状态监视系统设计实施指南》仍为1996版,国内民机主制造商仅形成了少量的健康管理功能试验方法、通用要求、研制程序等企业标准,主要用于机载PHM,呈现零散、局部、独立的特点,缺少系统性的标准规范体系及框架的规划与建设,导致系统研制过程中架构与数据接口设计、验证与实施等方面缺乏依据和指导。目前,我国PHM标准编制和应用都与国外存在较大的差距。

  • 3.2 我国民机PHM标准体系框架设计

  • 基于上述国外先进健康管理相关标准体系的分析与理解,参考SAE HM-1标准规范体系的规划和建设思路,本文初步规划了我国民用飞机健康管理标准体系,如图2所示,体现了PHM标准体系多维度不同层面的技术要素,涵盖了从组织目标、系统需求,到系统架构与详细设计/典型系统及部件、确认验证与取证、应用实施等PHM系统实现过程,并给出了各专题下分解的标准题目。

  • 我国PHM标准编制,应首先通过借鉴转化SAE、ARINC、FAA等的健康管理标准技术要素、标准体系及实施经验,基于航空公司/维修单位、飞机主制造商、系统供应商的使用场景和业务需求、研制模式,以实现自主知识产权的民用飞机健康管理为引领,通过持续积累PHM技术和工程实践经验,开发PHM技术与系统的企业规范和行业标准规范体系,满足航空公司的运营维修和民机型号研制需求,达到深化和推动我国民机健康管理技术进步和应用的目标,并积极参与国际标准组织。

  • 在实施层面,可由中国航空学会各专业技术委员会组织成立编制工作组,在“十四五”、“十五五”期间,跟踪分析行业最新PHM需求、经验和技术,设定民机PHM标准规范的发展路线图,进行标准规范的编制宣贯、应用监控、反馈修订。

  • 图2 民用飞机健康管理标准体系框架

  • 4 结论

  • 1)全面梳理分析了国外民用飞机健康管理标准体系的编制现状、核心内容和应用范围。

  • 2)国外已经建立起民机PHM数据信息流程、研制流程、专业技术对象等多维度、多层次、相对成熟的标准体系。

  • 3)首次提出了我国民用飞机健康管理标准体系完整的初步规划建议,编制工作实施思路。

  • 参考文献

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