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航空发动机健康管理综述
第２２卷第ｌ期 ２００９年２月燃气涡轮试验与研究Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ＲｅｓｅａｒｃｈＶ０１．２２，Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．．２００９ ５１摘要：本文在总结国内外有关文献的基础上，简要回顾了航空发动机健康管理的发展历程，表明实施发动机健康管 理的价值；详细阐述了发动机健康
管理的研究内容，发动机健康管理系统的功能、信息和物理层次结构；指出了开展发 动机健康管理研究的关键技术；最后提出了我国实施发动机健康管理的一些建议。 关键词：航空发动机；健康管理；信息融合；预测 中图分类号：Ｖ２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－２６２０（２００９）０１－００５１－０８ＳｕｒｖｅｙｏｎＡｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅ ＨｅａｌｔｈＭａｎａｇｅｍｅｎｔＷＡＮＧ Ｓｈｉ，ＷＡＮＧ（Ｓｃｈｏｏｌｏｆ Ｊｅｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆＲｏｎｇ―ｑｉａｏ，ＣＨＥＮ Ｚｈｉ―ｙｉｎｇ，ＦＡＮ Ｊｉａｎｇ，ＳＨＥＮ Ｘｉｕ―ｌｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇａＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）ｉｎｄｉｃａｔｅｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ａｉｒｃｒａｆｔ ｅｎｇｉｎｅ ｈｅａｌｔｈ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ＥＨＭａｒｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ（ＥＨＭ）ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆ ＥＨＭ，ＥＨＭ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌｈｉｅｒａｒｃｈｙ，ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ＥＨＭ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔ?ｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ．ａ ｆｅｗ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｏｆ ＥＨＭ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｕｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｉｒｃｒａｆｔｅｎｇｉｎｅ；ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｕｓｉｏｎ；ｐｒｏｇｎｏｓｔｉｃｓ１引言当前大型复杂系统面临的可靠性、可用性、经济 性以及维修保障等问题日益突出。传统的定期维修 方式不但耗费资源、效率低下。而且费用居高不下。 因此．美国国防部在２０世纪９０年代以来进行的国 防采办改革中都无一例外地将“经济可承受性”作为 首要驱动因素。视情维修由于具有规模小、效率高、 经济可承受性好以及可避免重大灾难性事故等显著 优势．非常适合大型复杂系统的维修保障。实行视情 维修的前提之一是要求系统具有对自身的故障进行 预测和健康状态进行管理的能力．也由此产生了预 测与健康管理（ＰＨＭ）的概念。ＰＨＭ是指利用传感器 获取系统的数据信息．借助各种智能模型和算法来 评估系统自身的健康状态。在系统故障发生前进行 预测。并结合可利用的资源信息提供一系列的维修 保障措施建议以实现系统的视情维修【Ｉ棚。收稿日期：２００８―０６一１８；修回日期：２００８一ｌＯ―１７作者简介：王随着性能的不断提升和复杂程度的不断增加， 航空发动机同样面临着上述各种问题。据ＮＡＳＡ的 统计资料表明：在民用领域。发动机故障在所有飞机 机械故障中的比例占到１，３。全世界的航空公司每 年要花费的维修费用在３１０亿美元左右．其中发动 机的日常维护占到了３ｌ％。飞机和发动机的翻修占 到了２７％。另外，每年有将近１０％的航班由于非计 划维修被取消．航空公司因此承受着巨大的经济压 力。同样，在军用领域。发动机的维修已经成为影响 战备完好性和任务可靠性的首要因素。美国国防部 每年用于采购发动机的费用为１３亿美元左右。而维 护现有发动机的费用却在３５亿美元左右１０３。 作为ＰＨＭ技术在航空发动机上的应用，航空 发动机健康管理ｆＥＨＭ）就是在上述背景下，在传统 的发动机状态监视、故障诊断的基础上，综合利用信 息技术、人工智能等学科的最新研究成果产生的一Ｍ１［（１９８１一），男，满族，辽宁省葫芦岛市绥中县人。博士研究生，主要研究方向航空发动机可靠性、健康管理、综合保障等。万方数据５２燃气涡轮试验与研究第２２卷种全新的解决方案：ＥＨＭ建立在对发动机信息的辨 识、获取、处理和融合基础上，采取积极主动的措施 监视发动机的健康状态。预测发动机性能变化趋势、 部件故障发生时机及剩余使用寿命，采取必要的措 施缓解发动机的性能衰退、部件故障／失效的决策和 执行过程１７－１０ｌ。 在高性能涡轮发动机综合技术（ＩＨＰＴＥＴ）计划成 功结束后。美国国防部、能源部、ＮＡＳＡ、工业界联合发 起了多用途经济可承受先进涡轮发动机（ＶＡＡＴＥ）计 划。该计划的目的是在提高发动机性能的同时改善发 动机的经济可承受性。即降低发动机的寿命周期费 用。在该计划采用的众多新技术中。ＥＨＭ被视为支 柱技术进行重点研究开发。同时。在由美国海军发起， 波音公司牵头．包括夏威夷大学、Ｒｅｆｅｒｅｎｔｉａ系统一 体化公司及Ｉｍｐａｃｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司参与的综合飞 机健康管理（ＩＡＨＭ）计划和ＮＡＳＡ的航空安全计划 （ＡｖＳＰ）Ｔ的综合飞行器健康管理（ＩＶＨＭ）项目中，ＥＨＭ 都占有非常重要的地位【ｌｌ阍。由此可以看出，ＥＨＭ在 研制高性能、低成本的先进发动机中占有非常重要的 地位。实施ＥＨＭ已经成为缓解发动机向高性能、低 成本这两个相互矛盾的方向发展的不可或缺的途径。 从上述计划的相关资料看。目前国外的ＥＨＭ 已经发展到工程验证阶段。许多技术已经在Ｃ―１７、 Ｆ／Ａ一１８等平台上进行过验证演示，并且表明实旌 ＥＨＭ能够显著提升发动机的性能。降低发动机的使 用、维修保障费用，提高发动机的可靠性和安全性。 目前。国内对ＥＨＭ的研究刚刚起步，基本处在跟踪 国外技术和概念探索研究阶段。虽然已经意识到开 展ＥＨＭ研究可以带来的巨大收益。对于ＥＨＭ的基 本概念和研究范围等已经明确．但还没有具体的实 施方案和技术途径。因此。要使我国的发动机水平不 被拉开更大的差距，必须抓紧开展对ＥＨＭ的研究。热力参数、性能参数、几何可调部件的位置参数来监 视发动机及其气路部件的健康状况，当发现部件工作 异常或发生故障时，及时向机组人员告警并分析故障 原因。虽然发动机的故障成因很多，但是大部分故障 都将导致发动机气路性能参数如转予转速、发动机压 比、排气温度等的变化。因此气路性能监视和部件故 障诊断是发动机状态监视和故障诊断的重点内容，也 是目前研究比较多的方面。常用的方法分为两类：一 类是基于线性模型的方法，包括参数估计、小偏差方 程、卡尔曼滤波、主因子分析等；另一类是基于非线性 模型的方法，包括遗传算法、神经网络、粗糙集、模糊 逻辑、专家系统、决策树、支持向量机等【肛切。 （２）性能趋势预测 随着发动机的使用，发动机的性能必然下降，这 就需要对发动机性能的衰退程度进行预测评估。精 确的发动机性能趋势预测是判断发动机是否发生故 障的基础。使用精确的性能趋势预测结果及时更新 机载故障诊断算法中的发动机基准性能，可以提高 诊断的准确率，减少虚警的发生。进行性能趋势预测 的基础是发动机数学模型和发动机的历史使用、维 修数据。由于发动机是一个复杂的非线性系统，使用 传统的时间序列方法进行预测存在较大误差，且容 错性较差，因此目前多采用以神经网络为代表的人 工智能方法进行预测，但由于神经网络在结构设计 和理论上的缺陷。使神经网络模型的推广能力较差。 近些年发展起来的支持向量机方法采用新型学习机 制，实现了结构风险最小化原理，并同时最小化经验 风险与ＶＣ维的界，得到的实际风险较小。因此基于 支持向量机的预测方法具有很强的推广能力，即便在较长区间预测中仍可保证具有相当高的精度【１嘲。２．２结构健康管理 （１）振动监视 振动监视旨在监视发动机的结构系统。识别发 动机在所有工作转速下的危险振动状态，避免由发 动机部件退化引起的二次损伤。通过振动监视可实 现发动机损伤的早期检测．分析振动参数的变化率 和变化趋势并据以发现潜在的故障，从而保证发动 机的结构完整性。提高飞行的安全性。振动监视由机 载和地面两部分组成：机载部分负责实时监视。将测 得的振幅与预先规定的阀值进行比较，如果超限，就 触发一告警信息．传给座舱显示系统和监控系统。地 面部分负责对机上记录的振动数据进行深入分析。 利用更复杂的算法和模型对机上记录的数据做进一２ＥＨＭ的研究内容ＥＨＭ的研究对象是航空发动机这样一个复杂的系统，涉及到材料、结构、气动热力、控制等多个学 科。具体而言，ＥＨＭ的研究内容包括以下５个方面： ２．１气路健康管理 （１）气路性能监视和部件故障诊断 发动机气路部件发生故障时，其效率和流通能 力将发生变化，从而引起沿发动机气路的气动热力 参数和性能参数的变化。因此．气路性能监视和部件 故障诊断的目的就是通过传感器测量发动机的气动万方数据第１期王施等：航空发动机健康管理综述５３步处理。分析振动趋势，对异常情况如失衡、磨损和 摩擦提出早期告警。以便维修人员及时采取措施。 （２）气路碎屑监视 气路碎屑监视是一种基于对发动机气路碎屑携 带的静电进行监测的新技术。目前联合攻击机上已采 用这种技术。发动机在正常状态下工作时，尾气中的 总体静电荷会保持在一个正常水平．只是随着发动机 工作条件的不同会有所不同。因此可以将这个正常水 平作为发动机性能衰退的一个阀值。当气路部件发生 表面故障时。就会在尾气中产生额外的碎屑，导致总 体静电荷水平超过阀值，从而根据该变化所表现出的 不同特征判断出故障类型，并做出预警。通过气路碎 屑监视可以实现对发动机气路部件ｆ如压气机和涡轮 叶片、燃烧室、喷管等）的表面故障（如外物打伤、摩擦、 磨损、侵蚀和烧伤等）的实时监视和诊断。气路碎屑监 视的最大好处是对故障的实时识别：只要有碎屑产 生，便可被探测到，从而识别何种部件发生故障。气路 碎屑监视在保证早期预警和故障跟踪的同时．还可以 跟踪后期的故障发展情况，这就为维修计划的安排带 来很大的自由度。这是其它监视技术难以实现的［２３．２４１。 （３１部件寿命管理 对发动机部件特别是像涡轮盘、叶片这样的关键 部件进行寿命管理是ＥＨＭ的一项重要内容。部件寿 命管理包括机载和地面两部分。其中机载部分负责跟 踪部件的使用和损伤状况．地面部分负责预测部件的 剩余寿命并据此做出管理决策。随着计算方法的改进 和对载荷谱、部件累积损伤模型的深入研究，以及对 部件材料在疲劳、蠕变、腐蚀等方面的力学性能数据 的准确测定。目前的发展趋势是利用传感器的测量结 果并且综合部件设计模型和历史使用数据对部件的 剩余寿命进行比较精确的预测。保证部件剩余寿命预 测的绝对可靠是目前面临的主要问题．这需要研制更 有效的传感器、设计更精确的模型与算法．加强对疲 劳、蠕变、氧化等这些损伤机理以及它们之间交互作 用的深入研究，获取更准确的材料力学性能数据，减 少由于材料等因素带来的不确定性。 部件寿命管理应与发动机维修保障相结合．应能 及时根据部件寿命消耗或剩余寿命做出维修保障决 策并保证备件及其它保障资源的供应。通过精确的部 件使用、损伤状况跟踪评估和剩余寿命预测，可以实 现对部件寿命的科学管理，最大限度地利用部件的使 用寿命。提高发动机的安全性并改善经济性，同时可 以大幅简化维修活动。优化维修保障资源配置［２３，２５－劫。２．３机械系统健康管理 目前，对由大量齿轮、轴承、传动轴等机械旋转 部件组成的机械系统的健康状态管理主要采用滑油 监视的方法。滑油监视的目的是利用滑油系统工作 参数来监视滑油本身的理化性能以及发动机中所有 接触滑油的零部件的健康状况，从而提供有关发动 机健康状态的信息［２３１。滑油监视是发动机状态监视 与故障诊断的重要手段，主要包括以下３部分： （１）滑油系统工作状态监视 滑油系统工作状态的监视参数有滑油压力、滑 油温度、滑油量和滑油消耗量以及油滤堵塞指示，监 视方法是超限告警和趋势分析。例如，造成滑油压力 增高的原因可能有滑油喷嘴堵塞、油滤堵塞或调压 器工作不正常；而泄漏、油管破裂、油泵故障、调压活 门工作不正常则会引起滑油压力下降。过高的滑油 温度同其它滑油系统监视参数一起，可指出发动机 子系统的故障。监视滑油量和滑油添加量可以得到 有关滑油消耗量过高及滑油泄漏的信息。 （２）滑油碎屑监视 滑油除起到润滑和冷却作用外，同时也是碎屑 的运输媒介。滑油碎屑监视的主要任务是监视接触 滑油的发动机零部件的健康状况，及时发现这些零 部件由于表面故障产生的碎屑，避免造成发动机二 次损伤。滑油碎屑监视包括机载监视和地面监视两 部分：机载监视部分使用传感器进行实时分析，对超 限事件进行告警；地面监视部分对地面采集的滑油 样品中的碎屑进行分析。 （３）滑油理化性能监视 对滑油进行理化性能监视，可以提供滑油的状 态以及某些发动机工作异常的信息。影响滑油理化 性能降低速率和程度的因素有通气、温度、滑油消耗 量、滑油系统容量和滑油成分。可对滑油的氧化性、 附加损耗、胶体杂质含量、被燃油稀释、闪点和总酸 值等理化性能进行测试，以确定滑油的可使用性。 ２．４影响缓解 影响缓解是指在空中进行的针对发动机出现的 各种异常状态采取的相应措施。ＥＨＭ不仅要求能够 检测到发动机使用过程中各类安全隐患的存在、发 生位置、严重程度以及最终影响，而且要求能够实时 地对不安全因素进行主动控制和修复，使发动机各 种不利状态产生的影响最小，持续保证飞行安全和 飞机的安全降落。影响缓解的实施要建立在对发动 机各种异常状态影响评估的基础上，在具体措施的万方数据篓箕竺型黧篓答竺全叠亨李苎望苎塑考塑型芸层孟妄某舌羞动机传感器系统的数据和发动 维修活动、凳妻要要望，竺妻竺兰苎苎宝竺竺堡嬖釜 机控蔷篡磊磊磊天蓓；：。茹蒹器乏磊孬茬三蒿粟嚣ｏ。；ｆｉ…＇Ｙ。Ｅ。竺要登．，。墨望篓彗罂竺望壁璧鉴奎聂落爻主嘉磊蒜猛莴喜：善芸墨矗；箍言高孟妄舅 耋篓譬堡矍要餮氅豫爹￡兰，兰皇篓竺堡璧篡看嘉蒺蘧磊兰葺妥蒺：ｄ蕊罩藩嘉≤茁爰； ■：＝：＿Ｉ、一”…～………一一…………溯…Ｉ系统各个环节的效率，实现备件配置、库存管理的智竺竺竺銎量蛩篓苎暨堡慝！羽；是兰薹置妻翼警”…。（１２）＂１“状ｌｇ－、态０监视层竺军篓荟动竺詈！竺竺！要窭：．竺要竺竺堡譬堡篓。 翌三：蛩：。！兰篁篓翟孝鲎堡竺譬怨翼。曼焉曼奠翼ｊ堡高二蛩彗：里譬翌竺囊煮好。生竺要娄銎篓坠竺兰结构：籀篙蓑磊釜藉≤磊霜嘉茗：五葬ｉ吾薹荔磊三磊篡装墓蕃蕃蕊；籀茗：。裘墓釜磊釜磊至萎磊爻 石螽蓓莓五量差磊茹苗若善主箍蒜箅磊≤磊ｉ誉蕹爱层嘉羞荔磊磊件和子系统的行为以及发动机之：。翌毛曼笔套恐量登竺之皇王苎髦塑苎曼笋臀竺ＥＨＭ系统ＥＨＭ系统是ＥＨＭ各研究内容在发动机实际工 作应用的集成体现。ＥＨＭ系统采用柔性、可扩展的篓篓篓娄竺篓苎竺墨曼登烹航线维修效率，从而面为是基磊ｉ西茹减≥算孬菜磊谳≥茹甚 给航空公司带来可观的经济效益。””ｉ；ｆ“茹磊““…”一”……“”“”一。该层的功能是继续对来自状态监视层及其它健３康评估部分的信息进行融合．诊断并报告指定部件 和予系统的健康状态．并据此进行故障隔离。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。健康评估节点也可以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 该层的功能是综合利用前面几个层次的信息， 评估、预测发动机未来的健康状态，指出发动机的性 能趋势．估算关键部件在不同载荷谱下的剩余使用体系结构保证ＥＨＭ各部分内容的顺利实施．支持 ＥＨＭ系统的机载部件和地面部件．并且与机载控制 系统、维修保障系统和任务管理系统有接口。ＥＨＭ 系统实行以信息为依据的运行和决策。即获取、处 理及融合发动机的健康信息．进而做出以信息为依 据的决策，确保发动机安全和任务成功。从本质上 说，ＥＨＭ系统是一个层次化的分布式信息系统。３．１ＥＨＭ系统的信息层次结构１１０．３１１ 从信息处理的角度．可以将ＥＨＭ系统划分为６万方数据第１期王施等：航窄发动机健康管理综述５５寿命．并根据以上结果预报可能的备件需求和维修 保障活动。预测是ＥＨＭ区别于以往监视诊断系统 的显著特征之一。 （５）决策支持层 该层处理来自状态监视、健康评估和预测层的 数据，从而产生更换、修理等维修措施建议。包括执 行和支持系统，具有执行能力评估和规划、维修活动 推理以及维修资源管理的能力．同时，该层为维修资 源管理和其它层次的处理过程提供支持。 （６）人机交互层 该层是ＥＨＭ系统与发动机维修保障系统的接 口。主要包括人一机接口和机一机接口。具备与其它 所有层次进行通讯的能力。人一机接口主要面向机 组人员和地面维修人员以及机群管理者。机一机接 口负责保证ＥＨＭ系统各模块之间以及ＥＨＭ系统 与其它外部系统之间的数据信息交换。３．２ＥＨＭ系统的物理分布结构【ｍ?跚 从物理分布角度看．ＥＨＭ系统可以分为机载子图２Ｆｉｇ．２ＥＨＭ系统物理分布结构系统和地面子系统两大部分。如图２所示。机载子系 统主要负责发动机工作过程中数据的收集、健康状 态的实时监视和评估：地面子系统则主要负责预测 分析、决策支持、维修推理等。机载子系统和地面子 系统通过飞机的通信系统保持联系．及时通报发动 机健康状态，使维修保障系统有充足的准备时间。在 ＥＨＭ系统的６个层次中。信号处理、状态监视、健康 评估这三个层次通常配置在机载子系统上：而预测、 决策支持和人机交互这三个层次需要更强的计算处 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，因此需要配置在地面子系统上。ｎｅｐｈｙｓｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＥＨＭ ｓｙｓｔｅｍＥＨＭ系统的通用性和使用效率．降低成本，实现跨 平台的ＥＨＭ．对来自不同平台的发动机数据进行管 理十分必要。图３为针对ＥＨＭ的特点采取的数据 管理方案。来自不同平台的发动机数据通过数据转 换器。按照同一转换规范被转换成统一格式，并以标 准数据文件和数据库的形式存储．供各种诊断、预测 算法以及可视化等各种处理程序使用。 ４．２信息融合 信息融合是在多个层次上对多源信息进行综合 处理的过程．其中每个层次反映对原始观测数据不４ＥＨＭ的关键技术ＥＨＭ不仅涉及发动机的多个学科。而且包含很同级别的抽象闯。在ＥＨＭ中进行信息融合的目的是 提高发动机故障诊断、性能预测以及关键部件剩余 寿命估计等内容的精确性和可信度。发动机的状态 信息来自多种数据源。其中包括传感器系统测量结 果、部件设计模型、发动机历史维修记录、ＦＡＤＥＣ系 统产生的故障代码、机组和维修人员的报告等。从信 息处理角度来说．ＥＨＭ的最终目标是通过信息融合 最大限度地从不同数据源中提取有用信息，从而得 到关于发动机健康状态的全面的诊断和预测认识， 最终做出最优决策。目前比较成熟的ＥＨＭ信息融 合系统是德莱顿飞行研究中心和普惠公司联合为 Ｃ―１７的Ｆｌｌ７发动机开发的．其体系结构如图４所 示【捌。该系统采用一个基于组件的、开放式、层次化多方面的技术，如传感器、数据管理、各种建模方法 和算法、信息融合、预测技术、系统集成技术等。这里 主要介绍使得ＥＨＭ区别于传统的状态监视以及故 障诊断的关键技术。 ４．１数据管理 数据管理是实施ＥＨＭ的基础。ＥＨＭ面向的对 象可能是来自不同部门、不同型号的商用或军用飞 机的发动机。其中战斗机、大型军用运输机以及民航 干线客机的发动机是典型代表。ＥＨＭ系统需求和产 生的数据种类多、逻辑结构复杂、诊断和预测数据需 求大，且对数据的实时性和安全性要求高。为了提高万方数据５６燃气涡轮试验与研究第２２卷图３ＥＨＭ数据管理方案Ｆｉｇ．３’１１Ｉｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ＥＨＭ／孙ｆ结构评估、 故障代码ｌ【传寤嚣ＪＦＡＤＥＣＬ传蓐嚣／ ，振动 Ｉ传感器传癌器Ｊ Ｉ传盛器结构评估传感嚣气路１ ｆ滑油、燃油数据分析和特征提取ｌｌ振动ｔ专感嚣数据 １分析和特征提取机人一一历竺警竺竺竺查！兰ｉ竺竺竺查竺兰高级诊斯特征信息融合模块故障鞴鼻推理模块图４Ｆｉｇ．４ＥＨＭ信息融合体系结构Ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｕｓｉｏｎ ｆｏｒ ＥＨＭ的体系结构，可以完成信号处理、数据分析、健康评 估、故障诊断推理、维修活动建议等内容。 ４．３预测技术 预测技术是ＥＨＭ中最高层次的推理．是对诸 如故障检测、故障隔离等内容的结果的进一步融合。 就ＥＨＭ范围而言．预测主要包括预报部件故障发 生的时机。计算关键部件的剩余寿命。分析发动机性 能衰退的趋势。预测技术与状态监视、故障诊断的 最大区别在于预测更强调定量分析。预测技术从本 质上可以分成３类： （１）基于模型的预测 采用基于模型的预测的前提条件是必须有精确 的发动机数学模型和部件的失效模型。基于模型的 预测的最突出优点是能够满足实时性要求．因此基于模型的预测通常用在机载ＥＨＭ系统上。如Ｃ―１７ 的Ｆ１１７发动机采用的增强的自适应机载实时发动 机模型（ｅＳＴＯＲＭ）。由于发动机是一个复杂的非线性 系统。难以建立精确的数学模型。因此基于模型的预 测在实际应用中的范围和效果都受到一定的限制。 （２）基于知识的预测 基于知识的预测的特点是不需要精确的数学模 型．能够充分利用发动机各个学科的专家知识和经 验。基于知识的预测的最典型的两种应用形式是专 家系统和模糊逻辑。故障诊断是专家系统一个传统 的应用领域。近年来专家系统也被引入到预测中来。 并且经常是与其它技术如神经网络等相结合。然而。 由于专家系统存在着知识获取和知识表示的“瓶颈” 问题．使其有一定的局限性。模糊逻辑提供了表达和万方数据弟ｌ删王施等：肮仝芨动机健康冒理绿述５７处理模糊概念的机制，具有处理不确定性信息的能 力。模糊预测可以利用专家知识构建模糊规则库。能 够充分利用专家的知识和经验．而且一个适当设计 的模糊逻辑系统可以在任意精度上逼近某个给定的 非线性函数。由于模糊预测目前尚处于研究阶段。有 些问题还需着重解决。 （３）基于数据的预测 基于数据的预测的最大优点是不需要精确的发 动机数学或物理模型，最典型的代表是神经网络。神５（３）与其它机载系统的集成 其它机载系统如座舱显示系统、飞行管理系统、 任务管理系统等也和ＥＨＭ系统中的多个环节发生 联系。利用数字系统和数据总线，可以使ＥＨＭ系统 和其它机载系统实施一体化设计，从而提高各系统 的开发效率，降低成本，减少所占空间和重量。ＥＨＭ实施建议５．１加强基础研究 （１）加快先进硬件产品的研究譬翌堂苷弯孽？钡！中．的．应。用毖较广置ｊ而且还经常 妻荸它技誊结合，衍主皇｝种形式的奠譬网络结构。 呤麓经！蹩之夕７．，至孽苎亨～些差三聱搀的预测方 法，如墨叶．斯窟聱，、鬯尊苎尔可夫模掣、数据挖掘等。 对亏誊动机这样的复杂系统而言，由于预测研 謇的困难性，使用单一方法进行预测往往难以保证 其应用效果。采用混合预测方法不仅能充分吸收各。≤件产品是实施ＥＨＭ的物质基础。传感器作 为采集发动机数据的设备，是ＥＨＭ各靠内容所需 信息的源泉。为了更全面ｉ获取发动机的信息，应该 根据ＥＨＭ晶需求，研制新型传感器以便测ｉ当前 不能测量并且对』面评估发动机健康状态起关键作用的参数。如国外已经研制成功的光纤传感器和微 波传感器可以分别监视发动机的静子和转子的结构 健康状况。在ＥＨＭ系统工作过程中，需求和产生的 信息将是海量的。这对信息处理和存储设备尤其是 机载设备如机载计算机、存储器、通信设备提出了很 高的要求：需要有能在恶劣环境下可靠工作的计算 机和大容量高速存储设备以及通信设备来保证 ＥＨＭ对于实时性的要求。不但要大幅提升硬件产品 的性能。而且在可靠性、鲁棒性、严酷环境适应性等 方面都要加强。同时也要对各种硬件资源进行优化 调度．使其能够得到充分合理的利用．并实现整个硬 件体系的最优总体性能【翊。 （２）加深基础理论的研究自方法的优点，同时也能弥补其各自的不足。因此， 将多种不同的预测方法有机结合，进一步提高预测的综合性能，是预测技术发展的一个必然趋势㈣为一。４．４集成技术 （１）ＥＨＭ系统自身的集成 ＥＨＭ系统是一个复杂的信息系统，需要用不同 学科的专家知识、技术、模型来分析和开发。ＥＨＭ系 统由各种不同的模块组成，但它们的数据流程大体 相同，例如从信号源、信号调节、数据处理、数据存贮 到数据检索。通过集成可以提高ＥＨＭ系统开发效 率，实现各模块能力共享，使ＥＨＭ系统各模块和系 统都获得好处。集成可以把ＥＨＭ系统作为一个整 体对待，有助于权衡分析系统满足不同功能需求、不 同配置或体系结构。集成为ＥＨＭ系统满足不同需 求提供了一组选择和解决方案。 （２）ＥＨＭ系统与发动机控制系统的集成 当前先进发动机基本上都采用全权限数字电子 控制口ＡＤＥＣ）系统。ＥＨＭ系统与ＦＡＤＥＣ系统之间的 联系非常密切。ＥＨＭ系统所必须的参数大部分也是 ＦＡＤＥＣ系统所必须的，如高低压转子转速、排气温 度、燃油流量、发动机进气总温等。ＥＨＭ系统的有些 功能在ＦＡＤＥＣ系统中也是必须的，如传感器故障诊 断和超限检查。在ＥＨＭ系统中超限检查用于向机组 人员和地勤人员告警，而ＦＡＤＥＣ系统则根据ＥＨＭ 系统输出的发动机健康状态报告改变控制规律，缓 解异常状态的影响，以保证发动机工作安全。鉴于两 者之间的密切联系，ＥＨＭ系统和ＦＡＤＥＣ系统的综芫分掌握材料性能中有关疲劳、断裂、蠕变、腐蚀等方面的力学性能数据．并与发动机研制的先进 性、可靠性和安全性紧密联系在一起。材料的力学性 能数据对是发动机关键部件寿命计算中不可缺少的 组成部分。发动机关键部件的疲劳断裂过程是在交 变载荷作用下累积损伤的过程。因此，分析确定部件 承受的载荷谱和深入研究部件的失效机理是取得精 确可信的预测结果的关键。只有这样。才能建立准确 的预测模型。根据环境条件、发动机的运行情况以及 部件的当前状态来描述故障随时间的发展趋势。 ５．２将ＥＨＭ融入发动机设计 虽然实施ＥＨＭ的大部分活动都在发动机的使 用与维修保障阶段进行，但是从并行工程角度看，应 该将ＥＨＭ作为发动机设计的一个组成部分。在发动 机设计和研制阶段。将ＥＨＭ作为发动机的一项设计万方数据５８燃气涡轮试验与研究第２２卷特性给予重视。从信息科学角度看。ＥＨＭ是对发动机 信息进行感知获取、处理再生并最终利用再生决策 信息对发动机施效的过程。在这个过程中．与发动机 直接相关的是信息获取和施效。因此在设计中考虑 ＥＨＭ，主要就是考虑如何更方便准确、尽可能多地获 取发动机信息，以及如何安全可靠平稳地施效给发 动机。将ＥＨＭ的对于发动机的需求反馈给新型号设 计，从设计上提高发动机的可监视性、可诊断性、可 预测性、可缓解性。只有尽早将ＥＨＭ的问题考虑到 设计中去，才能使ＥＨＭ取得最大的效益。论的航空发动机气路故障诊断【Ｊ】．航空学报，２００６，２７ （６）：ｌｏｌ４―１０１７? 【１７】陈恬，孙健国－粗糙集与神经网络在航空发动机气路 故障诊断中的应用【Ｊ】．航空动力学报，２００６，２ｌ（１）：［１８】二：ａ丫＝Ｔ，ｓｉｍ。ｎ。ｌｉ眦０ｉａｇｌｌ。ｓｔｉｃＤＬ．Ｉｎｔｅ蚴ｔｉｏｎｏｆｏｎ－ｌｉｎ。卸ｄＥｎｇｉｎｅｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ－ｆｏｒｏ－ＡｉｒｃｒａｆｔＨｅａｌｔｌＩＭａｎａｇｅｍｅｎｔ［ＲＩ．ＮＡＳＡ一，１１Ｍ一２００７～２１４９８０，２００７．【１９】陈果．用结构自适应神经网络预测航空发动机性能 趋势【Ｊ】－航空学报，２００７，２８（３）：５３５―５３９． 【２０】胡金海，谢寿生，骆广琦，等．基于支持向量机方法的发 动机性能趋势预测【Ｊ】．推进技术，２００５，２６（３）：２６０一２６４．参考文献：【ｌ】粱旭，李行善，张磊，等．支持视情维修的故障预测Ⅲ１霎囊竺０譬篙篡嚣嵩篓衰退分析阴?燃气涡轮【２２】袁春飞，姚华．基于卡尔曼滤波器和遗传算法的航空 发动机性能诊断［Ｊ】．推进技术，２００７，２８（１）：９―１３．【２３１ Ｊａｗ Ｌ Ｃ．Ｒｅｃｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅ Ｈｅａｌｔｈ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ（ＥＨＭ）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅ Ｎｅｘｔ技术研究［Ｊ】．测控技术，２００７，２６（６）：５―８． 【２】 徐萍，康锐．预测与状态管理系统（ＰＨＭ）技术研究 【Ｊ】．测控技术，２００４，２３（１２）：５８―６０． 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ｆｏｒ Ａｆｆｏｒｄａｂｌｅ ａｎｄ ＲｅｌｉａｂｌｅＯｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ６２３７，２００７．Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｒ］．ＡＩＡＡ２００７一【１６］陈恬，孙健国，郝英．基于神经网络和证据融合理万方数据航空发动机健康管理综述作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 王施， 王荣桥， 陈志英， 樊江， 申秀丽， WANG Shi， WANG Rong-qiao， CHEN Zhiying， FAN Jiang， SHEN Xiu-li 北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京,100083 燃气涡轮试验与研究 GAS TURBINE EXPERIMENT AND RESEARCH(Ouarterly) ) 0次参考文献(34条) 1.梁旭.李行善.张磊 支持视情维修的故障预测技术研究[期刊论文]-测控技术 .徐萍.康锐 预测与状态管理系统(PHM)技术研究[期刊论文]-测控技术 .张宝珍.曾天翔 先进的故障预测与状态管理技术[期刊论文]-测控技术 .田瑾.赵廷弟 面向PHM系统的扩展式故障模式影响分析技术研究[期刊论文]-航空维修与工程 .曾声奎.Pecht M G.吴际 故障预测与健康管理(PHM)技术的现状与发展[期刊论文]-航空学报 .Mercer C R.Simon D L.Hunter G W Fundamental Technology Development for Gas-turbine Engine Health Management[NASA-TM-] 2007 7.龙兵.孙振明.姜兴渭 航天器集成健康管理系统研究[期刊论文]-航天控制 .李行善.高占宝 航空航天中的综合运载器健康管理技术[期刊论文]-电气时代 .高占宝.梁旭.李行善 复杂系统综合健康管理[期刊论文]-测控技术 .李爱军.章卫国.谭键 飞行器健康管理技术综述[期刊论文]-电光与控制 .Litt J S.Simon D L.Garg S A Survey of Intelligent Control and Health Management Technologies for Aircraft Propulsion Systems[NASA-TM-] 2005 12.Clark G J.Vian J L.West M E 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实时模型的精度，为航空发动机故障诊断和健康趋势分析奠定了基础。2.会议论文 蒲雪萍.唐世建.王炜泽 民用航空发动机控制技术研究与探索 2007我国民用航空动力发展明显滞后,民用航空发动机控制技术和控制系统的研究更是空白,开展我国民用航空动力的控制技术和控制系统研究可以说是 迫在眉睫.本文简述了民用航空发动机及其发展,在分析了国内外航空发动机控制技术和控制系统的发展历程和现状基础上,提出了我国民用航空发动机控 制系统研制的思路:充分利用军用发动机控制技术的成果,进行军用航空技术向民用航空技术的转换,并针对民用航空发动机的特殊要求,采用如分布式控 制系统、多电发动机的全电控制和预测健康管理等更加先进的前沿技术,以适应民用航空发动机控制系统的发展.3.期刊论文 张叔农.康锐.ZHANG Shunong.KANG Rui 数据挖掘技术在航空发动机PHM中的应用 -弹箭与制导学报 )总结了数据挖掘工具的方法和模式以及数据挖掘的流程,对其在航空发动机故障预测和健康管理(PHM)中的常用方法和模式,如神经网络、时间序列分 析、模糊逻辑、遗传算法、证据理论、支持向量机等及其应用案例进行了阐述.4.期刊论文 姜彩虹.孙志岩.王曦.JIANG Cai-hong.SUN Zhi-yan.WANG Xi 航空发动机预测健康管理系统设计的关 键技术 -航空动力学报)介绍了航空发动机预测健康管理(EPHM)系统的定义、设计目标及其功能;结合EJ200,F119等国外第4代战斗机发动机健康管理系统的技术特点,设计了 航空发动机预测健康管理系统与飞机、发动机的交联方案;完成了航空发动机在线机载EPHM系统及离线EPHM系统的基本结构设计;提出了航空发动机机载 预测健康管理系统应实现的技术指标;总结归纳了航空发动机预测健康管理系统设计的关键技术.5.期刊论文 航空发动机健康管理系统设计技术 -航空发动机)总结了国内外航空发动机健康管理(EHM)研究的现状,详细阐述了EHM总体结构、功能领域和EHM系统设计的关键技术,指出了EHM系统的设计要求,最后 提出了EHM系统设计的一些建议和发展趋势.6.期刊论文 张传超.史永胜.宋云雪.ZHANG Chuan-chao.SHI Yong-sheng.SONG Yun-xue 航空发动机健康管理技术 进展及趋势 -航空发动机)综述了航空发动机健康管理技术的最新进展,并指出了其发展趋势.7.学位论文 富涛 民航发动机健康管理――在翼发动机寿命预测 2006本文概要地说明了近几年来航空公司在发动机维护方面发展的历程，分析了航空发动机视情维修的重要性，阐述了在视情维修的基础上发展起来的 在翼发动机寿命预测方法，介绍了以机队管理为技术基础而开发的发动机全寿命管理系统。本文工作主要针对发动机健康管理的一项内容――对在翼发 动机的剩余寿命进行预测。以往的在翼发动机寿命预测，主要是通过状态监控软件中的压缩报告观察衰退趋势，依据EGT裕度衰退率和剩余的EGT裕度计 算到达EGT红线的可用循环数来进行的。这种方法对于在翼发动机的寿命预测还是有参考意义的。本文在给出了CFM56-7B和PW4077D型发动机EGT随使用循 环增长的变化规律曲线，以及EGT和WF之间的关系曲线基础上，深入讨论了EGT参数对在翼发动机寿命预测的作用，又结合AMECO多年的工作经验，提出了 利用综合权值进行寿命预测的方法。 在翼发动机寿命预测是发动机状态监控的研究方向之一。如要进行在翼发动机寿命预测，就要研究发动机各参数与发动机健康状况之间存在的关系 。本文根据发动机原理和相关实际数据的统计分析，选择了一组表征发动机性能的曲线。在此基础上，本文给出了一套完整的对在翼发动机寿命预测方 法，并建立了针对JT9D-7R4G2发动机的相关参数应用程序。实际应用证明本方法对于在翼发动机的寿命预测是合理有效的，对发动机故障诊断也有一定 帮助作用。8.期刊论文 梅晓川.陈亚莉.MEI Xiao-chuan.CHEN Ya-li 航空飞行器维修技术发展综述 -航空发动机)降低航空飞行器维修费用和提高维护保障能力具有重要意义.回顾了中国飞机和航空发动机维修技术的发展现状及相关的基础理论研究工作,指明并 阐述了维修技术应向维修设计、健康管理、飞机信息规划及维修过程管理的方向发展.9.学位论文 李强 民航发动机健康管理技术与方法研究 2008航空发动机作为飞机的“心脏”，保证其高安全性、降低其运行成本，在一定程度上可化解民航企业面临的“发展与安全”、“安全与效益”的矛 盾。本文以视情维修的应用为切入点，以民航发动机及机队为研究对象，研究了民航发动机健康管理技术和方法，它是集发动机状态监测、维修决策和 发动机下发调度于一体的集成管理技术，具有保证发动机安全、降低运行成本的功能。本文重点研究了以下内容： (1)研究了民航发动机健康管理系统的设计与规划。包括发动机健康管理系统的结构、组成、功能实现和关键技术，为进一步深入研究奠定了基础。 (2)研究了基于单参数的发动机健康管理方法。针对气路性能参数、振动参数和滑油参数，研究了利用单参数进行发动机健康管理的方法，进一步研 究了发动机机队性能参数排队方法，有利于提高发动机的利用效率。 (3)研究了基于多参数的发动机健康管理方法。分析了多参数发动机健康管理的优势及难点，研究了基于参数相关性的多参数发动机健康管理方法和 基于区间型不确定信息的多参数发动机性能评估方法，通过实例验证了本文提出方法的有效性。 (4)研究了民航发动机在翼寿命预测与控制。分别从EGT衰退率与PIM模型的角度研究发动机的在翼寿命预测与控制方法，并探讨了影响控制发动机在 翼寿命的其他因素，为发动机下发决策提供了定量化的依据。 以上述技术为基础，开发了“民航发动机健康管理系统”，该系统已在上海航空公司得到成功应用。10.会议论文 韩永强.雷东亮 浅谈大涵道比发动机健康管理和故障诊断系统 2008本文简要阐述国外EHMS的现状及应用情况和EHMS的关键技术,并对中国开展发动机健康管理工作提出建议.本文链接：http://d..cn/Periodical_rqwlsyyyj.aspx 授权使用：上海交通大学(shjtdxip)，授权号：e3d-4b66-a10d-9e 下载时间：日
基于航空发动机状态诊断技术的航空发动机健康管理综述摘 要: 航空发动机状态诊断技术对避免飞行事故和降低飞行器运行成本是非常 重要的。 本文总结了航空发动机状态诊断的...发动机健康管理(Engine Health Management)罗尔斯罗伊斯的引擎中, 都配备了罗尔斯罗伊斯引擎健康模块(EHM)。 所有的罗尔斯罗伊斯引擎, 不论 是飞机引擎, 直升机引擎...关键词:航空发动机,故障诊断,多传感器;传感器故障诊断,信息融合; 综述 随着传感器...在欧洲,英国在航空发动机健康管理方面以 MAAAP ( Management, Affordability, ...如何通过先进的机内自测试 (Built-In-Test,BIT)技术来保障航空发动机控制系统的可靠性,并将 航空发动机的健康管理技术同数字电子控制器的 BIT 技术有机结合 起来,...航空发动机适航与维修-试题题库_IT认证_资格考试/认证_教育专区。《适航与维修...第五章 视情维修与健康管理 (5-1)发动机状态监视的作用是什么? (5-2)...且将带动工业领域 关键设备运行安全、交通运输车载健康管理、全球物流保障等一大批领域的技术 进步, 并确定是支撑高性能先进航空发动机飞行安全和维修保障的核心关键技...国外典型的军用航空发动机技术发展计划_军事/政治_人文社科_专业资料。国外典型的...综合的健康管理系统、模型基非线性适应性控制 系统、轻重量抗畸变风扇、长效全...故障预测与健康管理技术综述摘要:基于故障预测与健康管理(Prognostics and Health ...我国在 PHM 方面的早期应用主要在民航系统,主要是应用了飞机或发动机的性 能...航空发动机健康管理系统设计 航空发动机健康管理系统设计 健康管理系统 1.负责机载振动监控单元的升级设计,包括确定加装传感器的安装位置与采样 频率、设计基于振动信号...《民用航空器维修职业安全健康管理体系实施指南》作为...(后)的航空器接(送)作业,发动机试车作业,油箱 ...可制定一个描述综述性文件或采用其他方式,使文件编制...
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