CN102801767A

CN102801767A - 单机级飞机结构phm系统及实现方法

Info

Publication number: CN102801767A
Application number: CN2011103756549A
Authority: CN
Inventors: 邱雷; 袁慎芳; 钟永腾
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明公布了一种单机级飞机结构PHM系统及实现方法。飞机结构PHM系统由机上PHM系统和地面PHM系统组成。飞机结构PHM区域级管理器可以有效地实现与各结构PHM成员级系统的通讯，驱动对应的成员级系统完成相应的PHM任务，接收成员级系统返回的PHM数据信息并进行存储、归档和显示。数据库驱动模块将整个PHM系统数据信息流分为如下分支并最终汇聚到PHM数据库中。当健康状态评估模块和健康状态预测模块需要PHM历史数据时，数据库驱动模块向PHM数据库发出请求并传输相应数据至相应模块。当决策生成需要结构的维护历史时，数据库驱动模块向PHM数据库发出请求并传输相应决策历史数据至决策生成模块。

Description

单机级飞机结构PHM系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种单机级飞机结构PHM系统及实现方法。

背景技术

飞行器是一类价值和维护成本都很高的复杂机械系统，飞行器的失效和事故往往造成不同程度的经济损失和社会影响，而且维护成本对于飞行器的服役来讲，占成本的比重很大。飞行器的健康监测和管理的应用可实现飞行器系统的在线或离线的状态监测，及时预报系统可能出现的故障隐患，减少系统事故，提高系统运行的安全性，并根据系统实际状态的需要进行维护，这样可以降低维护成本。因此对飞行器的健康监测与管理技术具有非常重要的意义，它对于预防重大事故的发生、提高系统的安全性，减少经济损失、降低系统的维护费用、保障重大工程项目的建设具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

飞机结构包含飞机骨架和蒙皮，其最典型的特征是覆盖面积大、涉及到的零件级、部件级和整机级关键结构部位非常多，而且承受的载荷形式、环境因素的影响各不相同。上述原因导致飞机结构的损伤形式复杂多样，损伤诊断过程中受到不确定因素的影响。因此急需对飞机结构的多个部位进行实时监测，保障飞机的安全运行。飞机结构的PHM涉及多种结构部位、多种结构形式以及多种损伤模式，因此它的实现方法必然涉及多种传感器，多种监测方法和算法，需要研究传感器、信号处理方法、损伤诊断方法以及系统的体系及其组织管理等难题。针对飞机结构自身的特点，研究飞机结构PHM系统体系时，应着重考虑以下关键问题：

1.飞机结构的PHM系统除了功能上的要求之外，作为机载设备应该具有可靠性高、体积小、重量轻和功耗低等特点。然而实现结构损伤的监测、辨识与预测需要采用较复杂的设备和算法，这为小体积、低重量和功耗的系统实现带来难点。因此有必要将整个结构PHM系统进行分解，分为机上PHM系统和地面PHM系统两部分。由于机载设备信号处理能力有限，所以机上结构PHM系统应该具备关键数据的可靠记录能力和局部的信号处理能力，对于复杂的损伤诊断算法和健康预测方法则放在地面PHM系统上执行。

2.对结构进行多部位的监测时将使用数量较大的传感器，这必然会给飞机带来额外的附加重量。因此，所选用的传感器应该具有多种参数监测的能力，如压电智能夹层即可以用于结构冲击的监测也可以用于结构损伤的监测、光纤光栅传感器即可以用于结构应变的监测也能够监测结构的环境温度。还应该减少传感器的引线数目保证不影响飞机的结构布局，可以考虑采用无线传感器网络组网监测的形式，这样不但减少了数目，更重要的是可以大大降低附加重量。

3.有些结构参数，如结构受载产生的应变、飞行过程中受到的冲击等，必须在结构工作状态下在线获取的。对于监测此类结构参数的设备应该作为机载设备包含于机上结构PHM系统中。有些结构参数是既可以在线获取也可以事后获取，如对结构的损伤而言，既可以在线监测，也可以待飞机降落后在地面上采用便携式结构PHM系统进行损伤诊断，这主要取决于监测的结构部位的重要性。

4.机上结构PHM系统应该具有的特点。每种结构参数对应的系统应该能够利用已有的机载总线进行互联，并且应该存在一个系统核心对多个分系统进行管理和信息综合。由此达到多种结构部位、多种结构形式、多种损伤模式的综合健康监测与管理的功能要求。结构PHM系统是整个飞机PHM系统的组成部分之一，所以在设计飞机结构PHM系统时，需要考虑到与其它飞机PHM系统的兼容性。

5.结构PHM系统是一个不断完善和功能不断完备的系统，随着各种新技术、新算法的应用，系统的所需的各种资源也是不断更新和完善的，因此结构PHM系统的应该能够使得系统具有良好的可扩展性。

发明内容

本发明目的是针对上述提出的问题，提出了一种机上、地面组合，成员级、区域级分层次，多结构部位、多区域、多损伤模式的单机级飞机结构PHM系统体系和实现方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

结构PHM成员级系统：按照监测对象和监测系统的不同，将整个飞机的结构PHM区域划分为n个飞机结构PHM区域子区域。每个结构PHM区域对应一个结构PHM成员级系统。根据监测参数的不同，某些成员级系统只被动接收结构的状态响应，如结构应变的监测、冲击事件的监测；某些成员级系统需要向结构发送主动监测信号，如基于压电传感器和Lamb波的结构损伤监测。成员级系统包括了完成监测的传感器和相应的信号传输、数据采集、信号处理。对于某些结构对象，其损伤诊断方法简单，可以将这些方法集成到成员级系统中，这样的成员级系统还包括了状态检测和健康评估的功能。对于需要在线监测健康状态的结构部件，其对应的成员级系统为机载系统属于机上PHM系统。对于不需要在线监测健康状态的结构部件，其对应的成员级系统为地面便携式结构PHM系统，属于地面PHM系统。机上成员级系统接受来自机上结构PHM区域级管理器的控制指令完成相应的任务并将PHM数据传送给机上结构PHM区域级管理器。地面成员级系统接受来自地面结构PHM区域级管理器的控制指令完成相应的任务并将PHM数据传送给地面结构PHM区域级管理器。地面成员级系统具备对复杂算法的执行能力，具有状态检测和健康评估的功能。

机上结构PHM区域级管理器：机上结构PHM区域级管理器和机上结构PHM系统的中央核心，主要功能有五点：①根据地面结构PHM区域级管理器给入的PHM任务配置，通过控制机上结构PHM系统总线，向成员级系统发送相关PHM驱动指令，实现对成员级系统的任务控制；②通过控制机上结构PHM系统总线，接收由成员级PHM系统提交的PHM数据；③根据成员级PHM系统提交的PHM数据，对结构进行初步的健康状态评估；④通过机载总线与运载管理计算机(Vehicle Management Computer，VMC)进行通讯，向上层系统传递数据和状态信息，提供在线的结构状态信息，参与在线的飞行决策，接收VMC传送的飞行参数和执行的机动任务；⑤对PHM数据(包括原始数据、处理后的数据、结构状态评估报告)和飞行相关信息进行归档和存储，形成标准的PHM信息。机上结构PHM区域级管理器只执行当次飞行的PHM任务。根据实际飞机的要求，机上结构PHM区域级管理器可以以一种独立的软硬件平台实现，也可以作为软件嵌入于VMC中。

机上结构PHM区域级管理器软件主要由三部分构成：总线通讯、健康状态评估和数据库。

成员级PHM系统数据传输驱动模块发出指令，通过结构PHM总线通讯模块启动成员级PHM系统数据传输。数据格式内容主要包括：PHM系统设备编号、数据类型、数据长度、数据获取时间、传输时间、原始数据、原始数据获取时各仪器设备的参数、处理后的数据、处理数据使用的处理方法及参数。结构PHM总线通讯模块集成了结构PHM系统总线的协议。成员级PHM系统数据传输驱动模块将从成员级PHM系统获取的数据分传给数据库驱动模块和健康状态评估模块。结构的监测参数可以分为应变监测、冲击监测和损伤评估三大类。因此健康状态评估模块具有与之对应的功能。数据库驱动模块驱动4个子数据库模块将由成员级PHM系统数据传输驱动模块传送过来的原始数据和处理后的数据存入原始数据数据库；将由健康状态评估模块输出的状态评估结果存入状态评估数据库；将成员级PHM系统控制驱动模块产生的硬件控制参数存入硬件参数数据库；将由机载总线通讯模块获取的与飞行状态相关的参数存入飞行参数数据库。最终机载综合PHM系统所有的数据都存入海量存储器中。

地面结构PHM区域级管理器：飞机执行完飞行任务降落之后，根据需要和PHM驱动指令，使用地面成员级系统对结构PHM区域进行快速监测，并最终将结构PHM数据传送至地面结构PHM区域级管理器。地面结构PHM区域级管理器通过通讯线缆与机上结构PHM区域级管理器进行连接，快速下载PHM信息。综合上述所有信息和数据，地面结构PHM区域级管理器对整个飞机结构的健康状态进行评估并结合结构PHM数据库中的历史数据，对飞机的健康状态进行预测。最终的状态评估和预测结果以及相关的信息和数据都通过地面结构PHM区域级管理器进行归档，存储于PHM数据库中。地面结构PHM区域级管理器根据评估结果触发地面后勤管理进行飞机结构的无损检测和维护。地面后勤管理将无损检测结果和维护情况也按照标准的格式归入结构PHM数据库中。

有益效果：

1、将整个PHM系统机上PHM系统和地面PHM系统两部分，实现可靠性高、体积小、重量轻和功耗低的要求；

2、使用具有多种监测功能的传感器，有效地减小了飞机的附加重量；

3、采用机上结构PHM系统，达到多种结构部位、多种结构形式、多种损伤模式的综合健康监测与管理的功能要求；

4、结构PHM系统的统具有良好的可扩展性。

附图说明

图1机上结构PHM区域级管理器软件构架；

图2地面结构PHM区域级管理器软件构架；

图3PHM数据库基本组成结构。

具体实施方式

如图1所示，机上结构PHM区域级管理器软件主要由三部分构成：总线通讯、健康状态评估和数据库。成员级PHM系统数据传输驱动模块发出指令，通过结构PHM总线通讯模块启动成员级PHM系统数据传输。数据格式内容主要包括：PHM系统设备编号、数据类型、数据长度、数据获取时间、传输时间、原始数据、原始数据获取时各仪器设备的参数、处理后的数据、处理数据使用的处理方法及参数。结构PHM总线通讯模块集成了结构PHM系统总线的协议。成员级PHM系统数据传输驱动模块将从成员级PHM系统获取的数据分传给数据库驱动模块和健康状态评估模块。结构的监测参数可以分为应变监测、冲击监测和损伤评估三大类。因此健康状态评估模块具有与之对应的功能。数据库驱动模块驱动4个子数据库模块将由成员级PHM系统数据传输驱动模块传送过来的原始数据和处理后的数据存入原始数据数据库；将由健康状态评估模块输出的状态评估结果存入状态评估数据库；将成员级PHM系统控制驱动模块产生的硬件控制参数存入硬件参数数据库；将由机载总线通讯模块获取的与飞行状态相关的参数存入飞行参数数据库。最终机载综合PHM系统所有的数据都存入海量存储器中。

如图2所示，地面结构PHM区域级管理器软件主要有五部分构成：总线通讯、健康状态评估、健康状态预测、决策生成和数据库。

总线通讯：软件与地面应用的成员级PHM系统进行通讯获取相关的PHM数据及传输PHM指令。软件从机上结构PHM区域级管理器的海量存储器获取当次飞行的PHM信息并向其传输PHM任务配置。

健康状态评估：对于机上没有实现的健康评估的监测对象，在获取了PHM信息之后，对其进行健康评估。对于机上已经处理过的健康评估信息，健康评估模块将其与新产生的健康评估信息一起发送至健康状态预测模块。

健康状态预测：综合获取到的PHM信息和从PHM数据库中获取的PHM历史数据，对结构的健康状态的发展进行预测。可采用的预测方法至少有基于数据驱动的预测方法、基于模型的预测方法和知识推理方法三种。最终产生的预测信息发送至决策生成模块。

决策生成：根据健康状态评估和健康状态预测得到的PHM信息，决策生成模块对飞机将要执行的任务进行决策。决策分为以下几种基本情况：①发现损伤并超过损伤阈值，决策生成模块结合地面后勤管理的可用维护信息产生决策报告，驱动后勤管理实施无损检测和维护；②发现损伤但没有超过损伤阈值，决策生成模块根据下次飞行执行任务的情况作出继续飞行或停飞维护的决策；③没有发现损伤但有损伤发生的趋势，决策生成模块同样根据下次飞行执行任务的情况作出继续飞行或停飞维护的决策；④没有发现损伤并且没有损伤发生的趋势，决策生成模块作出下次任务继续执行的决策。

如图3所示，数据库：一个性能优良的飞机结构PHM系统，其具有稳定可靠的PHM数据信息流是一个重要的衡量指标。数据库是这条数据信息流上的中转和管理模块，起着至关重要的作用。地面结构PHM区域管理器软件的数据库是整个飞机结构PHM系统数据信息流最终汇总的地方。数据库驱动模块将整个PHM系数数据信息流分为如下分支并最终汇聚到PHM数据库中：原始数据库、硬件参数据库、飞行参数数据库、状态评估数据库、状态预测数据库和决策数据库。当健康状态评估模块和健康状态预测模块需要PHM历史数据时，数据库驱动模块向PHM数据库发出请求并传输相应数据至相应模块。当决策生成需要结构的维护历史时，数据库驱动模块向PHM数据库发出请求并传输相应决策历史数据至决策生成模块。

Claims

1.一种单机级飞机结构PHM系统及实现方法，其特征在于所述飞机结构PHM系统由机上PHM系统和地面PHM系统组成；机上PHM系统由n-1个机上结构PHM成员级系统、飞机管理计算机、航电PHM区域级管理器、燃油PHM区域级管理器和机上结构PHM区域级管理器组成；地面PHM系统由地面结构PHM成员级系统、地面结构PHM区域级管理器、PHM数据库和地面后勤管理组成；飞机管理计算机、航电PHM区域级管理器、燃油PHM区域级管理器和机上结构PHM区域级管理器通过记载总线相互通信，机上结构PHM成员级系统通过机上结构PHM系统总线与机上结构PHM区域级管理器通信，机上结构PHM区域级管理器与地面结构PHM区域级管理器相互通信，地面结构PHM区域级管理器分别与地面结构PHM成员级系统、PHM数据库和地面后勤管理双向通信。

2.一种基于权利要求1所述的单机级飞机结构PHM系统的实现方法，其特征在于机上结构PHM区域级管理器：①根据地面结构PHM区域级管理器给入的PHM任务配置，通过控制机上结构PHM系统总线，向成员级系统发送相关PHM驱动指令，实现对成员级系统的任务控制；②通过控制机上结构PHM系统总线，接收由成员级PHM系统提交的PHM数据；③根据成员级PHM系统提交的PHM数据，对结构进行初步的健康状态评估；④通过机载总线与运载管理计算机进行通讯，向上层系统传递数据和状态信息，提供在线的结构状态信息，参与在线的飞行决策，接收飞机管理计算机传送的飞行参数和执行的机动任务；⑤对PHM数据和飞行相关信息进行归档和存储，形成标准的PHM信息，PHM数据包括原始数据、处理后的数据、结构状态评估报告。

其特征在于地面结构PHM区域级管理器：根据需要和PHM驱动指令，使用地面成员级系统对结构PHM区域进行快速监测，并最终将结构PHM数据传送至地面结构PHM区域级管理器，然后通过通讯线缆与机上结构PHM区域级管理器进行连接，快速下载PHM信息；地面结构PHM区域级管理器综合所有信息和数据对整个飞机结构的健康状态进行评估，并结合历史数据对飞机的健康状态进行预测；地面结构PHM区域级管理器将最终的状态评估和预测结果以及相关的信息和数据都进行归档，存储于PHM数据库中；地面结构PHM区域级管理器根据评估结果触发地面后勤管理进行飞机结构的无损检测和维护，并将检测结果和维护情况也按照标准的格式归入结构PHM数据库中。

3.根据权利要求2所述的单机级飞机结构PHM系统的实现方法，其特征在于所述PHM数据库分为两类：第一类是未经过任何处理的结构PHM原始数据，包括：①原始数据数据库，成员级PHM系统直接输出的未经处理的传感器原始数据；②硬件参数数据库，成员级系统软硬件工作对应的参数设置；③飞行参数数据库，机上结构PHM区域级管理器获得的来自VMC的与飞机飞行相关的参数；④模型参数数据库，结构的理论或有限元模型参数；第二类是经过处理后获得的结构PHM数据，包括：①状态评估数据库，存储了与状态评估及结果相关的信息；②状态预测数据库，存储了与状态预测及结果相关的信息；③决策数据库，存储了决策类型及决策生成的过程和原因；④维护历史数据库，存储与结构维护历史相关的维护信息。