CN112712305A - 一种飞行器系统及其健康评估方法和装置 - Google Patents

一种飞行器系统及其健康评估方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞行器系统及其健康评估方法和装置，其中飞行器系统的健康评估方法包括：通过获取飞行器系统中待评估子系统的运行参数，确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；进而根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况，可以在飞行器飞行过程中完成对故障数据的实时获取，将FMECA的评估结果扩展到飞行器系统的全使用周期上，进而在飞行器飞行过程中对飞行器系统中待评估子系统的健康状态进行评价，满足飞行器系统安全飞行的需要，提高了飞行器的安全性。

Description

一种飞行器系统及其健康评估方法和装置
技术领域
本发明涉及飞行器系统的预测与健康管理技术领域，具体涉及一种飞行器系统及其健康评估方法和装置。
背景技术
重复使用飞行器整个服役过程中有两种状态：运行状态和维护状态。在重复使用飞行器运行过程中，健康评估管理可以及时对普通故障进行处理，避免重大事故的发生，从而提高飞行器的可靠性与利用率，最大程度保证飞行任务的正常完成。在地面的维护过程中，健康评估管理通过制定更加合理的维护计划和方案，可以减少地面检测和维修的时间和资源投入，降低维护成本，减少飞行器在地面的准备时间。健康评估管理技术还能够对飞行器重要部件和整个系统进行全面的健康状态监测，在必要时对飞行器进行自修复、任务降级或提前准备必要的维修资源，进而降低全寿命周期成本。因此飞行器健康评估管理技术对飞行器的发展具有重要的理论意义和应用价值，已经成为航空航天工业技术发展的必然趋势。
重复使用飞行器系统作为一个复杂系统，在其故障检测、故障诊断与寿命预测的过程中，通常通过观察测量分量参数数据值的大小、变化趋势等特点，来判断飞行器系统的运行状态。通过研究飞行器系统在测试、运行时数据的特点与变化规律，确定最佳数据的表现形式及其变化的情况。例如若干个经过特征参数提取与数据融合后的参数、与参数范围、曲线波动的方式、与曲线波动的变化特征等，然后采取合适的方法确定各个参数的模糊隶属度函数，并且根据各个不同的参数在整个重复使用飞行器系统与子系统中所占的重要程度确定其权重，构建健康评估所需要的参数集与评估模型，从而通过重复使用飞行器系统在实际飞行、维护中的各个参数来评估重复使用飞行器系统的健康程度。
FMECA由两项相对独立的工作组成,即故障模式及影响分析(failure mode andeffect analysis, FMEA)和危害性分析(criticality analysis, CA)。当重复使用飞行器系统发生故障时,通过计算出的危害值,即可计算出健康指数。
传统FMECA过程都是在静态情况进行分析的，这种通过概率计算得到的危害度及健康指数是对重复使用飞行器系统状态的一个长期预测，包括重复使用飞行器系统的地面维护与储存阶段，但是重复使用飞行器系统在实际使用过程中，其系统健康状况的变化是一个不断变化的动态过程，其出现故障的可能性将增加，会造成一定的风险。
在重复使用飞行器飞行过程中，如果出现故障，将大大影响重复使用飞行器系统本身的可靠性与鲁棒性，所以传统的通过静态的方法判断重复使用飞行器系统健康程度将不再适用，所以需要对FMECA进行改进，使其适用于重复使用飞行器系统动态的过程。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种飞行器系统及其健康评估方法和装置，以对飞行器系统在飞行过程的健康状况进行评价。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种飞行器系统的健康评估方法，包括：
获取飞行器系统中待评估子系统的运行参数；
确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；
根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况。
本发明实施例提供的飞行器系统的健康评估方法，通过获取飞行器系统中待评估子系统的运行参数，确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；进而根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况，可以在飞行器飞行过程中完成对故障数据的实时获取，将FMECA的评估结果扩展到飞行器系统的全使用周期上，进而在飞行器飞行过程中对飞行器系统中待评估子系统的健康状态进行评价，满足飞行器系统安全飞行的需要，提高了飞行器的安全性。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述待评估子系统包括以下中的一项或多项：所述飞行器的控制系统、所述飞行器的推进系统、所述飞行器的通信系统。
结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，在根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度之后，还包括：根据所述故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度，并根据所述故障模式的严酷度更新所述FMECA的评估结果。
结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度包括：
利用预设的第一公式计算所述故障模式的危害度；
所述第一公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，所述
Figure 395788DEST_PATH_IMAGE002
为故障模式，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为故障率，
Figure 384472DEST_PATH_IMAGE004
为故障模式频数比，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为故障影响 概率，
Figure 261161DEST_PATH_IMAGE006
为工作时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为故障模式
Figure 349203DEST_PATH_IMAGE008
的危害度。
结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况包括：
根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度利用预设的第二公式得到所述待评估子系统的健康状况；
所述第二公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 944132DEST_PATH_IMAGE010
表示所述待评估子系统i的健康指数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为故障模式
Figure 205349DEST_PATH_IMAGE012
的危害度。
结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，当所述待评估子系统为至少两个时，还包括根据所有的所述待评估子系统的健康状况利用预设的第三公式得到所述飞行器系统的健康状况；
所述第三公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中，H为所述飞行器系统的健康状况指数，
Figure 139807DEST_PATH_IMAGE014
为定义惩罚函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为所述待评 估子系统i的健康状况的权重系数；
Figure 195488DEST_PATH_IMAGE016
表示所述待评估子系统i的健康指数。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种飞行器系统的健康评估装置，包括：
获取模块，用于获取飞行器中待评估子系统的运行参数；
危害度计算模块，用于确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；
健康状况确定模块，用于根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，飞行器系统的健康评估装置还包括更新模块，在确定所述故障模式的危害度之后，所述更新模块用于：根据所述故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度，并根据所述故障模式的严酷度和/或所述故障模式的相关信息更新所述FMECA的评估结果。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种飞行器系统，包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的飞行器系统的健康评估方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的飞行器系统的健康评估方法。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例1飞行器系统健康评估方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1中飞行器系统中改进后的FMECA流程示意图；
图3为本发明实施例2飞行器系统健康评估装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例1提供了一种飞行器系统的健康评估方法。图1为本发明实施例1飞行器系统健康评估方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例1的飞行器系统健康评估方法包括以下步骤：
S101：获取飞行器系统中待评估子系统的运行参数。
作为具体的实施方式，在本发明实施例1中，待评估子系统为飞行器系统中的子系统，包括以下中的一项或多项：所述飞行器系统的控制子系统、所述飞行器系统的推进子系统、所述飞行器系统的通信子系统。
S102：确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式。也就是说，在运行参数中筛选出异常参数，并确定与异常参数相对应的故障模式。
在本发明实施例1中，确定运行参数为异常参数、确定与异常参数相对应的故障模式可以采用现有技术中的任意方法，在此不再赘述。
S103：根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度。
作为具体的实施方式，可以利用预设的第一公式计算所述故障模式的危害度；
所述第一公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中，所述
Figure 277714DEST_PATH_IMAGE018
为故障模式，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为故障率，
Figure 77042DEST_PATH_IMAGE020
为故障模式频数比，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为故障影响 概率，
Figure 866007DEST_PATH_IMAGE022
为工作时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为故障模式
Figure 623747DEST_PATH_IMAGE024
的危害度。需要说明的是，在第一公式中，故障率
Figure DEST_PATH_IMAGE025
、故障模式频数比
Figure 927690DEST_PATH_IMAGE020
、故障影响概率
Figure 937234DEST_PATH_IMAGE021
可由FMECA的评估结果得到。
S104：根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况。
作为具体的实施方式，根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况包括：
根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度利用预设的第二公式得到所述待评估子系统的健康状况；
所述第二公式为：
Figure 111863DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示所述待评估子系统i的健康指数，
Figure 774926DEST_PATH_IMAGE028
为故障模式的
Figure DEST_PATH_IMAGE029
危害度。
作为进一步的实施方式，当所述待评估子系统为至少两个时，还包括根据所有的所述待评估子系统的健康状况利用预设的第三公式得到所述飞行器系统的健康状况；
所述第三公式为：
Figure 566164DEST_PATH_IMAGE030
其中，H为所述飞行器系统的健康状况指数，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为定义惩罚函数，
Figure 910558DEST_PATH_IMAGE032
为所述待评 估子系统i的健康状况的权重系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示所述待评估子系统i的健康指数。
作为进一步的实施方式，在确定所述故障模式的危害度之后，还包括：根据所述故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度，并根据所述故障模式的严酷度和/或所述故障模式的相关信息更新所述FMECA的评估结果。
图2为本发明实施例1中飞行器系统中改进后的FMECA的流程示意图，如图2所示，在改进后的FMECA中故障模式及影响分析(failure mode and effect analysis, FMEA)包括对象故障模式分析和故障模式严酷度分析；危害性分析(criticality analysis, CA)包括：实时故障数据获取，计算得到故障模式的危害度，进一步进行健康状态指数分析得到健康评估结果，由此可以指导飞行器飞行。进一步的，可以根据故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度，并获取故障模式的相关信息（例如故障模式频数比、故障影响概率等），利用飞行器真实的运行结果对故障模式的严酷度和/或故障模式的相关信息进行验证后，作为更新所述FMECA的评估结果的数据来源。
FMEA是分析重复使用飞行器系统每一个可能的故障模式对该分系统的影响，并将每一故障模式按其严酷度分类。严酷度是度量分系统故障模式对该分系统工作造成严重后果的程度，而严酷度类别是给分系统故障造成最坏潜在后果规定的一个度量，一般分为以下4类，第1类：灾难性的；第2类：严重的；第3类：比较严重的；第4类：轻微的。具体的，可以根据所述故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度。
FMEA是整个FMECA过程的基础，分析时必须紧密结合分系统各组成部件的特点，把硬件FMEA法和功能FMEA法相结合，得到具体且全面的分析结果，为下一步CA做好准备。对于重复使用飞行器系统而言，包含控制子系统、推进子系统、通信子系统等子系统，飞行器系统与飞行器各子系统均可以通过扩展FMECA对系统的健康状况进行评估。
示例的，对于重复使用飞行器系统的控制子系统、推进子系统而言，包含了液体燃料发动机（推力室、流量调节阀门、燃气发生器、发动机摆动伺服等）、RCS发动机、栅格舵、飞控计算机、发动机控制器等。根据实际情况，重复使用飞行器在使用（飞行）过程中，其控制子系统、推进子系统发生的故障一般是由在阀门、伺服等操作性机械部件发生故障导致的，同时飞控计算机的功能故障也可能导致控制子系统、推进子系统发生故障。
对重复使用飞行器系统的控制子系统与推进子系统的典型故障进行分析，可以依照其故障对于对重复使用飞行器系统控制子系统与推进子系统的故障的严酷度进行分类。严酷级别越高的（数字小则级别高，反之亦然）。可以得到下表：
表1 可重复使用飞行器典型故障及严酷度
Figure DEST_PATH_IMAGE035
本发明实施例1提供的飞行器系统的健康评估方法，通过获取飞行器系统中待评估子系统的运行参数，确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；进而根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况，可以在飞行器飞行过程中完成对故障数据的实时获取，将FMECA的评估结果扩展到飞行器系统的全使用周期上，进而在飞行器飞行过程中对飞行器系统中待评估子系统的健康状态进行评价，满足飞行器系统安全飞行的需要，提高了飞行器的安全性。
评估出的健康评估结果将指导重复使用飞行器的运行，如果重复使用飞行器健康评估结果显示重复使用飞行器系统或者其子系统的健康状况出现问题，将能够在飞行过程中进行容错控制或者在飞行结束后进行适当的处理以满足重复使用的需求。
重复使用飞行器系统运行的结果将指导改进FMECA方法的故障模式严酷度分析。重复使用飞行器系统及其子系统运行的数据统计结果将作为故障模式严酷度分析的来源。重复使用飞行器运行的数据也将作为其实时故障数据的输入源，进入FMECA方法的闭环。
由此可见，本发明实施例1可以将FMECA健康评估拓展到可重复使用飞行器的全使用周期上，能使得健康评估的结果用于改进健康评估本身的效果，并且其实时健康评估的特性提高了可重复使用飞行器的安全性。
实施例2
本发明实施例2提供了一种飞行器系统的健康评估装置。图3为本发明实施例2飞行器系统健康评估装置的结构示意图，如图3所示，本发明实施例2的飞行器系统健康评估装置包括获取模块20、危害度计算模块22和健康状况确定模块24。
具体的，获取模块20，用于获取飞行器中待评估子系统的运行参数；
危害度计算模块22，用于确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；
健康状况确定模块24，用于根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况。
进一步的，飞行器系统的健康评估装置还包括更新模块26，在确定所述故障模式的危害度之后，所述更新模块26用于：根据所述故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度，并根据所述故障模式的严酷度和/或所述故障模式的相关信息更新所述FMECA的评估结果。
上述飞行器系统的健康评估装置具体细节可以对应参阅图1和图2所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
实施例3
本发明实施例还提供了一种飞行器系统，该飞行器系统可以包括处理器和存储器，其中处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接。
处理器可以为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的飞行器系统的健康评估方法对应的程序指令/模块（例如，图3所示的获取模块20、危害度计算模块22、健康状况确定模块24和更新模块26）。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的飞行器系统的健康评估方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述处理器执行时，执行如图1所示实施例中的飞行器系统的健康评估方法。
上述飞行器系统具体细节可以对应参阅图1至图3所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）、随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）、快闪存储器（Flash Memory）、硬盘（Hard Disk Drive，缩写：HDD）或固态硬盘（Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种飞行器系统的健康评估方法，其特征在于，包括：
获取飞行器系统中待评估子系统的运行参数；
确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；
根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待评估子系统包括以下中的一项或多项：所述飞行器系统的控制子系统、所述飞行器系统的推进子系统、所述飞行器系统的通信子系统。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度之后，还包括：
根据所述故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度，并根据所述故障模式的严酷度和/或所述故障模式的相关信息更新所述FMECA的评估结果。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度包括：
利用预设的第一公式计算所述故障模式的危害度；
所述第一公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，所述
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为故障模式，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为故障率，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为故障模式频数比，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为故障影响概率，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为工作时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为故障模式的危害度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况包括：
根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度利用预设的第二公式得到所述待评估子系统的健康状况；
所述第二公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示所述待评估子系统i的健康指数，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为故障模式
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的危害度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述待评估子系统为至少两个时，还包括根据所有的所述待评估子系统的健康状况利用预设的第三公式得到所述飞行器系统的健康状况；
所述第三公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，H为所述飞行器系统的健康状况指数，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为定义惩罚函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为所述待评估子系统i的健康状况的权重系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
表示所述待评估子系统i的健康指数。
7.一种飞行器系统的健康评估装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取飞行器中待评估子系统的运行参数；
危害度计算模块，用于确定与所述运行参数中的异常参数相对应的故障模式，并根据FMECA的评估结果确定所述故障模式的危害度；
健康状况确定模块，用于根据所述待评估子系统中所有故障模式的危害度确定所述待评估子系统的健康状况。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
更新模块，在确定所述故障模式的危害度之后，所述更新模块用于：根据所述故障模式的危害度确定所述故障模式的严酷度，并根据所述故障模式的严酷度和/或所述故障模式的相关信息更新所述FMECA的评估结果。
9.一种飞行器系统，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1-6中任一项所述的飞行器系统的健康评估方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-6中任一项所述的飞行器系统的健康评估方法。
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