飞行器健康管理技术研究现状

版本：V1.0密级：内部飞行器健康管理技术研究现状调研报告研究生：钱朋朋空间自动化技术研究中心中国科学院沈阳自动化研究所2010-12-17目录一、综合飞行器健康管理技术.......................................................................................................41.1技术背景与发展现状......................................................................................................................41.2IVHM系统的结构及功能.............................................................................................................51.3IVHM技术研究的难点和关键技术...........................................................................................9二、故障预测与健康管理技术.....................................................................................................112.1PHM技术的发展历程及应用现状...............................................................................................112.2PHM系统的结构、功能及关键技术..........................................................................................13三、国内外主要研究单位.............................................................................................................153.1国外主要研究单位...........................................................................................................................153.2国内主要研究单位...........................................................................................................................16四、其他.........................................................................................................................................164.1有关学术组织简介...........................................................................................................................164.2有关学术会议简介.........................................................................................................................1774.3有关学术期刊..................................................................................................................................1994.4有关学术论坛..................................................................................................................................199五、结语.......................................................................................................................................199第3页共23页摘要健康管理技术是继故障诊断技术之后的又一项重要技术，是先进传感技术、通信技术同人工智能技术的高度综合，以故障检测、隔离和重构为基础，注入了当前先进的网络技术、信息技术和推理技术。在国民经济的不同行业中，尤其在航空、航天等高新技术领域，有着举足轻重的作用。飞行器健康管理技术的主要功能是了解、修复飞行器及其元部件故障。近些年来，在飞机、无人机、航天器等飞行器中得到了广泛应用。健康管理技术的两种典型代表是NASA、波音、霍尼韦尔等研究单位提出的综合飞行器健康管理技术（IntegratedVehicleHealthManagement，IVHM）和洛克希德·马丁公司在联合攻击战斗机（JointStrikerFighter，JSF）项目中提出的故障预测与健康管理技术（PrognosticsandHealthManagement，PHM），其中综合飞行器健康管理技术（IVHM）是在故障预测与健康管理技术（PHM）的基础上，加上地面的联合分布式信息系统（JointDistributeInformationSystem，JDIS）而形成的。PHM和IVHM各有优缺点，由此，近些年，我国有学者设计出了综合飞行器故障预测与健康管理系统(IntegratedVehiclePrognosticsandHealthManagementSystem，IVPHMS)，该系统综合利用了IVHM和PHM系统的特点与优势，理论上应具有更加完善的功能。本文通过对IVHM、PHM相关文献的整理，对基本概念进行了归纳和总结，力求对IVHM、PHM技术的发展进行全面的了解，理清IVHM、PHM的发展历程及关键技术，并对国内外现有的主要研究单位及学术组织进行了归纳和概括，以使读者对健康管理技术有更加详尽的了解，为我国在相关领域的研究工作提供有力的帮助。关键词：健康管理技术；综合飞行器健康管理技术；故障预测与健康管理技术；综合飞行器故障预测与健康管理系统第4页共23页一、综合飞行器健康管理技术1.1技术背景与发展现状随着航空航天技术的发展，飞行器的安全性与可靠性，以及飞行器后勤保障体系的高效和经济性等越来越成为发展航空航天技术无法回避的问题。美国联邦航卒局(FAA)和国家运输安全委员会(NTSB)的统计数据表明，过去17年来全世界飞行事故有24％是由飞行器子系统和部件的故障引起，26％是由飞行失控引起，而很大一部分飞行失控是由硬件和系统的故障引起的[1，2]。此外，航空航天工业也面临着巨大的经济压力，航空公司每年在飞行器后勤保障上花费310亿美元，平均每一个小时的飞行时间要有12个小时的后勤保障时间。为提高飞行器的可靠性与安全性，降低成本，美国国家航空航天局(NASA)提出了飞行安全计划——飞行器综合健康管理(IntegratedVehicleHealthManagement，IVHM)技术。IVHM技术将飞行器各个子系统的故障监测、故障诊断、影响评估、故障预测等，及其相应的处理措施和后勤保障的安排等综合为一个对飞行器健康状况的综合管理系统[3，4]，从提出至今经历了一个漫长的从概念到具体实现的发展过程，目前尚未出现一个具备完整健康管理功能的IVHM系统，但IVHM技术在飞行器安全性、可靠性、经济性等方面的突出作用，受到航空航天工业科研与生产单位的广泛认同，成为航空航天工业发展的一种必然趋势[1-2，5-9]。IVHM系统的工作原理是：将飞行器的健康状态从前端传感器的信号到后端地面后勤保障的决策执行的整个过程集成为一个综合系统来统一管理，实现故障检测、诊断和预测以及决策支持的自动化与智能化。IVHM经历了多年的发展，名称以及特点等都发生了很大变化，目前不同组织仍然使用不同名称，健康管理相关的名称大致经历了如下的发展过程[6，9，10]：(1)FDIR(faultdetection，isolationandrecovery)：故障诊断、隔离与重构；(2)Autonomy：功能自治；做成图示的形式最好有时间(3)VHM(vehiclehealthmonitoring)：飞行器健康监测；(4)SHM(systemhealthmanagement)：系统健康管理(首次尝试将安全性、可靠性、故障管理、可测试性和成本效益分析集成到一个共同的系统框架中)；(5)VHM(vehiclehealthmanagement)：飞行器健康管理；1998第5页共23页(6)IVHM(integratedvehiclehealthmanagement)：飞行器综合健康管理。IVHM技术是NASA近些年（具体哪一年）在其可重复使用空间飞行器（reusablelaunchvehicle，RLV）中正式提出的[2，6，11-12]，其前身为1998年NASA在X-33RLV项目中提出的VHM技术[12]。IVHM系统通过在飞行器系统中集成和应用先进的软件、传感器、智能诊断、数字通信、系统集成等技术，来实现对飞行器系统智能的、系统级的健康评估和控制、信息和决策管理，帮助操作人员完成飞行任务，减小风险和危害。伴随着IVHM的发展，也出现了许多用于VHM的诊断推理工具（都有哪些做成表或图），如：Ames研究中心开发的Livingstone诊断推理工具，已成功应用于DS-1、X-34、X-37等项目中；JPL(JetPropulsionLaboratory)开发的推理工具SHINE和诊断工具BEAM，成功用在X-33等中；此外还有基于模型的推理机TEAMS成功用在K-1等中[6，13]、基于模型的软件工具FACT[11，14]等。新型的传感器[5]、先进的诊断推理算法和系统集成方法等的应用也成为IVHM技术发展的重要成果。综上所述，IVHM技术已经得到一定的发展，但还不完善，尚处于原理、部分功能和概念的验证阶段，目前还没有具备完整IVHM功能的系统。1.2IVHM系统的结构及功能1.2.1IVHM系统的功能分层对应健康管理行为的需要，按数据、信息、知识、决策的管理过程和信息传递过程，可将综合飞行器健康管理系统分成6个信息层，分别为信号处理层、状态监控层、健康评估层、预测层、决策支持层以及人机交互层。该结构支持平台上和地面的组成部分，并包括与所有支持系统(例如维护和后勤)、子系统／飞行器控制以及任务／运行管理的交互界面[15]。(1)信号处理层该层获取并处理来自传感器与控制系统的输入数据，既包括专用的功能状态、正常与否的指示，也包括依照设定的特征空间提取数据的内容特征。通常的提取算法包括快速傅里叶变换、小波、滤波器或统计(平均，标准偏差)等。第6页共23页(2)状态监控层该层对子系统、部件的行为以及材料的状况进行测试和报告，此外也对运行环境进行检测和报告。状态监控层的关键输入包括“信号处理层”处理过的信号以及来自“健康评估层”的控制输入和报告准则，其中报告准则用于控制报告的时间和阈值大小，而输出则为对检