民航概論論文.doc

基于案例庫研究的航空發(fā)動機故障診斷研究摘 要：隨著航空業(yè)的高速發(fā)展，民用航空設(shè)備的維修要求也越來越高，在保證飛行安全，縮短維護時間，降低運營成本等方面對故障診斷方法和維護手段提出了新的挑戰(zhàn)。隨著飛機結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不斷增加，故障種類也體現(xiàn)出多樣化的特點，傳統(tǒng)的人工診斷方式已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前局面，智能診斷開始進入航空維護領(lǐng)域，很大程度上提高了診斷水平。目前在智能故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用較多的為案例推理系統(tǒng)，該方法能夠模擬人類思維方式，通過回憶以往的經(jīng)驗來找到解決面對問題的解決方案。關(guān)鍵字：故障診斷 案例推理 內(nèi)窺圖像第一章 緒 論從上世紀80年代開始，世界各國航空事業(yè)迅猛發(fā)展，對航空發(fā)動機的運行可靠性要求也不斷提高，隨之而來的安全問題也越來越突出。據(jù)中國民航局1989-1999十年的統(tǒng)計資料顯示，機械故障引起的嚴重飛行事故占37.9%，而發(fā)動機的故障又占所有機械故障的60%，可見發(fā)動機故障對飛行安全的影響非常之大1。因此在使用中對發(fā)動機采取必要的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷，對其承受高負荷、高溫、高速和處于腐蝕介質(zhì)中的零部件進行定期與非定期探測、檢驗，及時發(fā)現(xiàn)各類損傷和缺陷是確保飛行安全的重要措施之一，對于降低飛機事故的發(fā)生率及提高民航運輸?shù)慕?jīng)濟效益有著極其重大的意義。內(nèi)窺檢測具有無損、直觀、快速的特點，是航空發(fā)動機維護中的一種有效的故障檢測和監(jiān)控手段，對于監(jiān)控航空發(fā)動機的性能、提高發(fā)動機的利用率、保障飛行的可靠性和安全性起著重要的作用，在現(xiàn)代航空發(fā)動機維護中被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計，大約90%的航空發(fā)動機非例行更換都與內(nèi)窺檢測結(jié)果直接相關(guān)。依據(jù)發(fā)動機的內(nèi)窺檢測部位、損傷類型及損傷尺寸需要與手冊標(biāo)準(zhǔn)進行對比來進行損傷判斷和維修決策，往往需要檢測和維修人員查閱相關(guān)手冊，目前飛機維修手冊中均規(guī)定了基于內(nèi)窺檢測的維修決策標(biāo)準(zhǔn)，但是查閱手冊一方面需要檢測人員對手冊的熟悉，另一方面也需要更多翻閱手冊的時間，特別是在手冊規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)附近，做出可靠的經(jīng)濟的維修決策往往需要歷史經(jīng)驗及眾多專家參與的綜合權(quán)衡、分析和討論，必要時甚至需要求助于制造商。目前，航空公司普遍具有飛機機群大、機種多、分布廣等特點，而具有能給發(fā)動機做內(nèi)窺檢測損傷評估及維修決策的專家不可能分布在各地，往往僅僅限于在專門從事飛機發(fā)動機維修的相關(guān)部門，這種特點使目前發(fā)動機內(nèi)窺檢測面臨了典型的異地檢測、評估與決策困難的問題。同時，僅僅依靠內(nèi)窺檢測專家的經(jīng)驗進行損傷評估和決策，將表現(xiàn)出很大的局限性，表現(xiàn)在專家的豐富經(jīng)驗往往需要長時間的積累，而且對每種型號的發(fā)動機均具有不同的經(jīng)驗。所以建立內(nèi)窺故障智能診斷系統(tǒng)進行故障檢測與診斷的技術(shù)成為關(guān)鍵。第二章 故障分析及案例庫建立一個完整的智能診斷系統(tǒng)應(yīng)該從知識的獲取開始，本章首先對航空發(fā)動機的主要故障進行了定義，之后介紹了主流圖像處理辦法，詳細描述了本文所采取的算法步驟；然后簡要對主要的智能故障診斷系統(tǒng)進行了對比，結(jié)合研究課題的特點，選取了適合本文研究課題的診斷方案基于案例的診斷方法，并對案例的表示與案例庫結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計。2.1 航空發(fā)動機主要故障分析航空發(fā)動機內(nèi)部常見的損傷主要有：裂紋、刻痕、壓坑、撕裂、凹痕、燒傷、腐蝕、葉尖卷邊等。如圖2.1所示為各種損傷的定義圖11：圖2.1 常見發(fā)動機故障定義圖通過對損傷形成原因和評估參數(shù)的分析，典型損傷進行分析：1.裂紋（crack）裂紋是最常見的損傷形式，根據(jù)成因不同分為燒傷裂紋、震動裂紋、疲勞裂紋等多種。造成裂紋的主要原因是過熱或振動使金屬應(yīng)力過大直至金屬疲勞。通常表現(xiàn)為一條鋸齒狀的黑色線開口。對于裂紋損傷，長度是評估的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。2.葉片折斷與掉快（broken）折斷與掉快是由于沖擊、撞擊等外力因素而導(dǎo)致葉片破碎或折斷，破碎或折斷部分移走。3.凹坑（dent）凹坑是由于葉片或壁面的局部由于撞擊而受損，材料發(fā)生坑狀變形，但沒有發(fā)生移動。凹坑成“U”型，外型為鈍邊，表面相對光滑。損傷常常出現(xiàn)在葉片根部和渦輪艙壁面。對于凹坑損傷，凹坑深度和最大外徑是損傷評估的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。4.邊緣刻口（nick）刻口是由于葉片邊緣受到外物撞擊而導(dǎo)致材料變形，刻口呈“V”型，刻痕邊緣呈亮色。邊緣刻口也是內(nèi)窺檢測中常見的損傷類型之一，損傷的級別根據(jù)刻口的口徑長度以及刻口深度來判定。5.葉片扭曲（bent）扭曲是由于來自相反方向的直線型外力作用于葉片表面的不同區(qū)域，導(dǎo)致原有的扭轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化。葉片扭曲部分相對于完整葉片所占比例是判定葉片扭曲損傷級別的依據(jù)。6.葉邊卷刃（curled）葉片尖部由于受到與葉片運動方向相反的作用力，像刀刃卷曲一樣變成圓角形折疊，從而形成葉邊卷刃。7.積炭（deposits）積炭常常發(fā)生在導(dǎo)向器邊緣和表面，以及燃燒室壁面，是由于燃燒產(chǎn)生的炭粒在表面沉積而產(chǎn)生的。大面積積炭會影響到發(fā)動機的燃燒效率，因此，積炭區(qū)域的大小是評估該類型損傷的依據(jù)。8.表皮剝落（overheated）表皮剝落是由于材料受到長時間高溫而導(dǎo)致部分表面材料脫落，失去結(jié)構(gòu)的完整性。表皮剝落損傷的表面比較光滑，還沒有形成材料熔化變形。9.燒蝕（burned）燒蝕是由于受熱嚴重而導(dǎo)致材料部分熔化，引起燒傷。內(nèi)窺檢測中會發(fā)現(xiàn)損傷區(qū)域顏色發(fā)生變化或者變形，一般呈暗黑色。燒蝕損傷的評估依據(jù)或者是表面損傷區(qū)域的大小，或者是葉片變形或脫落區(qū)域的長度和深度等參數(shù)。10.撕裂（gouge）葉片表面局部由于受到尖銳外物的撞擊，材料撕開而產(chǎn)生的穿透形開口，形成撕裂。裂口長度是撕裂損傷的評估依據(jù)。2.2 圖像預(yù)處理圖像預(yù)處理的主要目的是提取圖像的特征參數(shù)，這也是實現(xiàn)故障檢測智能化的基礎(chǔ)。在圖像預(yù)處理的過程中，包含圖像增強、圖像分割、邊緣檢測、損傷參數(shù)提取等。由于航空發(fā)動機工作環(huán)境及內(nèi)窺檢測的特殊性，拍攝的航空發(fā)動機內(nèi)窺圖像不同于一般的圖像，具體表現(xiàn)為：1、發(fā)動機內(nèi)窺圖像背景很復(fù)雜，圖像分割的難度較大；2、內(nèi)窺檢測拍攝到的圖像整體偏暗，對比度較差，清晰度不高；3、發(fā)動機工作在高溫高壓、快速運轉(zhuǎn)的條件下，空氣中存在大量灰塵顆粒，從而在拍攝的圖像上存在大量的隨機噪聲。綜上所述，拍攝到的發(fā)動機內(nèi)窺損傷圖像不能直接用于圖像識別分析，必需經(jīng)過圖像增強，提高圖像的質(zhì)量，才能減少外界干擾所帶來的圖像誤識別。圖像增強的目的有兩個，一是采用一系列技術(shù)改善圖像的視覺效果，提高圖像成分的清晰度；另一個是是圖像變得更加便于圖像分割與識別。圖像增強可分為對比度增強、圖像平滑及圖像銳化。 正交性是從變換后的小波系數(shù)的相關(guān)性來考慮的，如果是正交小波，變換后的小波系數(shù)是不相關(guān)的，濾波效果更好。正則性好的小波在信號重構(gòu)中比較平滑。正交小波中除Haar小波外，都不滿足對稱性，而對稱性好的雙正交小波基構(gòu)造和計算都比較復(fù)雜。因此選取sym4作為小波基，它具有簡單、對稱性好，在重構(gòu)過程中相移小等優(yōu)點。具體步驟如下：步驟一：對圖像進行小波分解，選取sym4小波基，用Matlab對圖像進行三層小波分解；步驟二：對高頻系數(shù)軟閾值化處理，每個圖層選取一個閾值，濾去噪聲；步驟三：對閾值化后的小波系數(shù)進行增強處理；步驟四：重構(gòu)圖像，得到增強后的圖像。圖2.2 小波分解示意圖圖2.3為PW4000燃燒室裂紋圖像：圖2.3 PW4000燃燒室裂紋圖像2.3 基于案例推理的智能故障診斷方法案例式推理，是一種類比推理方法，是通過改編那些解決舊問題的方法來嘗試解決新問題，也就是利用尋找相似案例的推理方法，找到解決舊問題的方法來適用于解決新的問題。案例式推理強調(diào)這樣的思想：人類在解決問題時，常?；貞涍^去積累下來的類似情況的處理，通過對過去類似情況處理的適當(dāng)修改來解決新的問題。過去的類似情況及其處理技術(shù)被稱之為案例(CASE)。過去的案例還可以用來評價新的問題及新問題的求解方案，并且對可能的錯誤進行預(yù)防。運用這一基本思想進行推理被稱為案例推理技術(shù)。 圖圖2.4 案例推理過程 案例推理的作法是首先先做一問題的描述 (Presentation)，再從Case-Base中找出最類似的Case(Retrieval)，即使挑選出最類似的Case也不可能完全相同，故要依照Case的Solution再作調(diào)整(Adaptation)，再將調(diào)整出的結(jié)果與使用者或大環(huán)境來證實(Validation/Test)，如果適當(dāng)，則被證實的結(jié)果將會被增加到Case-Base中 (Feedback)。上述過程即為一個完整的案例推理過程，可以用圖2.5來形象的描述該過程。對于案例推理系統(tǒng)，主要的研究方向包括案例庫的建立和優(yōu)化，與其他故障診斷手段融合成混合推理系統(tǒng)等。案例庫的建立包括采用何種組織結(jié)構(gòu)，存儲形式等，案例庫的優(yōu)化包括檢索算法的設(shè)計，案例的學(xué)習(xí)機制以及如何使案例的檢索效率提高等。本文主要從案例庫的建立與案例庫的優(yōu)化兩個方面進行相關(guān)研究，其中案例庫的優(yōu)化為研究重點方向。2.4 案例庫的建立2.4.1 案例庫的組織結(jié)構(gòu)目前數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，為了減小在案例庫存儲方面的工作量，我們直接采用數(shù)據(jù)庫對案例進行存儲與管理。本文研究的案例庫在初期屬于小規(guī)模嘗試，可能案例數(shù)量較小，為了適應(yīng)未來擴展需要，我們?nèi)匀灰源笠?guī)模案例庫為標(biāo)準(zhǔn)來對案例庫進行設(shè)計，故將案例庫設(shè)計為多級結(jié)構(gòu)。在航空發(fā)動機內(nèi)窺故障診斷系統(tǒng)中，重要的問題是如何合理的診斷并得出相應(yīng)結(jié)論及處理對策。本文研究的為航空發(fā)動機故障診斷，所以將基類設(shè)置為發(fā)動機，包含屬性應(yīng)為發(fā)動機型號等最基本信息。然后派生類的確定應(yīng)找出診斷方法間的共性和差別所在，便于程序的實現(xiàn)、調(diào)用及解釋。因此，根據(jù)在實際診斷中檢測的損傷類型及其特征進行分類。即將發(fā)動機的不同型號先進行分類，每個型號按照不同的故障部位分為低壓壓氣機診斷類、高壓壓氣機診斷類、燃燒室診斷類、高壓渦輪診斷類、低壓渦輪診斷類。每個派生類分別包括裂紋、刻痕、壓坑、撕裂、凹痕、燒傷、腐蝕、葉尖卷邊等損傷類型作為其對象，這些對象的特征參數(shù)包括長度、面積、凹坑的深度，以及每個數(shù)據(jù)成員的診斷方法和維修決策。該分類法可將已收集到的專家知識按面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計原則組成一種混合知識表達形式，將對象的屬性、行為特征、相關(guān)領(lǐng)域知識的數(shù)據(jù)處理方法等有關(guān)知識封裝在表達對象的結(jié)構(gòu)中，還可根據(jù)專家經(jīng)驗靈活地派生出新類。案例庫的結(jié)構(gòu)組織如圖2.7所示：圖2.5 案例庫的組織結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)優(yōu)點為：在與粗糙集理論結(jié)合后，可以更加方便的對案例特征值權(quán)重進行調(diào)整，使其在進行案例檢索時減少工作量的同時也能提高檢索的準(zhǔn)確度。另外可以提供讓用戶批量查看某類型故障或者某部位故障的功能。 2.4.2 案例庫的存儲實現(xiàn)案例庫的組織結(jié)構(gòu)確定后，需要將從某發(fā)動機維修公司近些年來收集整理的發(fā)動機型號為PW4000、PW4077、JT9D、CMF56-3、CMF56-7的共計四百多張內(nèi)窺損傷圖片，進行圖像預(yù)處理，故障特征提取，特征值權(quán)重進行計算調(diào)整并進行入庫。收集到的數(shù)據(jù)如表2.1所示。表2.1 現(xiàn)有案例樣本統(tǒng)計表案例在數(shù)據(jù)庫中的部分存儲形式如圖2.6所示。圖2.6案例的存儲形式2.5 案例庫的重用檢索案例的重用包括兩個方面：新舊案例的區(qū)別以及檢索到的案例哪些可以應(yīng)用到新案例中。1、復(fù)制在簡單案例的檢索中，忽略新舊案例的區(qū)別，檢索到的案例解決方案被直接傳送到新案例中作為其解決方案。這是一種低級的，簡單的重用。高級系統(tǒng)應(yīng)考慮檢索到的案例與目標(biāo)案例之間的差別，其中包括重用部分的差別和不能直接傳送解決方案，應(yīng)該在做出最終決策之前做出適當(dāng)?shù)男薷摹?、修正主要有兩種方法實線對過去案例的重用：1）重用過去的案例解決方案（轉(zhuǎn)換重用）。轉(zhuǎn)換重用并不是簡單的將就按例的解決方案直接應(yīng)用于新案例，而是采取基于知識的轉(zhuǎn)換算子，將轉(zhuǎn)換算子應(yīng)用到舊案例以生成新案例的解決方案（局部修正）。轉(zhuǎn)換算子通過計算檢索到的案例與目標(biāo)案例的區(qū)別來獲取。2）重用舊案例的構(gòu)造解決方案的方法（導(dǎo)出重用）。導(dǎo)出重用著眼于在檢索到的案例中問題是如何解決的。檢索到的案例包含了按案例問題的解決方法、解決問題時應(yīng)當(dāng)考慮的子目標(biāo)、系統(tǒng)自動生成的可供選擇的方法。導(dǎo)出重用法把檢索到的方案用于新案例中，實現(xiàn)對新問題的解決。重用階段生成的解決方案不正確會引發(fā)錯誤的決策，如果按照錯誤的決策對飛機進行維護 ，會帶來災(zāi)難性的后果，因此必須進行案例方案的修正與評價，該階段成為案例修訂，成功的話進行案例學(xué)習(xí)（案例保存）；否則用相關(guān)發(fā)動機維護知識修訂解決方案（案例調(diào)整）。案例評價：通過將檢索到的解決方案應(yīng)用于現(xiàn)實問題中，通常在系統(tǒng)外部進行測試。應(yīng)用的結(jié)果需要一定的時間才能夠輸出。案例的調(diào)整是案例推理系統(tǒng)的難點之一，包括了如何確定案例與問題之間的區(qū)別，找出需要變更和需要保留的部分，修正設(shè)計使其有效，根據(jù)案例的特性，可以進行如下幾種調(diào)整辦法。1、直接轉(zhuǎn)換：當(dāng)案例完全適合實際要求時，僅需改變先前案例的相關(guān)參數(shù)，即可獲得新的設(shè)計方案：利用設(shè)計案例方案的生成方法重新生成。這種方法利用專業(yè)發(fā)動機維護知識導(dǎo)出設(shè)計方案，需要在案例中記錄推導(dǎo)過程和中間結(jié)果。2、帶修正的轉(zhuǎn)換：局部修正也是利用發(fā)動機維護知識導(dǎo)出設(shè)計方案進行局部修改，具有與第二種方法類似的缺點。3、基于框架的方案變換：最相似案例被選作框架，不足的部分由其他案例中合適部分補充，比較適用于工程涉及領(lǐng)域。該方法的基本思想是：系統(tǒng)首先按照相關(guān)性構(gòu)造一個相關(guān)案例隊列，取出最相關(guān)案例作為框架案例，將框架案例的相關(guān)組件排序，然后一次檢驗排序后的組件，對于不符合要求的組件則利用案例隊列中其他案例的相應(yīng)組件替換，當(dāng)所有組件處理完畢后仍不能滿足設(shè)計要求時，采用其他推理方法由用戶首功修正。這種方法要求有豐富的發(fā)動機維修知識。2.6 案例的學(xué)習(xí)與保存案例推理系統(tǒng)的優(yōu)勢就是能夠模擬人類的思維方式，依照之前的經(jīng)驗對現(xiàn)有問題進行推理，所以案例的學(xué)習(xí)質(zhì)量關(guān)乎系統(tǒng)長期工作的效果。大多數(shù)的案例學(xué)習(xí)主要通過如下兩種方法實現(xiàn)43：一種是新案例的積累，推理系統(tǒng)中案例對故障領(lǐng)域覆蓋面越大，功能越強大；另一種是既對成功案例進行覆蓋也對失敗案例進行覆蓋的效果比僅僅設(shè)計成功案例的效果優(yōu)秀。本文采用了增量式的學(xué)習(xí)方法，能夠不斷的持續(xù)積累經(jīng)驗和知識。但是毫無控制的對案例進行單純的數(shù)量的增加勢必引發(fā)一個嚴重的問題：不但無法控制案例數(shù)目的增長也給系統(tǒng)運行的效率帶來阻礙，增加檢索成本。為了解決這個難題，引入了基于粗糙集中的依賴度來對案例進行學(xué)習(xí)。給定知識系統(tǒng)，設(shè)C包含n個條件屬性，即n維條件屬性且，則案例的學(xué)習(xí)質(zhì)量為 案例的學(xué)習(xí)質(zhì)量即決策屬性能夠特征屬性準(zhǔn)確進行分類的程度，表示知識B能夠準(zhǔn)確分類的對象在系統(tǒng)中占有的比例。結(jié)合理論，如果加入新案例能夠使得案例庫更.加合理則加入此新案例，否則拋棄此案例。一般情況下有四種學(xué)習(xí)策略：1、新案例與案例庫中的案例完全匹配，此時加入新案例不改變?nèi)魏伟咐龓熘R分類，學(xué)習(xí)質(zhì)量不變，拋棄；2、新案例與案例庫中案例相似匹配，相似度取值在一定范圍以內(nèi)，則認為相似度很大，則拋棄；如果相似度較低，進行學(xué)習(xí)后能夠增加學(xué)習(xí)質(zhì)量，采用；3、新案例與案例庫中案例矛盾，則應(yīng)該進行手動維護，對錯誤的決策進行刪除，在實際情況中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)此情況4、新案例為全新案例，則有很大學(xué)習(xí)價值，采用。案例保存就是從新的解決問題的方法中得到有用的知識并且和已有的知識集成總結(jié)的過程。案例的學(xué)習(xí)和保存是以評價和修訂的結(jié)果作為基礎(chǔ)的。它包括從案例中選擇什么信息、用什么形式保存它、如何建立檢索以便未來相似問題的查詢中順利的檢索到這個案例，以及怎樣把新的案例集成到存儲結(jié)構(gòu)中。案例推理系統(tǒng)中，無論問題是怎樣解決的，案例庫都要進行更新。如果問題是通過已有的案例解決的，新案例庫或者是舊案例庫必然會包括當(dāng)前這個案例。如果問題是通過其他方法解決的，包括通過向用戶詢問的方法解決等，就必須建立一個全新的案例。在案例學(xué)習(xí)機制中，必須確定什么是學(xué)習(xí)源。問題的描述和解決問題的方法就是很好的學(xué)習(xí)和保存的對象。案例庫學(xué)習(xí)的最后一個步驟是集成。如果不建立新的案例和索引結(jié)構(gòu)，集成就成為保存案例的主要步驟。通過改變已有案例的索引，案例推理系統(tǒng)將會具有更好的相似判斷能力?，F(xiàn)存索引的調(diào)整是案例推理系統(tǒng)學(xué)習(xí)的一個重要組成部分。按照解決實際問題的案例應(yīng)用結(jié)果的成功或失敗，對一個特定的案例和解決方法調(diào)整索引的重要性，對那些確定與案例檢索成功相關(guān)的特征功能增強，對有可能引起檢索案例不成功的特征功能減弱。按照這種方法，索引結(jié)構(gòu)會進行調(diào)整以適應(yīng)案例存儲。最后，將重新輸入初