直升機健康管理系統(tǒng)的構建

直升機健康管理系統(tǒng)的構建

0直升機hums系統(tǒng)由于飛機靈活且機動性的作戰(zhàn)模式在復雜的叢林戰(zhàn)中表現(xiàn)出色，因此在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中忽視了飛機，促進了飛機的發(fā)展。直升機作為一個復雜的裝備,其機載系統(tǒng)日趨復雜、功能日臻完善,自動化程度不斷提高,從而對直升機的后勤保障和維護提出了更高的要求。當前,我國主要是針對直升機的傳動系統(tǒng),在其執(zhí)行完飛行任務后,進行事后的維護保障,并且這些檢測設備只是地面設備,不能對整個直升機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。因此,為了提高直升機的可靠性和安全性,迫切需要構建一個先進的用于對整個直升機的關鍵結構部件進行狀態(tài)監(jiān)控和健康管理的系統(tǒng)。本文提出通過構建直升機HUMS系統(tǒng),對整個直升機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)能維修費用及提高對維修人員的技術要求;解決傳統(tǒng)故障診斷與預測技術的局限,適應先進直升機的技術發(fā)展;大幅提高主戰(zhàn)裝備的戰(zhàn)備完好率、再次出動能力。本文設計的HUMS系統(tǒng)由機載設備、地面支持設備和通信系統(tǒng)3部分組成,可以連續(xù)觀察、自動記錄和分析飛機機載設備的性能特征,檢測直升機運行的相關信息,判斷是否存在故障以及故障原因和部位,為操作人員和維護人員提供技術支撐。其中,機載設備采用開放式的體系架構,地面站采用分布式的體系結構,通信系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式。1國外直升機研制的背景直升機產業(yè)界大約在20世紀60年代提出了狀態(tài)監(jiān)控這個概念,主要關注直升機某個部件的性能。隨著對飛機安全性的日益關注,誕生了飛機綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)(AIDS)和新一代飛機條件監(jiān)控系統(tǒng)和飛機數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(ACMS/ADAS)。然而,這種監(jiān)控技術,直到20世紀80年代英國北海一場嚴重的空難后才付諸實施。當時1架波音民用型“支奴干”直升機墜入北海,造成機上近50人喪生。同時,英國在北海油井工作的直升機頻頻發(fā)生飛行事故,引發(fā)了人們對直升機飛行安全的高度關注。為此1982年英國成立了直升機適航審查專家組,揭開了HUMS研制的序幕。目前國外直升機HUMS已經發(fā)展到第三代。和第一代HUMS相比,第二代HUMS更小、更輕,可靠性更高,功能也更加強大,具有升級容易、安裝簡便、效率高等特點,可以給駕駛員提供實時信息。第三代最先進的HUMS使用工業(yè)標準的處理器和模塊化的軟件系統(tǒng)降低了成本,變成一個功能強大的綜合狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。進入21世紀后,國外的HUMS開始向綜合化方向發(fā)展,HUMS由狀態(tài)與使用監(jiān)測系統(tǒng)逐漸轉化為狀態(tài)與使用管理系統(tǒng),稱之為第四代產品。未來HUMS系統(tǒng)將朝著智能化,開放式的體系架構,可升級,通用化的方向發(fā)展。2系統(tǒng)的設計和研究2.1ms控制系統(tǒng)目前,國外主流的HUMS系統(tǒng)主要由下列幾部分構成:(1)一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);(2)一個飛行數(shù)據(jù)計算機提供基本飛行數(shù)據(jù),包括空速、氣壓、溫度和高度等;(3)一個座艙顯示器和駕駛員輸入面板;(4)一種數(shù)據(jù)記錄方式;(5)一個抗墜毀座艙音頻記錄器和飛行數(shù)據(jù)記錄器;(6)晝夜光敏旋翼軌跡儀;(7)不同的傳感器,包括安裝在重心的加速度傳感器和溫度、壓力傳感器,測量駕駛員輸入的位移傳感器等;(8)合適的接線及安裝方式。HUMS系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于:(1)具有模塊化的結構;(2)可以實現(xiàn)對旋翼、傳動機構及引擎的健康與使用監(jiān)控;(3)可以記錄飛行數(shù)據(jù)和語音,便于飛行后維護;(4)能與后勤維護系統(tǒng)交互,實現(xiàn)輔助診斷維修;(5)可以通過1553總線實現(xiàn)與其他機載設備的通信。其不足之處在于:(1)僅通過數(shù)據(jù)記錄卡和飛行數(shù)據(jù)記錄儀器/駕駛員聲音記錄器與地面后勤維修服務站進行數(shù)據(jù)的傳輸,通信能力較差,傳輸速率較慢;(2)HUMS核心處理模塊不具有可擴展性和可升級性,不能用在其他的HUMS產品中;(3)后勤維修站采用集中式的結構,一旦某個部件出現(xiàn)問題,整個系統(tǒng)將會癱瘓。本文借鑒上述國外主流HUMS系統(tǒng)的優(yōu)點,同時針對其不足之處,構建了一種通用型直升機HUMS系統(tǒng)的模塊化、開放式體系結構,該系統(tǒng)由3大部分組成:機載監(jiān)測系統(tǒng);地面監(jiān)控系統(tǒng);連接前兩個系統(tǒng)的通信系統(tǒng)。其結構如圖2所示。其中,機載監(jiān)測系統(tǒng)負責直升機飛行中相關參數(shù)的監(jiān)測,主要包括飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)(FDR)、動力、傳動系統(tǒng)以及旋翼系統(tǒng)。它們通過測量直升機的相關參數(shù),利用機載計算機處理數(shù)據(jù)、顯示結果,并將監(jiān)測信號發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)和接收地面監(jiān)控指令。機載監(jiān)測系統(tǒng)是整個直升機HUMS的核心,HUMS能否有效運行,主要取決于機載監(jiān)測系統(tǒng)能否準確監(jiān)測直升機狀態(tài)、及時識別故障。地面監(jiān)控系統(tǒng)接收直升機發(fā)送的監(jiān)測信號并作進一步處理,全面評價直升機狀態(tài)。通信系統(tǒng)負責機載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)的信息交流。2.2硬件平臺設計由于直升機型號多樣,如果沒有統(tǒng)一標準必然使得使用維護不便,成本上升,這將會與開發(fā)HUMS的初衷背道而馳。開放式系統(tǒng)可以讓不同直升機很容易交流HUMS信息,利于擴展HUMS數(shù)據(jù)庫,便于系統(tǒng)的改進和升級。RITA協(xié)會推薦的通用HUMS處理單元采用開放式接口標準。與其相一致的由RITA協(xié)會推薦的結構示于圖3。鑒于嵌入式系統(tǒng)具有良好的可擴展性、可升級性,符合開放式體系架構的要求。我們在設計通用HUMS處理單元時,選取AT91RM9200作為該處理單元硬件平臺的處理器。AT91RM9200處理器是ATMEL公司專門針對工業(yè)應用推出的一款基于ARM920T內核的嵌入式處理器。它具有工作速度快,具有5級流水線,具有完善的MMU內存管理單元;內部帶有128kBOOTROM和16kSRAM,通過總線控制器可以方便的外擴SDRAM,SRAM,NORFlash,NANDFlash等;片上外設資源豐富;內嵌Bootloader程序和其他服務軟件等特點。該處理單元的硬件平臺的結構如圖4所示。該硬件平臺以AT91RM9200處理器為核心,存儲模塊用于存儲程序和飛機的相關數(shù)據(jù),LCD液晶模塊與座艙顯示器相連,用于顯示信息,便于飛行員操作飛機,串口擴展電路用于接收傳感器數(shù)據(jù),RS-232串口用于與429模塊,1553B模塊進行通信。為了增強系統(tǒng)的通信能力,系統(tǒng)還設計有以太網(wǎng)電路和RS-485電路等。ANSIC429,1553總線轉發(fā)模塊是相對獨立的功能模塊,分別負責系統(tǒng)與機載429總線,1553B總線之間的數(shù)據(jù)通信。2.3分布式地面站結構組成與集中式系統(tǒng)相比較,分布式系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:(1)經濟性:較高的性價比;(2)性能:能產生單個大型設備不能達到的絕對性能;(3)應用的固有的分布性;(4)總的計算能力更強;(5)可擴展性強;(6)可靠性高。分布式系統(tǒng)的最大優(yōu)點是按照功能進行劃分。一個模塊完成一種特定的功能,各個功能模塊通過總線連接成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。在一個系統(tǒng)發(fā)生故障時,只需要更換壞損的模塊即可。因此,為了提高系統(tǒng)的可靠性,以及降低運行成本,我們建立了分布式的地面站。其結構組成如圖5所示。該地面站系統(tǒng)主要由地面站處理中樞、維護人員決策模塊、飛行員交互式學習軟件以及遠程領域專家決策模塊構成。其中,地面站處理中樞是分布式地面站的核心。它主要有專家系統(tǒng)服務器和設備生產廠家兩大部分組成。專家系統(tǒng)服務器用于數(shù)據(jù)和信息的綜合處理,管理數(shù)據(jù)庫,并與設備生產廠家相連,二者之間使用基于TCP/IP協(xié)議的通信方式進行信息的交互。2.3.1系統(tǒng)結構介紹該專家系統(tǒng)是基于規(guī)則的產生式系統(tǒng),在系統(tǒng)開發(fā)時,主要考慮用數(shù)據(jù)庫為載體的構造模型。本文研究開發(fā)的直升機故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是WindowsXP,建立一個基于Oracle數(shù)據(jù)庫的故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有5大部分構成:人機界面、知識庫、知識處理模塊、診斷推理模塊和設備生產廠家模塊。該專家系統(tǒng)總體結構框圖,如圖6所示。其中,推理機是整個專家系統(tǒng)的核心。它根據(jù)用戶提供的故障征兆,利用故障診斷知識庫中存貯的知識,按照一定的推理策略對用戶的故障進行推理,直到得出相應的結論。人機界面用來與維修人員、飛行員以及遠程領域專家進行交互,可以進行數(shù)據(jù)查詢與故障診斷、瀏覽飛行和維修日志、訪問數(shù)據(jù)庫等。故障診斷知識庫用來存放直升機故障診斷專家知識,是故障診斷的重要依據(jù)。知識處理模塊對故障信息進行輸入、修改、增刪、備份、查詢和打印故障信息報表。設備生產廠家與診斷推理模塊交互,獲取故障診斷信息,用于改進產品,提高產品的可靠性,同時也可以作為系統(tǒng)維護的輔助手段。2.3.2中小型飛機專業(yè)維修數(shù)據(jù)庫的建立作為輔助診斷技術,數(shù)據(jù)庫是地面站的重要組成部分。用于存儲飛機維修工程所需的飛機部件設計數(shù)據(jù)、飛行日志、部件維修履歷、與飛機維修技術資料以及數(shù)據(jù)趨勢能力以做出重要的診斷決策和維修計劃;提供專家飛機的健康模型、故障辭典、診斷知識與經驗、維修方法/方案等。數(shù)據(jù)庫的建立過程,如圖7所示。由于現(xiàn)役直升機在設計之初,并未考慮到故障預測,在某型關鍵部件僅僅依靠現(xiàn)有傳感器很難對故障數(shù)據(jù)進行有效監(jiān)測,進而實現(xiàn)預測,因此必須加裝帶有HUMS功能的傳感器來進一步完善故障診斷數(shù)據(jù)庫。3無線數(shù)據(jù)傳輸未來的戰(zhàn)爭是高技術條件下的局部戰(zhàn)爭,戰(zhàn)場形勢瞬息萬變,信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院蛯崟r性,直接關系到戰(zhàn)場的勝敗。目前主要有兩種數(shù)據(jù)傳輸方式,即有線傳輸和無線傳輸。無線傳輸相對于有線傳輸?shù)膬?yōu)點表現(xiàn)在:(1)成本廉價,無需架設電纜,只需要在每個終端連接無線數(shù)據(jù)接收器和適當高度的天線即可;(2)適應性好,幾乎不受地理環(huán)境的限制;(3)擴展性好,只需將新增設備與無限數(shù)據(jù)接收器相連接即可;(4)易于維護。只需維護數(shù)據(jù)傳輸模塊,出現(xiàn)故障時則能快速找出原因,恢復線路正常運行。鑒于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點,本文提出采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式,主要通過衛(wèi)星實現(xiàn),圖8為該通信系統(tǒng)的結構。其中,RS232-ANSIC429總線轉發(fā)器和RS232-1553總線轉發(fā)器與HUMS主處理器單元進行交互,用于數(shù)據(jù)格式的轉換,便于通信和提高傳輸速率。通信系統(tǒng)服務器是通信系統(tǒng)的核心部件,負責數(shù)據(jù)和信息的管理。衛(wèi)星通信收發(fā)器,與通信衛(wèi)星和北斗導航衛(wèi)星互聯(lián),可以實時地對直升機進行定位和收發(fā)信息,是無線通信的中轉站。機載設備上的通信服務器與地面站通過衛(wèi)星實現(xiàn)信息傳輸和通信。4開展hums關鍵技術研究直升機健康管理系統(tǒng)對確保飛機的安全飛行發(fā)揮著重要作用,其技術主要掌握在英美等發(fā)達國家。和他們相比,我國的直升