摘要：故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（PrognosticsandHealthManagement,PHM）是提高系統(tǒng)性能與完好率，減少維修人力與保障費用的關(guān)鍵技術(shù)。一個典型的PHM系統(tǒng)主要功能有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、故障診斷功能、健康評估功能、壽命預(yù)測功能和維修決策功能。對數(shù)據(jù)的正確處理直接影響到故障診斷、健康評估和壽命預(yù)測，所以選擇正確的算法對整個系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本文從提高故障診斷準(zhǔn)確率和可靠性的目標(biāo)出發(fā)，對飛機故障的各種檢測和診斷方法進行了系統(tǒng)性的研究，并討論了信息融合技術(shù)、小波變換和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：PHM；信息融合；小波變換；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

1引言

隨著航空系統(tǒng)復(fù)雜性和綜合化水平的日益提高和基于飛機系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟性的考慮，以檢測技術(shù)為核心的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（PHM）技術(shù)所起的作用不可或缺，是航空技術(shù)發(fā)展趨勢之一，PHM技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以系統(tǒng)級集成應(yīng)用為牽引，開展?fàn)顟B(tài)檢測、故障診斷、預(yù)測、健康管理與維護等功能為一體，在準(zhǔn)確的時間對準(zhǔn)確的部位采取正確的維修活動，并使得系統(tǒng)在尚未完全故障之前人們就能依據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前健康狀況決定何時維修，從而實現(xiàn)自助式保障，降低使用和保障費用的目標(biāo)。即數(shù)據(jù)處理算法的研究是故障檢測技術(shù)的核心并決定了檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

2.國內(nèi)外發(fā)展情況

航空故障診斷技術(shù)起于20世紀(jì)60年代末，到90年代后隨著人工智能和數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究與應(yīng)用的深入，國外正朝著基于數(shù)據(jù)融合聯(lián)機診斷功能的綜合信息系統(tǒng)方向發(fā)展。故障診斷算法可分為基于數(shù)學(xué)模型的診斷算法和分類診斷法兩大類。數(shù)學(xué)模型診斷方法應(yīng)用的關(guān)鍵時建立比較精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型和故障方程及其求解。近二十年，美在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用做了大量的研究工作，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與D-S證據(jù)理論相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合算法。應(yīng)用信號特征譜提取技術(shù)、模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的多項人工智能技術(shù)。國內(nèi)對多傳感器數(shù)據(jù)融合的研究起步相對較晚，20世紀(jì)末才逐漸被重視起來，多數(shù)研究是基于各種類型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障進行診斷算法研究，目前國內(nèi)開展了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究，與國外故障診斷技術(shù)相比還處于起步階段。

3.故障診斷的基本原理和分類

例如飛機的發(fā)動機，一般有壓氣機、燃燒室、渦輪等主要部件組成，每個部件又有若干個零件及構(gòu)件構(gòu)成，從系統(tǒng)論的觀點出發(fā)，若把發(fā)動機視為系統(tǒng)，則系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件或狀態(tài)，統(tǒng)稱為故障。如果把發(fā)動機故障（原因）引起的發(fā)動機性能衰退（結(jié)果）的實際因果過程看作是正過程，那么故障診斷過程就是有可測參數(shù)的變化（性能退化）來找出故障原因（確定故障部位）的逆過程。

一般可視為分類診斷法和故障方程法兩類：非數(shù)學(xué)模型的分類診斷法，它的理論基礎(chǔ)是模式識別理論，其被診斷對象（系統(tǒng)）可能發(fā)生的故障狀態(tài)是有限的。常見的分類方法有：模式匹配法、判別函數(shù)分類法、基于概率統(tǒng)計的分類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法和基于規(guī)則推理的分類法等?；跀?shù)學(xué)模型的故障方程法必須建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，其故障模型的建模精度與故障診斷的準(zhǔn)確度關(guān)系極大，外界的干擾對求解結(jié)果的影響也相對較大。

4.算法的研究

3.1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)

由于飛機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模型的嚴(yán)重非線性，測量綜合誤差對故障檢測的干擾影響的原因，造成了飛機故障診斷的復(fù)雜與困難?；谝陨锨闆r采用信息融合技術(shù)來診斷故障。例如將測量點電壓、溫度、能量數(shù)據(jù)通過權(quán)重/表決、貝葉斯推理、卡爾曼濾波等過程進行恰當(dāng)?shù)娜诤希岣邤?shù)據(jù)來源的置信度。信息融合技術(shù)示意如圖1：

圖1信息融合技術(shù)示意圖

基于D-S證據(jù)理論的信息融合故障診斷方法研究能有效地提高融合診斷準(zhǔn)確率。應(yīng)用多種改進BP網(wǎng)絡(luò)、徑向基網(wǎng)絡(luò)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SOFM自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)、Elman回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論，在不同規(guī)格化方式和噪聲干擾條件下的研究，得出以等方差標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格化方式為最佳，以概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力最強、故障診斷準(zhǔn)確率最高。

3.2小波變換

對于含有大量時變與奇異成分的故障信號，適于平穩(wěn)信號分析的傳統(tǒng)分析方法Fourier變換等將會產(chǎn)生較大的誤差，不利于故障信號特征的提取。而小波變換作為傅里葉變換方法的發(fā)展與延拓具有良好的時頻特性，基于小波脊線的漸進信號瞬時頻率提取算法能有效地提取頻率隨時間連續(xù)變換信號的故障特征；有時故障信號與正常信號在時頻域上的表現(xiàn)非常接近，傳統(tǒng)的方法不能準(zhǔn)確提取，而基于小波變換的負荷波動判定方法能明顯的區(qū)分出故障信號與正常信號，進而提高了故障診斷的可靠性；對于測試中的高頻噪音，提出了基于小波包變換的浮動閾值算法，能有效地去除噪音同時還保留了信號的有用高頻部分。例如利用小波包對起動電樞電流信號的處理如下圖所示：

圖2原始信號部分放大波形

圖3傅式變換后信號放大情況

圖4浮動閾值濾波后的信號放大情況

根據(jù)圖3和圖4可以看出基于小波包變換的浮動閾值更能有效地去除于原信號相似的噪聲，這對信號的處理時極其重要的。

3.3貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)較易對現(xiàn)實世界上許多可認知的行為建模，但是它最重要的強項在于關(guān)于行為、解釋以及參數(shù)選擇方面的推理計算，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有堅實的概率推理基礎(chǔ)，同時能表達的條件獨立性能有力表達設(shè)備故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；貝葉斯能利用一些故障征兆快速計算故障原因概率信息的過程，對已有的信息要求低，可在信息不完全、不確定情況下的推理；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有很強的學(xué)習(xí)能力，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)在實際中可以根據(jù)新的樣本重新學(xué)習(xí)，以提高其故障診斷能力和準(zhǔn)確性。在實際過程中，由于難以預(yù)料的外界因素導(dǎo)致某些測點可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或無法讀出，即獲得數(shù)據(jù)信息不完備，從文獻中可知，由不完備數(shù)據(jù)訓(xùn)練獲得的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)仍能維持較好的故障診斷率（80%），即使部分測點數(shù)據(jù)丟失也可以判斷故障模塊，這驗證了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能有效處理不確定、不完備信息，并能得出正確的結(jié)論，這正是其他方法所不能比擬的優(yōu)越性。若網(wǎng)絡(luò)不合理還可以通過結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)獲得合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有適時改變的特點。

4.結(jié)論

本文針對飛機數(shù)據(jù)的復(fù)雜性采取不同的數(shù)據(jù)處理算法，D-S證據(jù)理論的信息融合故障診斷方法利用多傳感器信息融合與處理相應(yīng)各類故障特征的選擇與提取技術(shù)，利用各自不同的理論方法對不同的故障數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的故障特征提取、有效識別和隔離的診斷方法的研究。小波包變換的浮動閾值算法能有效處理高頻噪聲；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對新的數(shù)據(jù)樣本有很強的學(xué)習(xí)能力，能有效提高其故障診斷能力和準(zhǔn)確性。