基于PHM的航空发动机综合监控管理数据库的研究和实现

关键词：综合监控；飞参数据；PHM

0 引言

随着目前某型航空发动机的投入使用，针对其运行情况，特别是利用参数的监控进行发动机状态有效的监控和管理的需求尤为迫切。综合分析发动机外场使用的意见和实际情况，提出利用PHM（预测和健康管理）技术通过对发动机收集影响其性能、使用寿命健康等监控参数及故障诊断数据，建立航空发动机综合监控数据库，并利用数据库对发动机外场使用和部署情况进行状态监控和有效管理。

1 PHM 相关技术

PHM是Prognostic and Health Management的缩写，即故障预测与健康管理，是结合利用现代IT技术、AI 技术的相关理念和成果而提出的一种崭新的管理发动机运行健康状态的解决方案。PHM在信息系统中的应用使得系统能快捷、准确地确认当前需诊断设备的运行状态以及在未来一段时间内发生故障的可能性，并对使用和维修活动做出辅助决策并提供相关建议[1]。

PHM的核心思想就是对设备进行参数化建模工作，针对发动机来说建模就是通过对设备的各构成要素进行分析和归纳，建立一个完整全面的能够收集、处理以及分析数据，并且能够给出发动机运行健康状态和剩余使用寿命的系统模型。主要的数据来源是由提取的发动机运行状态数据包括但不限于与其健康状态相关的参数等，利用数据得到特征参数与系统健康状态之间的相关模型，完成航空发动机的健康状态预报和剩余寿命的预测。综合监控数据库使用的PHM系统主要是指由状态检测、健康评估和预测模块所组成的部分。

2 综合监控管理数据库系统设计

综合监控管理数据库由以下部分组成：数据录入、数据管理浏览、建立模型、故障检测、寿命管理、滑油光谱数据监控和性能衰减分析。系统主要流程图如图1所示。

3 功能模块设计

3.1 数据录入

数据录入模块是整个综合监控管理数据库的基础，系统中使用的航空发动机飞行参数数据都是通过此模块把相关信息录入并保存到数据库中，此模块填写的信息对于之后飞参数据的查询和浏览等操作是至关重要。单独的飞参数据文件由于很多限制因素无法提供足够的信息，以至于后期很难对飞参数据做到规范和有效的管理、监控甚至对某些参数进行分析；对于有些需要填写的额外信息需要提供解决方案来做到快速和正确地输入；飞参数据的格式不止一种，需要保持系统保存数据的兼容性和一致性。数据录入模块设计通过以下方式解决了数据录入出现的如上问题。

在此模块的设计中尽量使用户输入的信息量最小化，如果某些信息在飞参数据中存在，那么在录入信息的过程中系统自动地对所包含的这些信息进行解析并保存。这个操作十分必要，减少用户输入信息的数量也就客观上避免了输入信息错误的可能性；对于需要输入的信息系统对大部分提供了下拉列表的形式或单选按钮的形式，而且对于某些特殊录入信息在保存时提供了数据格式的验证以保存数据的正确输入；系统提供了对多种飞参数据的支持并且统一在保存数据的过程中对数据进行统一的格式转换。

数据录入的信息不仅要为数据进行分类，还要对录入数据进行唯一性的标识，这样对正常数据和故障数据就做到了可追溯性以便后期进行针对性的分析和诊断。飞参数据的录入时可以和发动机的履历信息和发动机周转信息进行联动，双向链式查询保证录入数据的完整性和正确性。

3.2 数据浏览管理

数据浏览管理模块对存储在数据库系统中的数据进行浏览和管理等操作，模块由界面左侧的数据分类结构树和右侧的相关信息显示/修改模块组成。左侧的树节点和数据录入的信息相关联和对应，数据的结构和分类保证的树节点的唯一性和确定性。在每个树节点上右键单击或双击可以针对相应的数据文件进行多种操作或显示信息。

数据浏览管理模块可以对保存到数据库的飞行参数数据进行如下操作。

1） 数据基本信息显示：这里面包括在数据录入模块输入和解析出的数据项。

2） 数据浏览：能够打开一个新窗口显示此数据内部的所有数据信息。

3） 数据修改：对与飞参数据相关联的录入和解析的数据项完成修改。

4） 数据删除：可以根据树节点查找出数据库中实际的飞参数据文件并删除。

5） 数据回放：可以在完成对存在飞参数据的某参数完成参数值的曲线绘制，可以选取飞参数据保存的任一参数，并可在界面绘制多条曲线完成相关参数的对比功能实现。

6） 数据导出：查找树节点在数据库对应的飞参数据文件并进行导出保存到本地。

3.3 建立模型

建立模型模块可以对PHM软件建立的故障诊断模型进行导入。在PHM软件中开展了分类、回归、时序分析、关联等数据挖掘方法研究，采用部分无故障飞参数据开展发动机基准模型的建立。目前诊断的模型的建立是在SureSense PHM软件中完成的，但在建立模型模块可以对建立模型包含的信息解析并进行读取。

故障诊断模型建立的前提先进行数据的预处理（针对航空发动机来说这里选取的是发动机的飞参数据），飞参数据的参数输入为传感器的参数，根据设定的自定义相应算法准则，将不符合要求的数据过滤掉，剩余的正常数据用来建立模型，这样能最大限度保证数据的稳定性和准确性。主要的过滤算法包括静态过滤算法和动态过滤算法。静态过滤算法包含针对数值的取值范围、噪声脏数据、数值偏差；动态过滤算法包括阈值、取值范围、噪声脏数据、偏差和均方根等。故障诊断模型创建的过程主要是获取模型数据、选择（训练数据）、校准（系统模型）和创建（在线模型）[2]。

3.4 故障诊断

故障诊断模块完成对存储在数据库系统内部的飞参数据文件进行故障诊断工作并生成故障诊断报告。故障诊断的流程主要是获取数据、预计（期望值）、检测（运行数据和期望值的偏差）、诊断（确定偏差的特征）、报警（故障被检测到）和纠正（采取必要的措施）。

获取数据阶段在数据录入模块已经完成，模块提供了详尽的查询条件可以对数据库保存的数据进行检索，在检索的结果集还可以进行二次筛选确定将要诊断的飞参数据。

预计阶段在系统的模型建立模块进行了实现，通过建立一个或多个描述系统正常运行行为的预计诊断模型。对系统每个新的载入飞参数据，都应用预计模型用来评估被测数据参数的期望值。可提供的预计算法模型：自回归、专家状态估计引擎、奇偶空间、指数加权移动平均和关系式。这个阶段其实也是不断地优化模型本身的过程，以便为后期模型的使用提供监控诊断的精确度和准确性。

检测阶段将测量值和对应的预期值进行比较，利用经过校准的故障检测模型来判断参数是否偏离，若偏离同时确定偏离的特征可提供的检测算法模型：自适应顺序概率平均、自适应顺序概率方差、高斯平均、高斯方差、阈值、范围、噪声和偏差[3]。

诊断阶段进行关联。诊断由针对系统的已知故障模型的决策模型来执行可提供的诊断算法模型，这里主要是贝叶斯网络和不明条件。

最后系统完成所选数据的故障诊断分析并生成报告，在报告中提供检测到故障的详细信息，包括故障诊断结果、剩余寿命预测和针对故障所应采取的必要措施。

3.5 数据回放

数据回放模块可以对数据库中存储的飞参数据进行数据回放，也可以读取本机的飞参数据进行回放，由于飞参数据中参数的数量较多，在数据回放模块中可以利用进行参数的模板化配置，画图的时候可以按需在界面左侧勾选常用参数，并选择参数的显示频率（一秒显示几个参数点），光标移动到曲线时显示曲线对应的参数及数值，可对曲线进行缩放操作，参数曲线的颜色、粗细和线形都可以通过界面进行快捷更改。在曲线绘制完成后也可按参数对多条参数曲线进行隐藏，绘制的曲线图片和数据也可进行导出保存到本机。

3.6 其他模块

寿命管理模块实现发动机低循环计数和大状态统计，并可以进行数据的导出操作。

滑油光谱数据监控模块具备滑油光谱数据的基础操作（增删改查和导入导出），图像（元素浓度趋势、元素浓度变化率趋势、滑油消耗量图）绘制功能，并根据预设值绘制图像警戒线，实现滑油光谱数据监控管理。

性能衰减分析模块对单台发动机的稳态数据进行计算分析，进行发动机的性能衰减研究，分别对节流状态、中间及以上状态参数和起飞状态的排气温度进行性能衰减分析。

4 系统实现

航空发动机综合监控管理数据库基于PHM软件建模分析并按照C/S架构进行设计。整个数据库系统采用Java SWT技术开发，后台数据库采用的是Oracle 数据库和SQLite数据相结合的方式。由于考虑到实际软件的使用场景，采用基于B/S架构设计在某些特殊的限制很难进行实现和部署，又因为此软件的安装终端的数量不会很多，基于此原因选择了使用C/S的架构。

系统界面部分采用了SWT界面开发技术，这种利用Java语言构建的客户端开发技术由于其可视化页面拖拽功能可以帮助开发人员方便地完成系统界面的快捷高效搭建，使程序设计人员把关注点集中在业务的实现上，而不是烦琐地设计页面元素。另一层原因则是系统需要使用调用集成的PHM建模软件的二次开发接口，而这个接口则是以jar包的形式提供的API，所以利用SWT这种利用Java语言构建的技术也可以更加方便地完成程序的调用和集成。

中间件部分利用Apache Tomcat部署相应的数据操作服务接口，使得客户端应用和数据库服务器的充分解耦。而在需要和SQLite数据交互的时候，则是在客户端中直接利用 SQLite JDBC API进行数据库的本机直接访问和操作，这种方式只是部署在不能联网的环境下，客户端和数据库耦合度较高，但是其相比较于利用中间件的分布式访问数据库的方式性能较高，部署便捷。

数据库部分针对某些不能联网的环境也采用了SQLite数据库的单机环境版本以做到使用场景的全覆盖。正常使用的场景连接Oracle数据库服务器实现的数据的存储和查询功能等。系统主界面如图2所示。故障检测界面如图3所示。

5 结束语

综合监控数据库主要通过收集影响发动机性能的监控参数、滑油光谱分析数据以及故障数据，建立相应的故障诊断模型，以实现对发动机外场使用状态进行有效监控；收集整机数据进行雨流统计、提取载荷数据，建立载荷数据库，为寿命分析提供依据，根据零部件的使用时间和使用寿命要求对发动机进行寿命管理。建立航空发动机综合监控管理数据库可以将大量的飞行参数数据集中有效地进行管理，从而实现对飞参数据的快速查询和有效的诊断分析。为提高外场发动机故障处理效率、预防重大故障发生、确保发动机使用安全起到了其应有的作用。