一种层级化飞机健康量化方法与流程

本发明属于航空电子，是一种针对复杂飞行器系统的健康评估方法。

背景技术：

1、健康评估作为系统健康管理的一部分，其所提供的评估结果对维护决策辅助和飞行器资源的运营调度有较为重要的支撑作用。由于飞行器的功能组成日益复杂，需要实现对多层功能结构飞行器的故障—功能影响模型，从而进行全面的飞行器健康评估，并给出面向任务的能力评估，然而类似评估技术尚未应用于国内飞行器健康管理。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供了一种对复杂飞行器系统进行综合健康评估的技术，主要用于对飞机系统进行综合健康度量，该技术可以作为综合飞行器健康管理的支撑技术。

2、本发明的技术方案是：

3、一种层级化飞机健康量化方法，包括以下步骤：

4、步骤1)基于飞机设计信息，得到飞行器的分层故障-功能逻辑

5、1.1)将飞机划分为：飞机级、系统级、分系统级和lru级共四个层级，飞机的完整功能划分体现在不同层级上；

6、1.2)建立每个层级各自功能→直接组成的映射关系，描述各层组成健康变化(尤其是bit检测到的故障/异常事件)对任务/功能相关能力的影响并实现自上而下的数据收集和层级健康评估，得到飞行器的分层故障-功能逻辑。

7、其中，每个层级各自功能的划分通过各层fmeca和安全性分析中获得。

8、其中，“直接组成”即每层的下一级组成部分，飞机级的直接组成是各个系统，系统级的直接组成是分系统，分系统级的直接组成是各个单元。

9、其中，各层的故障-功能逻辑具体表现如下：

10、飞机级：该级故障—功能逻辑建立在飞机级功能状态和飞机级下属各系统健康状态的关系上，具体映射关系表示为系统级组成部分功能失效→飞机级功能失效的影响关系；

11、其中，飞机级下属各系统包括机体结构、飞行关键系统和任务系统，

12、其中，飞机级功能包括机内环境控制、机翼作动、空中受油、飞机操纵和编队飞行，

13、其中，飞机级功能状态和飞机级下属各系统健康状态对应信息通过收集飞机的相关设计文档获得，

14、系统级：该级故障—功能逻辑建立在系统级功能状态和系统级下属各分系统健康状态的关系上，具体映射关系应表示为分系统级组成部分功能失效→系统级功能失效的影响关系；

15、其中，任务系统的下属分系统组成包括icp、网络通信、综合显控、射频、光电，

16、其中，任务系统的功能包括雷达探测、光电探测、cni、综合抗干扰、天线/射频综合、机内设备通讯、识别、航路规划与协同，

17、其中，系统级功能状态和系统级下属各分系统健康状态对应信息通过收集飞机的相应设计文档获得，

18、分系统级：该级故障—功能逻辑建立在分系统级功能和分系统下属各lru健康状态的关系上，具体映射关系表示为lru级组成部分健康异常→分系统级功能失效的影响关系；

19、其中，综合显控(icds)分系统功能失效的影响关系反映成品故障对分系统功能的影响；

20、其中，各分系统级功能和分系统下属各lru健康状态对应信息通过收集飞机的相应设计文档获得，

21、步骤2)基于故障-功能逻辑关系，构建飞机健康量化模型

22、2.1)根据由于各lru级单元故障导致的对应分系统级、系统级、飞机级组成部分相关功能的丧失情况，构建飞机健康量化模型；

23、2.2)根据该层级其他组成部分功能丧失对相应上一级组成部分相关功能的丧失情况，构建飞机健康量化模型；

24、2.3)根据需求和获取的设计类信息，进行逐级反复迭代，构建完整的飞机健康量化模型；

25、其中，飞机健康量化模型中通过逻辑门的设置，对应不同层级间或相同层级内不同组成部分的功能的丧失情况对于上一级功能的丧失情况的影响关系。

26、步骤3)基于构建的飞机健康量化模型和飞机履历数据，进行健康量化计算

27、3.1)建立通用健康评价函数

28、采用通用健康评价函数对各层级的故障模式→功能失效进行健康评价，通过被评价对象的剩余功能可用度(rfa)，根据相关不同层级的评价要求，结合分层模型生成具体通用健康评价函数。

29、首先根据图形化建模和数据解析，将所有层级的rfa转化为对故障模式→功能失效关系的处理与分析，再根据不同的对象，对功能和故障的对应关系进行细化，最终建立的通用健康评价函数表示如下：

30、

31、上式中变量说明如下：

32、hg—通用健康评价值；

33、rfai—对象所含的第i个功能的剩余功能可用度；

34、wi—第i个功能的权重；

35、n—对象所包含的功能总数。

36、3.2)依据四种不同情况计算剩余功能可用度rfai

37、rfai的确定应结合故障模式到该功能的具体逻辑关系进行限定，主要包含失效—功能独立关系、串联依赖、并联依赖和表决关系四种情况：

38、3.2.1)功能独立情况

39、若飞机健康量化模型中功能失效仅归因于一个故障模式，该种情况下，假设功能k的失效仅因为一个故障模式fk的发生而导致，该情况下相应的剩余功能可用度为：

40、rfak＝1-ck

41、上式中，ck为故障模式fk的危害度，该值越大，剩余功能可用度越小，由此综合得到的系统通用健康评价值就越低，

42、ck的具体取值根据以下两种情况得到：

43、若故障模式未发生，主要针对线下已完成维护的就绪lru/lrm，根据fmeca或fmeca得到针对不同故障模式的危害度，即ck＝λkdkβktlru/lrm，相应剩余功能可用度为rfak＝1-λkdkβktlru/lrm；其中ck为故障模式fk的危害度，λk为该故障模式的失效率，在fmeca中可以获得，dk为故障发生频数比，dk采用履历信息中的统计值和fmeca中的先验值，如果无法获得则置dk为1，βk为该故障模式的影响度，即故障发展为功能失效的能力度量，取值范围为0<βk≤1，tlru/lrm则是故障模式所属lru/lrm的运行时间，以飞行小时计,放飞前评估时通过读取飞行履历信息得到，在放飞后评估时，通过累加飞行任务时间得到，可以看出，随着tlru/lrm的增加和dk的提高，ck越大，rfak越小。

44、若bit报故，表示发生故障，通过读取飞行数据信息或履历信息，发现相应故障模式fk的bit特征量为激活状态，此时，ck置为1，相应rfak为0。

45、3.2.2)串联依赖情况

46、若飞机健康量化模型中出现“或”逻辑组合，出现串联依赖情况，在串联配置中，某个功能i的失效归因于多个故障模式的或逻辑组合，即其中任意一个故障模式k的发生均会导致功能i的失效，

47、相应的剩余功能可用度表示如下：

48、

49、其中，ck为故障模式fk的危害度，ni为功能i所对应的故障模式个数，∏()表示连续乘积；

50、3.2.3)并联依赖情况

51、若飞机健康量化模型中出现“与”逻辑组合，出现并联依赖情况，某个功能j的失效归因于多个故障模式的与逻辑组合，即通过“与”逻辑组合的所有故障模式都发生才会导致功能j的失效，相应的剩余功能可用度表示如下：

52、

53、其中，ck为故障模式fk的危害度，nj为功能j所对应的故障模式个数；

54、3.2.4)表决关系情况

55、若系统功能是通过对其多余度部件的相关输出进行表决而实现的，则出现表决关系情况，采用可靠度分析模式进行表决关系的评价；

56、3.2.4.1)当所有故障均未发生时，功能v的rfa表示为

57、

58、其中，集合{i，j，…，nf}共有n-k个元素，m为正常功能序号，n为所有功能个数，i为第1个失效的功能序号，j为第2个失效的功能序号，nf为第nf个失效的功能序号，互异表示其中任意两者互不相同；

59、3.2.4.2)当发生l个故障时，0<l<n-l，剩下的n-l个部件组成n-l取k表决形式，功能v的rfa表示为

60、

61、其中，集合{i，j，…，nf}共有n-l-k个元素。

62、3.2.4.3)当发生n-k个故障时，剩下k个部件组成串联依赖关系，功能v的rfa表示为

63、

64、3.2.4.4)当至少发生n-k+1个故障时，功能v的rfa为0。

65、3.3)飞机任务能力评价

66、根据飞机健康量化模型提供的自上而下的结构，收集故障信息或系统运行履历信息，得到由飞机各系统/分系统支撑的飞机级功能任务可用度，进行飞机任务能力评价，进而完成层级化飞机健康量化过程，任务m的功能任务可用度的表现形式为：

67、

68、其中，nm表示任务m包含的飞机级功能个数，rfai是其中一个飞机级功能i的剩余可用度，而wi则是该任务下功能i的权重，如果无法获取则置为1。

69、本发明的优点是：

70、本发明的层级化飞机健康量化方法，可以在飞机系统运行过程中，根据层级化的飞行器健康量化模型，有效地捕捉因为lru层的异常(bit数据)和运行时间导致的飞机级功能和任务能力的影响，并得到飞机健康的量化表现形式。从而有助于维护人员和飞行器调度人员进行综合把握，并将该类健康度量运用到有效的维护计划和调度安排中。