某型飛機發動機地面專家診斷系統的研究

楊建勇,李子昂

（洪都航空工業集團，南昌 330024）

1 系統總體設計

1.1 系統功能設計

1）數據管理功能。數據管理分為用戶和專家管理兩類：用戶主要完成歷史故障庫和數據庫、發動機履歷本的節流特性數據及電子調節器調節值、發動機原始參數 （即裝上飛機第一次地面試車數據）、最后一次大修后的總工作時間、發動機序列號及飛機編號、發動機日常維護情況的瀏覽、編輯、刪除、添加、打印等操作。專家根據需要修改知識庫并追加知識，對知識庫的一致性、完整性、正確性以及由此引起的一切必要的改動進行修改完善。

2）故障診斷功能。系統能夠根據知識庫的知識通過推理模塊功能完成發動機的故障分析和推理，并找到發生故障的元部件及故障原因，便于維護人員的理解、接收和處理。

3）用戶權限管理功能。系統可以設置用戶級別，對使用用戶的權限進行管理。

1.2 系統結構設計

根據系統功能要求及各功能之間的關系，本系統主要包括知識處理模塊、推理模塊、數據處理模塊、圖形處理模塊及系統幫助模塊。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

知識處理模塊的作用是專家針對知識庫進行維護完善，保證知識的一致性、完整性、正確性。推理模塊的作用是利用知識庫已有的知識，按照一定的推理策略和邏輯關系，完成故障的診斷，并控制和協調系統的各個模塊使之能夠很好地協同工作。數據處理模塊的作用是從機載記錄的數據通過參數極值和數學算法剔除記錄中的無效數據；同時，能將通過推理模塊處理的數據以表格和報表形式輸出。圖形處理模塊的作用是根據用戶選擇相應的一組參數繪制出隨時間變化的曲線（含診斷報文）。

2 知識庫和知識表示

2.1 知識庫

專家系統是人工智能技術的一個重要組成部分。它將人類專家的知識、經驗輸入到計算機中，使計算機能夠以“思維”、“推理”的方式利用這些知識、經驗，解決特定的問題。發動機地面專家診斷系統的知識包括維護一線專家的經驗知識、發動機維護規程和航空發動機的結構原理性知識。通過對某型飛機發動機結構、功能和結構機理的分析，得到該型發動機故障分析樹如圖2所示。

圖2 某航空發動機故障分析示意圖

為了將知識表達清晰，采用了基于故障分析樹的知識點分類方法。故障分析樹第二層的每一個節點都是知識點，都含有一定數量的分支節點，每個分支節點都有不同的知識表示，各分支節點相對獨立。本文將第二層不同的節點形成不同的知識表，有助于減少診斷推理過程中的搜索量，有效提高故障診斷效率，并有利于知識庫的維護完善。該型發動機故障分析可歸納為八個知識點，即起動過程、慢車狀態、最大巡航狀態、額定狀態、最大狀態、加減速狀態、停車過程、滑油系統。每個知識表都有其固有的特性，不同的故障知識點用不同的知識表來存儲，共同構成整個專家系統知識庫。

2.2 知識表示

知識表示是建造專家系統的一個重要環節，知識表示方法的好壞直接影響系統的推理效率，知識庫的模型不僅要符合專家診斷系統推理的思維，同時又要具備不斷自我擴充的能力。因此，知識表示方法要具有可擴充性、簡潔性和清晰性。

發動機的故障模式復雜，診斷過程也不盡相同，有的故障只憑經驗簡單判斷就可得出結論，有的故障則需對系統工作過程進行詳細的剖析并經過復雜推理及排除各因素后方可判斷。故障診斷只需分析到外場可更換單元（LRU）。在系統實現過程中，除了系統操作界面突出人性化外，知識庫中的表示結構也要符合人的故障分析思維。下面以起動過程知識表為例說明：

起動準備階段：

判斷：燃油切斷閥已打開；燃油增壓泵工作；發電機負載未接通；環控引氣斷開。若其中一項不滿足，則報出“不能保證起動”，同時報出哪一項不滿足要求。

起動過程中：

判斷：

1）起動時間：在標準大氣條件，起動時間不超過40秒；非標準大氣條件，起動時間不超過60秒。若不滿足，則報出“起動時間長”。

2）N2開始上升：從“空氣渦輪起動機活門打開”信號開始，t≤5秒，N2轉速上升。若不滿足，則報出“N2開始上升時間晚”。

3）N1開始上升：當N2≤20%時，出現N1轉速。若不滿足，則報出“N1開始上升時間晚”。

第三，關鍵詞共現圖譜表明，政府機構改革研究成果關鍵詞結構較為松散，網絡密度不高。存在部分研究者未真正理解關鍵詞的標識內涵，以致出現專業標識性不強的高頻關鍵詞，另有些學者在參考文獻信息標注不規范導致數據信息不完整，因此建議作者在發表和宣傳成果時還得重視文獻規范。

4）空氣渦輪起動機活門關閉：當49.5%≤N2≤50.2%范圍內，空氣渦輪起動機活門關閉。若不滿足，則報出“ATS關閉早”或“ATS關閉晚”。

5）T4出現時間：從“空氣渦輪起動機活門打開”信號開始，t≤30秒，T4上升。若不滿足，則報出“T4開始上升時間晚”。

6）滑油壓力開始上升：當N2≤45%時，出現滑油壓力。若不滿足，則報出“Poil上升緩慢”。

7）T4超過最大值：T4＞660℃，則報出“T4超過最大值”。

8）T4超過極限值：T4＞700℃或“起動時 T4極限值”信號，則報出“T4超過極限值”。

9）起動不成功：當出現 “起動時終止供工作燃油”和“終止起動”信號，則報出“起動不成功”。

10）出現“ATS應急節流門關閉”信號，則報出“ATS應急節流門關閉”。

11）出現“ATS極限轉速”信號，則報出“ATS極限轉速”。

13）出現“燃燒室未點火”信號，則報出“燃燒室未點火”。

14）在起動過程中未形成任何診斷報文和信息報文，則報出“發動機起動參數正?！?。

統計發動機起動參數及診斷報文：

…批…架某型飛機配裝的No…….動力裝置的發動機起動參數（表1）：

表1 飛機發電機起動參數

3 結論

1）本文提出的專家知識庫結構可有效地描述知識模型，使得知識庫結構簡單直觀、方便可靠、提高了故障診斷的效率。

2）本系統按照知識點分類的方法進行專家知識庫的分類管理和維護，有助于知識庫中知識的擴充和完善。

3）本系統有助于機務人員對發動機的健康狀況更加深入了解，支持發動機管理和后勤的決策，確保飛行安全。

[1]Nail.某發動機技術狀態地面自動監控控制率.2007.

[2]陳志英.航空發動機機務維護專家系統的研究與故障診斷.2008.

[3]吳今培.智能故障診斷與專家系統.2001.