摘要
针对使用快速存储记录器(Quick access recorder,QAR)数据进行大型客机空调系统健康评估与异常检测时面临的数据不平衡与先验知识不足的问题,本文提出一种基于改进模糊C均值(Fuzzy C‑means,FCM)的大型客机空调系统退化评估算法。该算法计算故障状态与正常状态的距离,并基于大型客机空调系统的物理特性优化了FCM算法的距离函数,引入了左右空调组件的状态差作为评估标准。本算法有效地解决了现行方法存在的过拟合问题,并且对于部件的前期退化有更高的敏感性,能够有效的反映性能退化的中间过程。为航空公司安排航班计划与维修计划,降低运行成本提供了有力的技术支持。
大型客机空调系统的作用是使飞机在不同的飞行状况和外界条件下,维持驾驶舱、客舱、电子舱及货舱环境参数的稳定。良好的座舱环境不仅可以为乘客、机组人员提供舒适的工作生活条件,也能保障货物安全、设备正常运行。飞机空调系统属于多维复杂系统,故障原因多样,在故障定位、诊断和排除等工作上一直存在着诸多难
随着航电系统的发展,很多大型客机如波音787、空客A320和A350等都安装了宽带光纤网络和大量传感器、控制系统,产生了海量数据。飞行数据快速存储记录器(Quick access recorder,QAR)数据在基于大数据的飞机健康管理系统中得到了广泛的应
对于客机空调系统的健康管理方法,国内外学者和机构都进行了诸多研究,其中包括:在AIRMAN和AHM平台上的基于大数据分析的飞机监控模
而上述预测模型仍存在无法避免的问题。在构建预测模型时常将数据分为正常状态与故障状态,使用故障前的10个飞行循环作为故障状态进行学习。实际客机空调系统在维修前的衰退程度不同,超过90%的飞机进入维修流程前的状态并非性能完全失效状态。数据标注上存在的困难导致了监督学习方法面临先验知识不足的问
本文以A320大型客机空调系统为例,在现有空调健康管理方法的基础上,以FCM算
现代民航大型客机空调系统广泛使用的制冷原理为空气循环制冷,其原理为使用外界冲压空气作为冷却介质,热空气经过初级热交换器冷却后再进行压缩,再经过主级热交换器冷却。压缩空气进入涡轮进行膨胀做功,从而得到合适温度、压力的气体,其优点在于使用的冷却介质是空气,成本低易于维护。可以通过一个系统同时完成压力与温度的控制。缺点在于相较于使用蒸发制冷其精度低,依赖飞机发动机的工作才能运行。大型客机空调系统原理图如

图1 大型客机空调系统原理图
Fig.1 Principle diagram of air conditioning system for large passenger aircraft
飞机在飞行时通过发动机引气,在地面时使用地面气源车或APU引气。热空气进入空调系统先通过初级热交换器与冲压空气进行热交换;后进入ACM(Air cycle machine)中的压缩机进行压缩;再通过主级热交换器与冲压空气进行热交换;随后通过再加热器与冷凝器使气体温度在露点附近波动,使气体中的水分在通过冷凝器后凝结在水分离器的外壁上,从而得到干燥空气防止飞机部件遭到侵蚀。得到的干燥空气通过ACM中的涡轮进行膨胀做功,进一步降低温度。使用旁通活门调节一定的热空气与涡轮输出的冷空气进行混合后得到温度、压力合适的气体,输送到空调管道中。大型客机空调系统常见的故障主要有热交换器堵塞、ACM轴承磨损、ACM方形胶圈老化等。
对于大型客机空调系统数据而言,使用模糊C均值(Fuzzy C‑means, FCM)聚类可以有效避免先验知识不足的问题,且该方法在小样本条件下的航空发动机性能监测领域得到了一定程度的应
(1) |
式中:为数据集中第k条数据对第i类的隶属度,其中,模糊矩阵即为划分矩阵;为各个类别的聚类中心;m为加权指数,根据Pal
客机上装有左右两套空调组件,不仅维持了左右平衡,同时也保证了其中之一出现故障的情况下,整个系统可以继续维持驾驶舱、客舱、电子舱及货仓环境参数的稳定。因此本文引入了左右空调组件的状态差衡量样本与聚类中心之间的距离,距离公式为
(2) |
式中:表示第k条样本与聚类中心之间的距离;、表示样本第j维的左右组件数据,其中不包括旁通活门相关参数。经过修正后的同时也受空调系统的左右组件差值影响,其差值越大样本距离正常状态聚类中心的距离越远。
(1)确定聚类中心个数c,加权指数m,算法终止阈值ε,初始聚类中心
(2)根据当前的聚类中心数和聚类中心计算每一个像素点属于每一类的隶属度
(3) |
(3)根据当前的隶属度更新各聚类中心
(4) |
(4)重复步骤(2)和(3)直至。
QAR数据中包含大量未经分类的飞行器数据,从中分离出监测空调系统所需的数据是重要的一步。与空调系统相关的内容包括飞机性能参数如飞机号、记录时间、大气总温、大气静温、大气静压、马赫数、飞行高度;以及空调系统自身传感器参数如:压缩机出口温度、水分离器温度、冲压空气入口活门开度、旁通活门开度。除此之外,根据飞机空调系统原理加入空调系统上游引气系统参数:APU通气阀门状态、预冷器出口温度、预冷器入口压力、监测参数如
为了直观比较初级、主级热交换器性能变化,本文中还加入了初级热交换器效率、主级热交换器效率两个参数。通常航空公司使用的评价标准为
(5) |
(6) |
式中:为初级热交换器温度效率;为主级热交换器温度效率;为预冷器出口温度;为压缩机出口温度;为水分离器温度;为大气静温。
实验选择某飞机维修企业2019年上半年维修记录中的所有A320属于ATA章节Air‑Condition的航班QAR数据,
当飞机处于不同的工作方式时,引气气源有所不同;飞机在每一次飞行中处于不同的飞行阶段(起飞、巡航、降落)时,使用的引气气源也不同。其中在地面使用地面气源车供气或通过APU引气。该方式很大程度上绕过了客机空调系统直接为机舱提供了低压气源,因此本实验通过APU通气阀门状态以及飞行高度等参数为参考,去除了在这些气源下的空调数据,仅使用飞机巡航状态以发动机引气为气源的数据进行实验。
数据样本中不同参数之间的量纲不同,直接进行模型训练容易导致模型无法收敛。因此为了提高收敛速度以及模型精确度,通常在进行模型训练之前需对样本进行标准化处理。本实验选择对数据样本参数进行L2标准化处理。标准化公式为
(7) |
(8) |
客机空调数据中正常样本数量远远多于故障样本,而分类算法常用于训练的数据集各类样本数量大致相等的情况下。因此为了解决数据不平衡带来的少数类分类准确率较低的问题,本实验采用了smote算法对数据集进行了处理。其算法如下:
(1)对于少数类中的每一个样本,计算其以欧氏距离为标准最近的k个样本作为其k近邻;
(2)根据少数类样本所需的放大比例设置采样倍率N,对于少数类中的每一个样本,从其k近邻中随机选择N次样本;
(3)对于每一个随机选出的近邻,按照如下公式构建新样本
(9) |
旁通活门开度参数对于判断飞机空调系统的运行状态有着至关重要的作用。旁通活门的打开会提高空调系统出口温度的数值,而对于降温效率低下的空调系统,旁通活门常处于关闭状态。

图2 大型客机空调旁通活门开度数据
Fig.2 Pack bypass valve position data of large passenger aircraft

图3 大型客机空调旁通活门开度滤波后数据
Fig.3 Pack bypass valve position data of large passenger aircraft after filtering
本实验为对比改进FCM算法与其他机器学习模型的效果,验证改进FCM算法的有效性。除改进FCM模型外,还训练了使用BP神经网络算法及逻辑回归算法的模型,还训练了使用逻辑回归算法的模
实验中以故障记录中出现性能衰退前的数据及正常数据作为正常状态性能数据,以故障记录中维修前5日数据作为故障数据进行模型训练。分别使用出现性能衰减暂进入监控流程及出现性能衰减已进入维修流程的两类数据作为测试数据。
逻辑回归方法及BP神经网络方法模型训练过程中设置性能正常数据的输出为 1,性能失效数据的输出为 0。其中BP神经网络方法根据多次试验对比,选定使用2隐藏层,隐藏层神经元数量为12,8。逻辑回归方法使用Sigmod函数为逻辑回归函数。改进FCM方法设置最大聚类数量c=2,加权指数m=2,距离函数为欧式距离。
对于出现性能衰减已进入维修流程的数据而言,以飞机B‑185X的数据为例,3种方法的结果如图

图4 逻辑回归算法性能曲线
Fig.4 Results of logistic regression algorithm

图5 BP神经网络算法性能曲线
Fig.5 Results of BP neural network algorithm

图6 改进FCM算法性能曲线
Fig.6 Results of improved FCM algorithm
在基于逻辑回归算法与基于BP神经网络算法的结果中,开始的450个飞行循环显示状态正常,随后在50个飞行循环显现出幅度在0.2~0.5的较大波动,最后50个飞行循环显示处于失效状态,经过维修后性能状态指标立刻恢复到1.0附近。出现这样的波动以及突变的原因主要是数据难于标注真实的性能衰退状态值,仅标注正常与失效两种状态会导致中间状态缺失,易造成学习结果过拟合。因此监督学习在空调系统寿命预测问题上无法得到良好的效果。
在基于改进FCM算法的结果中,前450飞行循环显示性能指标在0.9左右浮动,在维修前的150个飞行循环稳步下降到0.2以下,经过维修后性能状态指标立刻恢复到在0.9左右浮动的正常状态。由于改进FCM算法方法是基于其与性能正常状态基准的距离,因此结果并不会产生前两种方法的大幅波动。
对于出现性能衰减已进入维修流程的数据而言,以飞机B‑679X为例,FCM算法与改进FCM算法结果如

图7 性能状态指标对比图
Fig.7 Performance state indicators contrast diagram
在客机健康管理平台中,飞机性能健康状况分为:正常、监控、转故障3种状态。

图8 性能状态指标评估门限
Fig.8 Performance state indicator evaluation threshold
以飞机B‑679X为例,基于改进FCM算法的性能状态指标如

图9 转入监控状态时间点对比图
Fig.9 Comparison of time points in monitoring status
(1)基于FCM算法的大型客机空调系统状态退化评估方法,能够有效地解决其他方法面临的先验知识不足及数据不平衡的问题,相较于现有其他方法有更好的实际效果,更好地反映出了飞机由性能正常到性能退化的中间过程。
(2)基于改进的FCM算法的大型客机空调系统状态退化评估结果,能够更敏感地反映出部件的前期退化。根据该算法提供的性能状态指标可制定更为精准的故障评估标准。
(3)结合基于改进的FCM算法的大型客机空调系统状态退化评估结果,可以设置合理的故障报警门限值。提早检测出故障风险,实现预测维修,为航空公司安排航班计划与维修计划,降低运行成本提供了有力的技术支持。
参考文献
WANG Miao, ZHANG Lihua, GU Qingfan, et al. Research on integration modular avionics system health management[C]//Proceedings of the 2013 Xi’an International Aviation Maintenance And Management Academic Conference. Xi’an, China: Springer, 2013: 73‑85. [百度学术]
许明轩.飞机航电系统故障分析方法与故障诊断技术研究[J].中国设备工程, 2018,34(14): 96‑97. [百度学术]
XU Mingxuan. Study on fault analysis method and fault diagnosis technology of aircraft avionics system [J]. China Equipment Engineering, 2018, 34(14):96‑97. [百度学术]
吴清太,周春俊,陈朝霞.预防性维修下主部件具有优先权的冷贮备系统的最优更换策略[J].南京航空航天大学学报, 2015, 47(1): 96‑103. [百度学术]
WU Qingtai, ZHOU Chunjun, CHEN Chaoxia. Optimal replacement strategy for cold storage system with priority for main components under preventive maintenance[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2015, 47(1): 96‑103. [百度学术]
晏震乾,黄爱军.基于ACMS报文实时监控与QAR数据分析的飞机排故应用[J].航空维修与工程, 2014, 60(1): 44‑47. [百度学术]
YAN Zhenqian, HUANG Aijun. Application of aircraft troubleshooting based on real‑time monitoring of ACMS message and QAR data analysis[J]. Aviation Maintenance and Engineering, 2014, 60(1): 44‑47. [百度学术]
张雄飞,刘宇辉,马超.QAR数据在民机维修过程中的应用与发展[J].航空维修与工程, 2019, 65(5):68‑70. [百度学术]
ZHANG Xiongfei, LIU Yuhui, MA Chao. Application and development of QAR data in civil aircraft maintenance[J]. Aviation Maintenance and Engineering, 2019, 65(5): 68‑70. [百度学术]
皮骏,高树伟,黄江博,等.基于QAR数据的涡轮叶片疲劳寿命预测[J].系统仿真学报, 2019, 31(6):1165‑1171. [百度学术]
PI Jun, Gao Shuwei, HUANG Jiangbo, et al. Prediction of turbine blade fatigue life based on QAR data [J]. Journal of System Simulation, 2019, 31(6):1165‑1171. [百度学术]
梁坤,左洪福,孙见忠,等.民机引气系统快速存取记录器数据健康监测方法[J].机械工程学报, 2015, 51(8): 191‑197. [百度学术]
LIANG Kun, ZUO Hongfu, SUN Jianzhong, et al. Data health monitoring method for rapid access recorder of air intake system of civil aircraft[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(8): 191‑197. [百度学术]
DAS S, SARKAR S, RAY A, et al. Anomaly detection in flight recorder data: A dynamic data‑driven approach[C]//Proceedings of the American Control Conference (ACC). Pisca‑taway, USA: IEEE, 2013: 2668‑2673. [百度学术]
杜林颖. 飞机热交换器性能监测与分析方法研究[D].天津:天津工业大学, 2019. [百度学术]
DU Linying. Performance monitoring and analysis of aircraft heat exchanger[D]. Tianjin:Tianjin University of Technology, 2019. [百度学术]
岳霆,李超役,吴鑫睿,等.基于逻辑回归的民机空调系统状态退化评估[J].兵器装备工程学报, 2018, 39(9): 111‑116. [百度学术]
YUE Ting, LI Chaoyi, WU Xinrui, et al. Evaluation of state degradation of air conditioning system in civil aircraft based on logistic regression[J]. Journal of Ordnance and Equipment Engineering, 2018, 39(9):111‑116. [百度学术]
耿振翔,王利辉,刘慎洋,等.基于TRNSYS的飞机空调保障装备送风特性仿真研究[J].数学的实践与认识, 2019, 49(9): 117-123. [百度学术]
GENG Zhenxiang, WANG Lihui, LIU Shenyang, et al. Simulation study on air supply characteristics of aircraft air conditioning support equipment based on TRNSYS[J]. Practice and Understanding of Mathematics, 2019, 49(9): 117-123. [百度学术]
李向阳.综合航空电子系统故障诊断与健康管理技术发展[J].电子技术与软件工程, 2016, 5(1): 131. [百度学术]
LI Xiangyang. Development of integrated avionics fault diagnosis and health management technology[J]. Electronic Technology and Software Engineering, 2016, 5(1): 131. [百度学术]
朱文博,陈绍炜,赵帅.航电系统故障预测与健康管理体系结构分析[J].电光与控制, 2018, 25(12): 59-62. [百度学术]
ZHU Wenbo, CHEN Shaowei, ZHAO Shuai. Fault prediction and health management system structure analysis of avionics system[J]. Electrooptics and Control, 2018, 25(12): 59-62. [百度学术]
黄亮,刘君强,贡英杰.基于一致性检验的航空发动机剩余寿命预测[J].系统工程与电子技术, 2018, 40(12): 2736-2742. [百度学术]
HUANG Liang, LIU Junqiang, GONG Yingjie. Residual life prediction of aero-engine based on consistency test[J]. Systems Engineering and Electronics Technology, 2018, 40(12): 2736-2742. [百度学术]
李飞,陈颖,郭阳明,等.基于多核LS-SVR的航电设备剩余寿命预测[J].西北工业大学学报, 2017, 35(4): 724-728. [百度学术]
LI Fei, CHEN Ying, GUO Yangming, et al. Residual life prediction of avionics equipment based on multi-core LS-SVR[J]. Journal of Northwest Polytechnical University, 2017, 35(4): 724-728. [百度学术]
刘占生,苏平线,姜兴渭.航天器电源模拟系统故障诊断的神经网络方法[J].哈尔滨工业大学学报,2001, 48(1): 65-67,72. [百度学术]
LIU Zhansheng, SU Pingxian, JIANG Xingwei. Neural network method for fault diagnosis of spacecraft power supply simulation system[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2001, 48(1): 65-67,72. [百度学术]
谢晓龙. 航空发动机性能评价与衰退预测方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2016. [百度学术]
XIE Xiaolong. Research on performance evaluation and recession prediction of aero-engine[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2016. [百度学术]
ABONYI J, BABUSKA R, SZEIFERT F. Modified Gath-Geva fuzzy clustering for identification of Takagi-Sugeno fuzzy models[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics), 2002, 32(5): 612-621. [百度学术]
DUNN J C. A fuzzy relative of the isodata process and its use in detecting compact well-separated clusters[J]. Journal of Cybernetics, 1973(3): 32-57. [百度学术]
BEZDEK J C. Pattern recognition with fuzzy objective function algorithms[M]. New York, USA: Plenum Press, 1981. [百度学术]
PAL N R, BEZDEK J C. On cluster validity for the fuzzy c-means model[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 1995, 3(3): 370-379. [百度学术]