聯合攻擊戰鬥機F-35的PHM技術

1.引言

F-35聯合攻擊戰鬥機（JSF）是美國洛克希德?馬丁公司研製的新一代先進戰術攻擊戰鬥機，具有隱身、高機動性、高生存性和低成本的特點。它是由美國聯合英國、義大利等其他8個國家共同投資1萬億美元研製、生產和保持40年的重大項目。JSF項目是由「通用低成本輕型戰鬥機」（CALF）計劃和「聯合先進攻擊技術」（JAST）計劃演變而來的。1994年秋，在美國國會的壓力下兩個計劃合并，保留JAST的名稱，1995年年底重新命名為JSF計劃，目的是為美國空軍、海軍、海軍陸戰隊及其盟國研製下一代多用途戰鬥機。

JSF項目的指導思想是強調經濟可承受性，即性能與費用的平衡。戰鬥機的性能由三大要素構成，即殺傷力、生存性和保障性/可部署性。在費用方面，確定了各種機型的單機出廠費用目標，並將研製與試驗費用、生產費用和使用與保障費用佔全壽命費用的比例控制在5%、40%和55%。

JSF項目在採辦之初就確立了基於經濟可承受性的後勤保障總目標：建立一個聯合保障與國際合作的採辦項目模型，研製和生產一種能有效地和經濟可承受地應對現有和未來威脅的下一代攻擊戰鬥機，並實現全球保障。具體構想是：（1）JSF應能在世界任何作戰區域自行部署，其後勤規模僅包括將要發射的武器、飛行所需的燃料和初次激烈戰鬥所需的人員；（2）採用信息技術革新和綜合後勤保障方案，結合非凡的可靠性與健壯的故障預測與健康管理（PHM）系統，促進視情保障及維修方案的實施；（3）將開放系統方法作為基本設計的一部分，以在整個壽命周期內提供持續利用新興技術的能力。

為實現上述後勤保障目標，JSF項目之初就確定，必須改變傳統的保障系統模式，建立自主式後勤維護系統，以期使JSF未來的使用與保障費用比過去的機種減少近50%。

2.自主後勤維護

自主後勤（Autonomic Logistics, AL）系統是一種革命性的新概念，使得飛機在壽命周期內更好地被使用，相比於以往的飛機系統支出更低成本。支撐自主後勤系統概念的基礎就是高級診斷、預測和健康管理系統（Advanced Diagnostic, Prognostics, and Health Management System）。

聯合戰鬥機F-35 PHM系統結構示意圖如圖1所示。AL系統就是一系列組合支撐單元構成一個系統的過程，確保以較低的成本滿足JSF武器系統的作戰飛行架次和任務數量。AL是一種自動的後勤保障環境，在整體後勤保障環節中僅需少量的人員介入，包括維護調度、飛行調度和備件訂貨。支撐AL系統的基礎就是高級預診斷、預測和健康管理系統（簡稱為PHM系統），PHM系統提供自主後勤中各類事件所需要的數據、信息和知識。

圖1聯合戰鬥機F-35 PHM系統結構示意圖

AL系統基於以下5個核心概念：

（1）智能和可靠的飛機（Smart and Reliable Aircraft）：飛機具有良好的可靠性、可維護性，隨飛機設計同步的PHM系統確保整個AL系統概念。

（2）技術保障和支撐維護（Technology Enabled and Supported Maintainer）：具備先進技術的維修設備、資源，確保包括訓練、信息、工具、儀器設備的維修活動整體化。

（3）集成訓練環境（Integrated Training Environment）：採用最新技術和研究成果，訓練環境對於飛行任務和維護提供ー種全面而綜合的、系統的、不受限制的能力。

（4）智能信息系統（Intelligent Information System）：信息系統結構實現飛行器、飛機支撐系統、輔助支撐系統等交互，提供有效的JSF信息入口，構成維護和操作的智能系統。

（5）後勤基礎設施（Logistics Infrastructure）：充分支特JSF武器系統，確保任務完成並控制成本。

3.JSF PHM技術

隨著自主後勤保障的提出，PHM技術應運而生。採用PHM技術後，打破傳統基於系統、子系統、部件高可靠性的保障要求，通過高級診斷和預測技術，關聯與維護、維修有關的信息，實現壽命累計和預計，對飛機實現以信息為依據的維護和維修。

JSF的PHM技術，實現快速成熟、持續提高以及完全的集成，確保關鍵的性能特點以提昇平台的可用性，降低操作成本，與外部支撐系統和處理協同，持續提升操作支撐。PHM技術是實現F-35支撐性（Supportability）和經濟承受力（Affordability）的支柱。

JSF的PHM系統是一個高集成度、綜合化的系統，包含機載和地面的故障診斷和預測功能。PHM系統的功能包括故障檢測（Fault Detection, FD）、故障隔離（Fault Isolation, FI）、高級診斷（Enhanced Diagnostics）和性能監測（Performance Monitoring），同時具有預測關鍵部件剩餘壽命的能力。PHM系統是一個層次化分布式的數據搜集、信息管理單元，包含機載（On-board）和地面（Off-board）兩部分，以最大化傳統故障檢測和隔離率。增加飛行員了解系統剩餘能力以提高任務完成率，同時，觸發自主後勤保障過程，實現智能的維護和維修。

JSF PHM框架結構如圖2所示。整體的JSF的PHM框架結構分為機載（空中）和基於地面的系統兩大部分，兩個部分之間依託多層次的功能、信息介面實現互聯。識別飛機作為健康狀態數據的確定性來源，地面系統作為數據管理和維護來源，整體的框架支撐提供了服務於F-35機群的信息以及服務。

圖2 JSF PHM框架結構

整個PHM系統結構實現了頂層飛機區域管理器（Air Vehicle Area Manager, AVAM）、多個系統區域管理器（飛行器系統，任務系統、機身和推進系統）、相應的底層子系統或部件管理器的結合，實現感測器、性能和健康數據的採集和處理。圖3為JSF機載PHM系統的頂層結構。

圖3 F-35機載PHM系統的頂層結構

通過區域管理器（AM），實現充分的數據處理，提高故障檢測和隔離的準確率，降低虛警。區域管理器有效利用了系統或部件間的相關性，以最大化PHM能力。機載PHM系統需要平衡實時數據處理需求、重要度、技術可實現性、複雜度、存儲空間等多種因素。AM採用高級推理技術和數據融合技術，並結合系統結構和設計知識，包括故障和退化模式等。AM監測功能狀態、性能、退化和故障狀態、維護和服務需求、剩餘壽命估計等。AM記錄各項與PHM事件相關的飛行條件和參數等。

AVAM具有多種基本功能，包括最高級的機載PHM集成，報告飛機飛行過程中的健康狀態，並通過高層次的處理和相關技術，集成任務系統區域管理器（MSAM）、飛行器區域管理器（VSAM）、推進器區域管理器（PHAM）和機身區域管理器（AFAM）的信息，AVAM管理機載和地面系統的數據介面，基於數據重要性、不確定性等級和工作工況，提供飛行過程中故障報告的過濾和閾值判斷。地面報告允許高效的維修計劃、服務狀態和配置需求等規劃。

各個系統區域管理器是飛機PHM層管理器和子系統嵌人式處理和部件感測器信息的介面，這些層管理提供系統協作、感測器數據和信息處理、數據存儲、健康狀態和重要性過濾等功能，感測器信息包括原始信息和處理後的信號數據、性能數據和系統/子系統測試結果等。

外場可更換部件（Line Replacable Components, LRC）和部件層採集和報告感測器、性能數據，如果可能，也可更換部件性能或健康狀態。一般來講，帶有處理器和控制器的子系統和部件具備嵌人式PHM的能力，以提供總體的診斷能力。

相對應的，依託地面PHM系統（Off-board PHM, OBPHM）的功能和處理能力，構建平衡的、閉環的JSF PHM系統。地面PHM系統主要功能包括通過高級診斷處理進行故障隔離的確認、故障預測評價、健康管理、故障虛警排除等。OBPHM採用智能幫助環境，提供高級數據挖掘和健康管理技術、智能故障預測和診斷演算法、子系統診斷模型構成知識工程處理和數據文件支撐，以實現靈活的配置。

JSF地面PHM系統的一般工作流程如圖4所示。

圖4 JSF地面PHM系統的一般工作流程

同時，開放式結構允許飛行器系統更新PHM信息、知識和演算法等。快速和靈活的更新和升級能力是一大特點，軟體的更新對於關鍵操作環境和平台將不會帶來影響。

JSF PHM系統的工作流程如圖5所示。PHM包含一系列方法，以用於評估系統、子系統和單元部件的健康狀態，自製造過程開始，貫穿於各個層次和系統組成的操作、支撐和訓練中。PHM體現和依託的是高度發展的計算智能和人工智慧技術，包含使計算機在一些方面能模擬智能的演算法，比如語音識別、演繹、推理、創造性反應，通過過去的經驗來學習的能力。基於規則的推理器、基於模型的推理器、基於事實的推理器、神經網路、模糊邏輯和遺傳演算法都是智能計算的典型選擇。PHM推理器或者基於人工智慧的方法不同於傳統的基於感測器或者內置檢測診斷，基於感測器的方法是通過傳遞感測器的數據到那些已經建立和訓練用於辨識飛機及其部件的健康狀態和故障形式的智能推理器來檢測故障的。PHM系統綜合應用基於模型和基於數據驅動的多種演算法，比如神經網路和模糊邏輯，來模擬物理系統健康的和不健康的運行狀態。而感測器的作用在於使用普通使能系統感測器來診斷，例如，大氣數據系統和慣性測量單元。專業化的診斷感測器只是在有必要時才添加，以補充數據集。PHM系統的預測能力是另一個有別於以前診斷的特點。對智能診斷系統的研究已經表明對定義相關的機械的各種變數在相互關係或者等級上的微小改變，都可以用於可靠預測未來可能的故障。

圖5 JSF PHM工作流程圖

在安全性、可靠性、可維修性和負擔能力之間的折中主要是靠數據來決定的，而不是估計假設。因此，JSF的狀態監測、在線測試等對PHM系統的開發至關重要。各類集成的模型綜合運用貫穿於JSF從概念論證階段、設計和模擬階段、工程製造開發階段和實際裝備使用階段等全壽命周期的收集數據進行訓練和不斷完善。不同階段所反饋的故障以及不斷對於JSF壽命特性認知的補充數據為PHM模型和決策的優化提供持續的支撐。當大量飛機的健康和故障模式數據不斷積累，人工智慧系統將會被訓練從而更加準確地預測和管理飛機的健康狀態。

4.小結

本文首先對聯合攻擊戰鬥機JSF項目的基本情況進行了簡要的介紹，然後分析了F-35戰鬥機的自主後勤維護系統，最後從PHM框架結構、機載PHM系統、地面PHM系統和PHM系統工作流程這四個角度對F-35戰鬥機的PHM技術進行了梳理和總結。

參考文獻

[1]彭喜元,彭宇,劉大同.數據驅動的故障預測[M].哈爾濱工業大學出版社. 2015.

[2]張寶珍,李想,韓峰岩.國外新一代戰鬥機綜合保障工程實踐[M].航空工業出版社. 2014.

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