調研論述了大數據時代背景下，國內外制造商和航空公司健康管理技術的演化歷程，并對民機健康管理技術進行展望，在分析民航業(yè)數據基礎上，提出了面向民機健康管理應用的大數據平臺架構與規(guī)劃，闡述了民機健康管理服務模式和生態(tài)鏈。
自上世紀90年代國際領先的民用飛機制造商引入飛機健康管理的概念和技術以來，經過了20多年的發(fā)展，目前已建立起基于空地雙向數據通信系統(tǒng)的實時監(jiān)控與健康管理系統(tǒng)，可實時收集飛機的狀態(tài)信息，及時獲取飛機的健康狀態(tài)，并對飛機全壽命周期內的健康狀態(tài)進行有效管理。目前，預測與健康管理技術（PHM）在美國、歐洲的主要航空發(fā)達國家的工業(yè)界和研究機構得到了充分的認可和推廣應用，并且朝著更加綜合化、標準化和智能化的方向發(fā)展。健康管理演化至今，從2010年以后，特別是工業(yè)4.0等概念提出以來，正在從以組件/機器為中心，轉向以客戶為中心的健康管理，其核心是預測分析，其中大數據分析與應用、基于人工智能與云計算的健康管理將發(fā)揮重要作用。大數據時代下，提高健康管理技術研究和服務水平，可以更好地為我國大型客機提供全球化服務和全壽命周期服務解決方案，從而達到高度數字化、網絡化、集成化、實時化和智能化的運營支持服務的目標。
隨著新一代數據采集與傳輸設備在民機上應用，機載系統(tǒng)及發(fā)動機的監(jiān)控能力不斷提升，空客A350飛機監(jiān)控參數達到40萬個，波音787飛機的監(jiān)控參數達到15萬個，航空公司運營維護歷史數據日益增長，國內三大航的年運行數據累計達數十TB，這些海量數據將進一步改變飛機的維護方式，提升飛機的運營表現。大數據時代下，在航空維修領域中會有越來越多的數據收集和分析工具加入到航空公司運營管理中，為維修保障人員及時確定故障原因和維修措施、合理安排維護時間提供技術支持，從而實現預測性維修，提高飛機簽派率，降低維護成本。
大數據背景下民機健康管理技術的演化
波音公司：從AHM到BGS
在20世紀80年代，波音757飛機出現之前，系統(tǒng)的故障多是在飛機著陸之后發(fā)現并進行診斷的。波音757/767中引入了發(fā)動機指示和機組告警系統(tǒng)，在飛行過程中可以記錄3000個參數，向飛行員報告一些系統(tǒng)的故障信息，但是無法自動通知地面的維修人員。波音747-400引入了中央維修計算機，可將飛行過程中的各種維修信息傳遞給地面的維修和工程人員，以快速地查找故障原因，一旦飛機落地，便可進行修理。到2004年，波音777-300ER引入健康管理系統(tǒng)（HMS），每架飛機可以處理10萬個機載系統(tǒng)性能參數。到2011年波音787投入運營時，健康管理系統(tǒng)監(jiān)測的參數大約又增加了50%。
波音的飛機健康管理體系架構基于“機載中央維護系統(tǒng)OMS+空地數據鏈+地面軟件平臺AHM”，如圖1所示。中央維護計算機及飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)負責收集各系統(tǒng)狀態(tài)數據，進行機載必要的信息判斷和處理，下傳工作由飛機的ACARS數據鏈完成，并通過MyBoeingFleet網站實時向客戶指定的地點發(fā)送報警或者通知地面維護人員，在飛機降落前準備好零備件和資料，同時還可幫助航空公司識別一些重復出現的故障和性能趨勢，支持機隊長期可靠性計劃的實現。這套體系覆蓋范圍很廣，可以實現空地一體化的管理，提高飛行安全和航班運營效率。AHM支持機型眾多，目前主要有波音737NG、波音747、波音757、波音767、波音777、波音787等。
波音每年會根據用戶需求持續(xù)升級完善，及時發(fā)布新版本，確保AHM系統(tǒng)的生命力和競爭力，也為航空公司帶來持續(xù)的使用價值。波音的AHM系統(tǒng)，為全球42%以上的波音777飛機和28%以上的波音747-400飛機提供實時監(jiān)控和決策支持服務，并以AHM服務為重要組成部分推出了Gold Care服務包，提高飛行安全和航班運營效率。據波音的初步估計，通過使用AHM可使航空公司節(jié)省約25%的因航班延誤和取消而導致的費用。
2016年波音宣布成立波音全球服務集團（BGS），業(yè)務主要集中在供應鏈、工程/改裝和維修、數字航空與分析、培訓和專業(yè)服務等4個領域。在2017年巴黎航展上，波音啟動了名為AnalytX的數據分析服務，將分散在公司各個業(yè)務領域的800余名數據分析專家集中在一起，利用科學的程序和方法，將數據轉化為可執(zhí)行的見解和客戶解決方案，并與多個客戶簽訂了涉及機隊健康管理、機隊油耗分析、疲勞風險管理等領域的數據分析協議。
波音作為整機制造業(yè)巨頭，立足制造優(yōu)勢，抓住數據先機，上世紀90年代開始布局數字化應用，與大學合作組建航空數據分析實驗室開展大數據應用研究，從行業(yè)應用軟件AHM到AnalytX更是積累了眾多客戶資源和基礎，諸多條件皆具備的情況下，相信波音會一直走在數據互聯應用隊伍的前列。
空客公司：從AIRMAN到Skywise
空客飛機健康管理體系與波音類似，主要架構基于“機載中央維護系統(tǒng)OMS+空地數據鏈+地面軟件平臺AIRMAN”，如圖2所示。各機載系統(tǒng)的數據引入機載維護系統(tǒng)中，經過機載維護系統(tǒng)各模塊處理和計算得出故障維護信息，經ACARS空地數據鏈實時下傳，由地面操作和服務中心獲得信息。AIRMAN開發(fā)的初衷是為了彌補機載中央維護系統(tǒng)的不足，消除各機載子系統(tǒng)BITE大量的虛警。AIRMAN通過監(jiān)測飛機系統(tǒng)在飛行途中的狀況，把實時信息傳送給地面維護部門，依靠這些早期信息，維護人員在飛機著陸前就能清楚判斷出故障所在，最大程度地縮短由于飛機維護而造成的運營時間延誤，從而保證準點簽派，這種技術先進的系統(tǒng)也有助于降低飛機的計劃外維修次數。目前，AIRMAN支持的機型包括空客A320、空客A330、空客A340、空客A380及空客A350。
AIRMAN作為空客設計研發(fā)的專業(yè)數字化排故及維護管理軟件，其主要作用是：幫助地面航站基地對整個機隊的維修信息進行跟蹤管理；簡化和優(yōu)化排故維修工作，提高排故效率；提供更為積極的預防性維修措施，減少非定期的排故維修任務，從而提高調度可靠性，降低維修成本。
空客新的實時健康監(jiān)控軟件（AiRTHM）更進一步，為新型飛機的系統(tǒng)提供更多參數。例如，AiRTHM系統(tǒng)地空數據鏈系統(tǒng)（ACARS）能處理空客A380飛機產生的25萬個參數的信息量，以及空客A350飛機產生的40多萬個參數的信息量。通過地面支持系統(tǒng)收集和分析海量數據，AiRTHM與空客維護控制中心的飛機停場技術中心系統(tǒng)集成，能夠提供實時排故支援，指導備件供應，監(jiān)控預期故障下的系統(tǒng)健康狀態(tài)。
2017年空客發(fā)布了全新航空數據開放平臺“智慧天空（Skywise)”，其設計目標是整合運營商、維修企業(yè)和制造商擁有的數據，再利用全面的數據為他們進行運營分析并提供決策參考，同時支持他們進行數字化轉型。該平臺整合的航空數據非常廣泛，包括運營終端歷史、機載傳感器數據、機組報告、服務通告，甚至空客飛機的研發(fā)數據?？湛瓦€將其現有的數字產品（如飛機實時健康監(jiān)控系統(tǒng)AiRTHM）移至新數據平臺上，并且正在增加服務項目，擴展新的合作伙伴。
空客作為整機制造業(yè)另一巨頭，始終保持跟蹤博弈狀態(tài)，大數據應用研究同樣起步較早?？湛团cOracle、Google等公司合作構建了強大的數字化、信息化和網絡化的平臺，從AHM進化到Skywise，積累了豐富的數據資源和應用案例，加劇了民機健康管理服務市場的競爭。發(fā)動機健康監(jiān)控：三足鼎立
普惠、羅羅、GE作為全球動力系統(tǒng)和服務的供應商三巨頭，在全面占領民用噴氣式發(fā)動機市場的同時，也致力于提供發(fā)動機管理、狀態(tài)監(jiān)測與維護維修的一整套服務，其遠程監(jiān)測的傳感器大數據則是服務的基礎核心。
普惠發(fā)動機健康管理軟件（EHM系統(tǒng)）適用于普惠設計研發(fā)的各型號民用發(fā)動機，包括JT8D、JT9D、PW2000系列、PW4000系列以及PW6000系列。在航線運營中，EHM對各機隊中的發(fā)動機的主要性能參數進行實時監(jiān)控統(tǒng)計，航空公司工程師分析發(fā)動機參數統(tǒng)計報表，判斷發(fā)動機健康狀態(tài)，對有故障的發(fā)動機提出合理的排故方案，從而有效保證飛機飛行安全，降低發(fā)動機維護成本，避免非計劃性換發(fā)（非計劃性換發(fā)將給航空公司帶來較大的經濟損失）。
羅羅公司全球發(fā)動機健康監(jiān)測中心建立了發(fā)動機健康管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測上千臺遄達發(fā)動機的工作狀態(tài)，并預測出發(fā)動機未來的飛行時間，幫助工程師了解每臺發(fā)動機的工作狀態(tài)以便合理安排其使用和維修時間，并且這些數據可以被用來設計更加高效低耗的發(fā)動機，因此，羅羅的發(fā)動機被稱為“大數據引擎”，羅羅公司60％的銷售收入來自于其提供的售后數據服務市場。
GE公司基于Windows平臺開發(fā)了交互式發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，廣泛應用于監(jiān)控CF6、CFM56、GE90、CF34等型號。此發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可對巡航階段性能參數趨勢偏差進行監(jiān)控，還可針對起飛狀態(tài)的性能參數分析評估發(fā)動機狀態(tài)和剩余在翼時間。工程人員可通過軟件監(jiān)控評估發(fā)動機的性能，分析各部件的健康狀況。以GE為東航機隊500臺發(fā)動機提供監(jiān)控為例，可將診斷周期縮短90%，狀態(tài)分析準確率達到80%，大大減少了發(fā)動機離翼檢修的時間。
GE從2011年投入巨資啟動大數據分析項目，如今面向航空乃至整個工業(yè)領域已經實現了大數據與分析解決方案。Predix可應用于航空公司和飛機運營商的現有信息分析，實現對30000架噴氣發(fā)動機的實時監(jiān)測和危機響應，幫助發(fā)動機更好地運行、消耗更少的燃料，并且最大限度地減少意外停機時間，這些數據涉及的資產價值達到萬億美元。更為重要的是，GE目前已開始在全球工業(yè)領域推廣使用其Predix應用工廠，可為大規(guī)模快速開發(fā)自定義行業(yè)應用、提升資產管理績效提供支持，為進行快速的原型設計、驗證和開發(fā)工業(yè)互聯網應用提供先進的方式，并將開發(fā)周期從幾個月縮短到幾周。2018年3月，GE與東航簽署全面數字化合作協議，基于Predix平臺為東航700多家飛機提供發(fā)動機和飛機維修、飛行安全、運營效率以及營銷分析等50多個數字化服務項目，共同研發(fā)飛行數據應用軟件并對發(fā)動機進行大數據分析。
以上三家OEM基本壟斷了航空業(yè)發(fā)動機制造和服務的市場，以傳感器數據為核心，可提供涵蓋制造、狀態(tài)監(jiān)控、維護維修一系列服務。對國內航空公司來說，過多的依賴OEM廠家提供的技術保障服務，一方面運營成本較高，另一方面若國內不研發(fā)具有獨立自主產權的監(jiān)控技術，一旦將來由于某種原因導致OEM的服務中斷，帶來的影響無法預估。
國內民航業(yè)：積極嘗試，多點開花
國內航空公司積極探索機務大數據應用，國航建立了具有自主知識產權的飛機狀態(tài)預測和維修作業(yè)管理（APCM）平臺，實現維修活動閉環(huán)管理的無紙化工具；南方航空公司于2006年開發(fā)了飛機遠程診斷系統(tǒng)并獲得專利，其開發(fā)的系統(tǒng)已經應用于南方航空公司機務工程部維修控制中心、運行控制中心以及各分公司維修基地，改變了民航機務維修排故的傳統(tǒng)模式；東方航空公司于2007年實現了無線QAR技術，與GE合作開發(fā)FlightPulse軟件進行飛行品質分析，這些監(jiān)控系統(tǒng)和技術的開發(fā)都大大促進了航空公司對飛機實時監(jiān)控和健康管理的能力；海航打造了飛機健康管理大數據應用平臺，通過對飛機狀態(tài)的實時監(jiān)控和健康管理，及時發(fā)現隱性故障、運行不正常事件，優(yōu)化機隊維修和工程管理水平。
中國商飛作為國產民機產業(yè)化的主要載體，致力于研制更經濟、更安全、更環(huán)保、更舒適的國產民機，針對ARJ21、C919等型號也相繼開展了健康管理系統(tǒng)的研制工作，通過健康管理系統(tǒng)的應用可為主制造商提供獲取飛機大量運營信息和飛行數據的手段，通過獲取這些寶貴的數據和信息，飛機主制造商能及時掌握機隊飛機的健康狀況，為客戶提供更優(yōu)質的服務，同時不斷提升自身的飛機設計水平。
大數據時代民機健康管理技術展望
機載健康管理數據類型
與飛機健康狀態(tài)相關的數據種類多、量級大，飛機各個機載系統(tǒng)和設備在飛行各階段都會源源不斷的產生數據，但較老的機型限于數據采集及通信能力，航空公司能夠獲得的數據量則更少，渠道也局限于ACARS、QAR、EFB等。隨著機載采集手段、通信能力以及記錄設備的不斷更新換代，空客A350、波音787機型在參數量級上已突破數十萬，未來待空地寬帶等實時通信技術成熟后，在地面實時獲取想要的數據已經不是問題。因此，健康管理所面臨的瓶頸問題在于機載系統(tǒng)是否記錄了需要的數據，數據獲得后如何進行處理和分析，如何通過數據挖掘到有價值的決策信息。圖3簡要描述了機載健康數據來源及去向。
當前情況下，民機運行數據根據產生時間和傳輸方式可分為以下三類：當飛機在空中飛行時，飛機和地面健康管理系統(tǒng)之間通過空地ACARS數據鏈進行數據交聯，未來還可能應用空地寬帶實現海量數據的空地實時傳輸；當飛機落地后，飛機和地面健康管理系統(tǒng)之間的數據交聯方式以無線數據傳輸方式（無線Wi-Fi/3G）為主；飛機在停場及定檢過程中會產生大量非結構化數據，根據不同航空公司的內部標準存儲。數據的不同類型和說明如表1所示。
面向民機健康管理應用的地面大數據平臺
為了更好地挖掘數據價值，創(chuàng)造無限可能，需要在機載和地面構建大數據應用平臺，提高數據分析處理能力，此處重點討論面向民機健康管理應用的地面大數據平臺。其核心是收集分析民機運行過程中實時狀態(tài)數據以及航后維護中產生的海量信息，借助各種算法和智能模型，完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及預測，然后依據診斷或預測信息、可用的資源以及使用需求對維修活動做出適當的決策，避免“過修”和“失修”問題，提高系統(tǒng)的利用率，從而合理地權衡使用、維修中安全和經濟的矛盾，確保全壽命周期的成本最低。面向民機健康管理應用的大數據平臺的組成要素如圖4所示。
面向民機健康管理應用的大數據平臺架構示意如圖5所示，基礎層主要引入工業(yè)大數據架構（如Hadoop、Spark等）完成數據采集、存儲、處理及可視化等；數據層涉及飛機健康狀態(tài)的數據種類多、量級大、格式復雜，包括機載監(jiān)控傳感器數據、機組數據、故障報告、維護數據、服務通告等；業(yè)務邏輯層通過對各類健康數據進行綜合收集和管理，分析典型系統(tǒng)故障特點及數據關聯性，研究運用各種數據驅動的AI模型進行數據分析、識別、推理、預測等處理，對飛機系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)控、故障定位、趨勢分析以及健康狀態(tài)評估；決策輸出層形成健康分析報告與維修派遣決策，將原始數據轉化為航空公司可直接識別與應用的維修保障工作指令，與運行控制、維修控制、機務維修等主要業(yè)務流程高度融合，提高航空公司運營效率，節(jié)省經濟成本。
民機健康管理服務生態(tài)鏈
基于大數據分析平臺，可不斷形成面向民機健康管理應用的智慧服務生態(tài)鏈，聚焦多維大數據分析應用，實現數據驅動業(yè)務發(fā)展，協同產業(yè)鏈資源，推動民機向“制造+服務”轉型，生態(tài)鏈組成如圖6所示。
1) 大數據平臺：民機健康管理服務生態(tài)鏈核心，動態(tài)捕獲空地數據鏈、地面數據鏈以及運營數據，應用較為成熟的數據存儲分析工具、定制的AI算法模型對數據進行預處理和挖據，提供實時狀態(tài)監(jiān)控、故障定位智能推理、性能狀態(tài)預測、機隊健康狀態(tài)評估、維修決策優(yōu)化等服務，為民機健康管理生態(tài)鏈的各個部門和角色完成工作任務和決策提供支撐。
2) 運行控制部門：簽派和調度人員參考平臺所監(jiān)控計算飛機健康狀態(tài)和排故情況修訂簽派計劃，保障機隊安全可靠、高效運營，如根據發(fā)動機性能狀態(tài)、飛機狀態(tài)、駕駛員狀態(tài)、機場條件、天氣條件等綜合制定優(yōu)化的派遣計劃，并可提前做好預防性保障措施。
3) 維修控制部門：航行動態(tài)管理人員、維修工作組織決策人員參考平臺歷史數據統(tǒng)計和最新實時動態(tài)數據快速決策，判斷飛機是否需要維修，何時維修，制定預測性維修計劃及備品備件計劃，減少非計劃停場；完善優(yōu)化維修定檢計劃，合理安排維修間隔時間，提高利用率。
4) 機務工程部門：地面機務人員根據系統(tǒng)優(yōu)化的維修計劃完成排故任務，排故過程中通過平臺查詢各類手冊資源，并可及時、快速還原疑難故障歷史數據，輔助完成故障定位和維修工作，并反饋記錄；基于機務人員歷史排故案例形成專家經驗庫，指導故障快速定位，節(jié)省維修時間和成本。
5) 質量管理部門：基于平臺定制故障率、可靠性、維修性等分析指標，對飛機健康狀態(tài)、故障信息等進行多維度統(tǒng)計分析，為航線運行提供更為可靠及時的決策和指導；全面掌握航空公司在役飛機的各項指標狀態(tài)，為下發(fā)、構型選擇、客改貨等商務運營決策提供依據。
6) 主制造商和OEM：通過系統(tǒng)開放的功能和接口，獲取飛機運行數據，為改善飛機健康監(jiān)控需求與機載系統(tǒng)設計提供依據；主制造商通過數據分析結果掌握全球機隊健康狀態(tài)，以便及時給予維修支持和服務支持；同時基于飛機故障原理對模型升級、數據分析工具提供指導和幫助。
7) 信息技術部門：配置維護系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境，包括數據采集接口、模型更新升級、工作流程優(yōu)化等。
結束語
民用飛機健康管理是一項系統(tǒng)工程，涉及機載系統(tǒng)設計、整機集成、航線飛行、運營管理和維護支持。隨著大數據時代的到來，國外先進民機機型機載實時監(jiān)控參數都已經達到數十萬量級，地面運營維護數據也與日俱增，只有將民機健康管理與大數據、人工智能、工業(yè)互聯網結合起來，才能更好地提供數字化、集成化、實時化和智能化的民機健康管理服務，為航空公司降低維護成本、提高經濟效益和客戶滿意度提供支持。
不論波音、空客等整機制造商，還是普惠、羅羅、GE等發(fā)動機供應商，都在生產制造利潤空間不斷壓縮的情況下將利益增長點延伸至提供健康保障服務上來，從數據出發(fā)，為客戶提供健康管理基礎服務、初級服務、高級服務乃至全面服務，這些儼然成為民機市場新的產品競爭力和利潤增長點。對于國內航空公司來說，如果技術長期依賴國外供應商，勢必逐漸削弱自身的飛機健康監(jiān)控技術能力，一旦將來由于某種原因導致國外供應商提供的服務中斷，對民航安全運營將帶來無法預估的影響。對于中國商飛來說，民機產業(yè)剛剛起步，ARJ21支線飛機已正式交付運行，C919大型客機正處于試飛階段，遠程寬體客機開始研制攻關，需要緊握時代脈搏進一步提升我國民用飛機的健康管理能力，加速向“制造+服務”轉型，才能在競爭激烈的民機市場取得商業(yè)成功，占有一席之地。
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作者簡介
王兆兵，工程師，主要從事民機健康管理工作。
高麗敏，高級工程師，主要從事民機健康管理工作。
（更多詳細內容參見《航空維修與工程》2018年第4期雜志）返回搜狐，查看更多
