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王红 等 | 航空装备测试技术体系及测试保障技术智能化发展分析

浏览量

 

 王红1, 邢海波2, 陈洪全1, 杨占才1

 

(1.航空工业北京长城航空测控技术研究所,北京101111 2.空军装备部装备项目管理中心,北京100038)

 

摘要:从剖析航空装备测试技术体系、综合保障测试技术及智能测试保障技术的概念出发,明确了航空装备测试技术的主要特点及其分类方法,构建了初步的航空装备测试技术体系架构,分析了人工智能、大数据、云计算、数字孪生、物联网等新技术在测试保障技术智能化过程中发挥的主要作用,希望该研究成果能够为未来构建完善的航空装备测试技术体系及测试保障技术智能化发展提供借鉴和指导。

 

关键词:航空装备;测试体系架构;综合保障测试;智能测试保障

中图分类号:V2文献标识码:A文章编号:1000-8829202012-0010-06

doi10.19708/j.ckjs.2020.12.002

  

航空测试技术是指在航空产品的研制、生产和使用过程中,对产品或试件进行测试,获取各种数据并对其进行处理和评定的原理、方法及其实现技术,是取得航空产品定性或定量信息的一种基本方法和途径[1]。由于目前我国对航空装备测试技术并没有全面、系统的了解和掌握,顶层设计并不清晰,关键瓶颈测试技术缺乏有效梳理,而且航空装备测试技术研究工作比较分散、不成体系,难以形成合力,严重阻碍了我国航空装备测试技术的发展。鉴于以上实际情况,本文力求从航空装备测试技术顶层设计角度提出体系架构、技术体系的研究思路和方法,希望能够为航空装备测试技术的科学发展和体系化建设提供清晰的解决途径。

航空装备综合保障测试是指为了满足航空装备综合保障技术活动中的测试、诊断、预测及健康管理需求而进行的功能和(或)参数测试、故障检测、故障隔离、故障预测、健康评估等相关活动的总称。航空装备测试保障智能化是航空装备综合保障测试技术与智能技术相结合的产物。航空装备智能测试保障是将人工智能(Artificial Intelligence,AI)理论应用到测试保障设备的设计、检测、诊断、预测、健康管理、决策等方面,使测试保障设备具有自校准、自补偿、自检测、自诊断、自监控、自修复、自适应、自学习和自决策等能力或相关活动的总称。本文从未来测试技术发展角度提出了航空装备智能测试及智能测试保障的技术内涵,并对测试保障技术智能化发展趋势进行初步分析,希望能够为航空装备自主保障和测试保障智能化发展发挥一定的作用。

 

1概念与内涵

1.1航空装备测试技术

航空装备测试技术贯穿于其整个寿命周期,覆盖从部件到系统的各个层次,而且分类方法较多。由于产品在不同的阶段、不同的层次有着不同的测试要求。因此,寻求一种简单的分类方法是不全面的,需要从不同的角度进行分类研究。

测试技术主要分类方法如下。

① 按测试参数类型划分,可分为压力、温度、流量、振动、噪声等参数测试技术。

② 按测试原理划分,可分为声、光、电、磁等测试技术。

③ 按产品层次(测试对象)划分,可分为整机、系统、子系统、部件等测试技术。

④ 按产品寿命周期划分,可分为方案阶段、设计阶段、制造阶段、使用阶段等测试技术。

⑤ 按测试信号流向划分,可分为信号感知、数据采集、数据传输、数据处理、分析与评价、报告生成等内容。⑥ 按试验测试环境划分,可分为地面试验、飞行试验等测试技术。

⑦ 按试验方法划分,可分为数字仿真、半实物仿真试验和全实物试验等内容。

航空装备测试技术覆盖从设计到使用的全寿命周期。但寿命周期的不同阶段测试的目的不同,对测试的要求也不同,因此按寿命周期的不同阶段对测试分类,具有一定的参考意义。按寿命周期划分的航空装备测试技术包括方案阶段、设计阶段、制造阶段和使用阶段所需的测试技术。

① 航空装备方案阶段主要开展虚拟试验测试技术,试验测试要求主要是对模型或部分样机的功能进行测试,以验证航空装备方案的可行性。

② 航空装备设计阶段主要针对装备的功能和性能进行验证,获取装备各层次精确的静态和动态参数,以验证航空装备设备的功能和性能是否满足设计要示,并提出设计改进方案。该阶段需要数据采集处理系统、试验环境模拟设备、激励设备和各种测量仪器支撑。

③ 航空装备制造阶段主要针对产品装配、产品质量进行检验,并进行必要的故障检测,需要获取部件和组件的参数,对系统的功能进行测试等,该阶段需要自动化测试设备、数据采集系统、激励设备和各种测量仪器支撑。

④ 航空装备使用阶段主要开展故障检测和隔离工作,需要获取功能和必要的性能参数,该阶段需要自动化测试设备、便携式测试设备、激励设备和各种测量仪器支撑。

1.2航空装备测试技术体系

航空装备测试技术体系是以航空产品层次为主线,兼顾生产研制流程,将航空装备所需的全部测试技术分支按客观的相互关系和层次关系整理的技术结果图谱。航空装备测试技术体系涵盖了航空装备在设计、研制、试验、使用、维护等过程中所需的功能、性能、效能等测试验证与评估技术。航空装备测试技术一般包括环境构建、对象模拟、过程调度与控制、信息获取和数据处理与评估等5个方面。由于航空装备测试领域涵盖范围非常广、涉及设备种类众多,本文探讨的航空装备测试技术体系重点考虑测试过程调度与控制、测试信息获取和测试数据处理与评估3个方面。航空装备测试技术体系可参考表1所示的分类方式构建。

1按航空装备组成的测试分类

航空装备测试技术体系反映了航空装备测试专业领域的科学研究与技术活动的总体构成。建立该体系的最终目的是促进跨部门、跨军兵种甚至跨国实现测试资源或信息的互操作和经济可承受目标。该体系建设是一种系统化地建设大规模航空试验与测试系/测试设备的机制,可以避免新系统的开发变成单个“点方案”,从而防止产生许多烟囱式的系统。能够为确保实现航空装备试验与测试系统和设备的模块化、通用化、智能化和开放性等能力奠定基础,以保障各种试验与测试技术和资源的共享将是该体系建设的主要目标。体系建设应以信息技术为核心,合理地划分系统功能,为后续制定相应的软、硬件接口标准和总线标准,建立系统的模块化结构等标准提供前提条件;并在此基础上开展相应的技术研究,提出所需的专用、必要的辅助工具、软件平台、硬件等资源,以支撑体系的贯彻和实施。

1.3航空装备综合保障测试技术

航空装备综合保障测试一般包括航空装备自保障测试和地面(含舰面)保障测试。航空装备自保障测试主要指利用宿主于航空装备内部的机内测试(BuiltInTestBIT)设备和机上预测与健康管理(Prognostics and Health ManagementPHM)系统,为维护保障提供装备自身状态检查和健康管理信息的相关测试活动;地面保障测试主要指通过利用外部测试资源或从机上实时下传的状态数据,对装备系统、成品及模块进行功能/性能检查和故障诊断预测等测试活动。地面保障测试资源主要包括自动测试设备(Automatic Test Equipment,ATE)、便携式维修助手(Portable Maintenance AidsPMA)和地面PHM系统等。航空装备综合保障测试是航空装备综合保障过程的关键信息源,是准确获取装备状态、支持航空装备使用与维修保障工作、实施视情维修(Condition Based MaintenanceCBM)的基础。综合保障测试的发展将对航空装备综合保障过程实现综合化、信息化和智能化起着重要的推动作用。

20世纪70年代至80年代,随着武器装备复杂性的增长,国外出现了装备使用和保障费用高、战备完好性差等问题。20世纪80年代中期,美国军方提出了“综合后勤保障”的概念。21世纪初,美国F35联合攻击机提出了自主式保障(Autonomic Logistics,自主式后勤)的创新性保障方案,全面实施视情维修。维修方式的变化对综合保障测试提出了更高的要求,航空装备综合保障测试的内涵不断丰富发展。航空装备从手工测试、外部测试逐步发展到机上自保障测试与地面保障测试并重的综合测试诊断,并协调同步发展。在地面保障测试方面,通过开展测试设备 “通用化、系列化、组合化”工作,将航空装备原有的大量分离式地面检测设备逐步统一为多个系列的通用化自动测试系统(ATS)和便携式维修助手(PMA),有效降低了保障资源规模和数量。以美军为例,国防部通过成立统一的ATS管理机构,组织各军种共同开发下一代测试(NxTest)技术,实施敏捷快速全球作战保障系统(Agile Rapid Global Combat System,ARGCS)等演示验证项目,逐步推进实现各军种到全军的ATS架构的统一和平台标准化。在机上自保障测试方面,通过测试性设计与优化,应用增强BIT和预测与健康管理等新技术,大幅增强装备自保障测试能力,逐步实现以机上自保障测试为主的装备保障测试新格局,以达到降低保障资源规模、提升保障效能的目标。从发展趋势看,尽量采用装备自保障测试,减少对地面保障测试能力的依赖,是目前国内外先进航空装备普遍采用的策略。

航空装备综合保障测试的工程实现一般纳入航空装备综合保障研制工作中,具体从以下两个方面贯彻实施:① 自保障测试的工程实现主要结合航空装备测试性设计和PHM系统研制工作开展;② 地面保障测试资源研制则结合航空装备保障资源研制工作开展。主要包括:综合保障测试研制需求捕获,综合保障测试总体要求与方案确定,合理分配装备自保障测试能力和地面保障测试能力,自顶向下进行整机、系统和成品模块级保障测试指标预计与分配,开展保障测试设计,规划地面保障测试所需资源并组织研制,自底向上按成品模块、子系统、系统和整机自保障测试功能性能评估验证,地面保障测试资源鉴定与保障测试综合评估考核。为了确定航空装备综合保障测试设计要求,一般通过对保障效能和保障费用的综合权衡,充分贯彻综合测试诊断策略,以合理规划航空装备自保障测试和地面保障测试的能力。

1.4航空装备智能测试技术

传统的航空装备测试系统一般由原始敏感单元、变量转换单元、量值处理单元、数据传输单元、数据处理、存储和显示单元构成。测试的任务不同对测试系统的要求也不一样,但在研制测试系统时,应考虑确保测试系统性能稳定、精度符合要求、有足够的动态响应、具有实时和事后数据处理能力,以及具有开放性和兼容性等。

与传统的航空装备测试系统相比,航空装备智能测试系统是利用人工智能、神经网络、模糊理论等非传统方法,形成以智能决策与判断为目标的测试系统。它在测试过程中能够执行诸如感知、采集、交换、决策、执行等智能活动。其中,感知环节应用于获取被测对象的参数数据;采集环节用于对获取的数据进行放大、滤波、整形等信号调理及模数转换工作,并转换为可理解的工程量;交换环节用于实现数据的实时交换和同步传输,并确保信号不失真;决策环节采用人工智能等前沿技术,实现对被测系统的参数辨识、模式识别、参数整定和控制等功能,并确保所做出的决策正确可信;执行环节则针对外部环境和测试条件实现对激励源及被测系统的控制等功能,并确保正确执行决策。

航空装备智能测试系统以知识工程为核心,以自感应、自适应、自学习和自决策为显著特征。知识工程是应用人工智能的原理与方法,为那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段,能够运用专家知识的获取、表达、推理和解释过程实现测试系统的智能化。自感应是对信号的智能感应、感知和识别的技术,是自适应、自学习和自决策的基础。自适应是对复杂任务的多工况环境的智能适应,使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态。自学习是指能够按照自身运行过程中的经验来改进各种算法的能力,它是自适应系统的一个延伸和发展。自决策是指可在没有人的干预下,把自主控制系统的感知能力、决策能力、协同能力和行动能力有机地结合起来,形成可理解且正确的决策信息。

从测试技术未来发展来看,航空装备智能测试技术应逐步向自校准、自补偿、自检测、自诊断、自监控、自修复、自适应、自学习和自决策等方向发展。针对航空装备智能测试系统中的传感器单元,为满足机载安装使用要求,应逐步向低成本、低功耗、多功能和小型化方向发展。针对航空装备智能测试系统中的数据采集单元,应逐步向嵌入式智能高速数据处理和高精度、高速、高实时性、高同步能力等方向发展。针对航空装备智能测试系统中的数据交换单元,应逐步向数据传输高速化、数据传输延迟最小化、网络拓扑结构分布式、传输协议多样化、通信介质光纤化等方向发展。针对航空装备智能测试系统中的决策执行单元,应逐步向自适应、自学习和自决策等方向发展。

1.5航空装备智能测试保障技术

航空装备测试保障智能化是航空装备综合保障测试技术与智能技术相结合的产物。从保障测试设备内部信号流向层面,航空装备智能测试保障设备应由智能传感、智能采集、智能交换、智能决策、智能执行和智能综合协调处理等部分构成。同样,从保障测试设备研发所需技术层面,航空装备智能测试保障技术主要由智能传感、智能采集、智能交换、智能决策、智能执行和智能综合协调处理等相关技术构成。从物化的保障测试设备层面,航空装备智能测试保障设备主要由智能BIT、智能ATE、智能PMA、智能机载PHM、智能地面PHM和为实现设备互联及信息共享所需的智能保障信息系统等部分构成。智能测试保障设备是在传统测试保障设备基础上,赋予了智能测试相关功能,使传统测试保障设备具有智能化测试相应特点。

一般来讲,智能测试保障技术是把专家系统、神经网络等人工智能理论和方法引入到智能测试保障设备的故障诊断、预测等功能中,以降低虚警率,并提高检测和预测精度[2]。随着人工智能理论和方法的不断发展,它已渗透到智能测试保障设备的各个方面,有着更为广泛的意义和内涵。笔者分析认为,智能测试保障是一种将包括专家系统、神经网络、模糊理论、信息融合等在内的人工智能理论应用到测试保障设备的设计、检测、诊断、预测、健康管理、决策等方面,使测试保障设备具有自校准、自补偿、自检测、自诊断、自监控、自修复、自适应、自学习和自决策等能力,提高测试保障设备的综合效能,从而降低设备全寿命周期费用的理论、技术和方法。

 

2航空装备测试技术体系架构的初步考虑

航空装备测试技术体系架构参考了航空工业集团技术体系,并兼顾主机厂所、专业试验与测试单位的不同特点。航空装备测试技术体系架构如图1所示。

 

1航空装备测试技术体系架构

 

构建航空装备测试技术体系架构的主要目的是提出未来航空装备需要发展的关键测试技术,并且明确目前航空装备急需解决的关键测试技术。关键测试技术需要从航空装备试验、测试、检测过程中提炼,因此按照航空装备全寿命周期及各专业特点,从试验、测试、检测需求出发,逐步细分,最终形成确定航空装备测试技术体系框架的主要结构单元。主要结构单元可按照5个层次进行划分。

① 产品类别。参考ATA100对航空产品的分类方式,并考虑国内航空装备的行业特点,将航空装备划分为飞机和发动机两个结构单元。

② 产品子类别。按照适航规章对飞机产品的分类方式,将飞机划分为固定翼飞机、旋翼飞机等结构单元。

③ 研制阶段类别。按照飞机产品全寿命周期的定义,该层划分为设计、制造、试验与试飞、维护保障和通用基础5个结构单元。

④ 测试/检测类别。参照飞机工作任务分解结构(Work Breakdown Structure,WBS)对测试/检测类别的定义方式,划分为虚拟/仿真试验测试、风洞试验测试、制造检测、整机/系统试验测试、结构试验测试、飞行试验测试、其他试验测试、维护测试等结构单元。按照通用基础测试技术分析,可分为测试性、传感器、数据采集与处理、综合自动化测试、预测及健康管理、智能测试、软件测试等结构单元。针对整机/系统试验测试结构单元可再细分,形成整机试验测试、航电/任务系统试验测试、机电系统试验测试、飞管/飞控系统试验测试、武器系统试验测试等子类。

⑤ 关键技术要素类别。依据划分的测试/检测子类,明确实现该子类试验/检测任务的关键技术元素,如对飞控系统试验测试的项目细分,可形成分布式高速同步采集技术、强噪声背景下频谱分析技术、综合试验自动化管控技术等关键技术要素结构单元。

 

3航空装备测试保障技术智能化发展分析

从测试技术未来发展来看,人工智能、大数据、云计算和并行计算、数字孪生(Digital Twin)、物联网等新技术在航空装备测试保障智能化发展方面将扮演越来越重要的角色,并且将发挥越来越重要的作用,对于未来将航空装备自主保障及测试保障智能化发展起到极大的推动作用。

(1)       人工智能技术是根基,是实现航空装备测试保障智能化应用的前提和基础。

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新技术学科,人工智能研究领域包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等方面,重点在知识表示、机器感知、机器思维、机器学习和机器行为等方面开展研究。人工智能算法主要包括人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)类、贝叶斯(Bayesin)类、决策树(Decision Tree)类、线性分类器(Linear Classifier)类等方法[3]。

航空装备测试保障智能化应用主要体现在自校准、自补偿、自检测、自诊断、自监控、自修复、自学习、自适应和自决策等方面。航空装备测试保障智能化发展严重依赖于人工智能技术发展。人工智能技术在航空装备测试保障智能化发展方面起着决定性作用,是实现航空装备测试保障智能化应用的前提和基础。

(2)       大数据技术是助推器,是完善航空装备测试保障智能化工程的知识源泉。

针对航空领域,大数据是指广泛存在于产品设计、研制、生产及维护保障领域的整个寿命周期中的设计数据、生产数据、试验数据和测试数据等。航空大数据分析技术应主要针对上述海量数据进行获取、管理、挖掘,并提出有用的决策信息,实现数据到知识、知识到决策、决策到行动的快速转化[4]。

在航空装备维护保障领域,大数据主要是在主机单位的维护部门、大修厂和部队维修单位的产品维护过程中逐渐积累形成的。通过大数据技术不断与云计算、并行计算、分布式、多线程、网格、可视化等先进技术的融合,以及随着大数据挖掘技术的不断成熟,将会为维护保障过程中产品故障检测、故障隔离、故障预测及健康管理提供更为准确的特征信息,为未来丰富和完善测试保障过程中的知识库提供有效的工具手段。

(3)       云计算技术是赋能器,是提高航空装备测试保障智能化应用效率的根本保障。

云计算技术是在传统的网格计算、分布式计算、并行计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等计算机技术基础上,并与先进网络技术深度融合而发展的产物。云计算技术的核心思想是对各种网络上的大量计算资源进行统一管理、调度,构成一个虚拟化计算资源池,可向各种用户提供按需服务。

云计算技术与航空装备测试保障技术相结合,将会改变测试保障过程中的数据利用模式,从原有的客户端/服务器(Client/Server,C/S)、浏览器/服务器(Browser/Server,B/S)模式转变为云架构下的面向服务架构(ServiceOriented Architecture,SOA)模式。通过数据利用模式的转换,将使维护保障过程中实现分布式数据挖掘、测试数据共享、知识共享成为可能,将会极大提高维护测试数据利用率。

(4)       数字孪生技术是实现可视化智能维护测试及PHM虚拟验证的关键技术。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[5-6]。通过对产品进行建模分析,依据曾经发生的问题,对模型进行优化升级,结合产品运行场景,模拟各种可预测的可能性,进行虚拟分析,针对产品全生命周期,提供全面的技术支持。

数字孪生技术与航空装备智能维护技术相结合,将会以更为直观的可视化维护指导方式展现给现场维护人员,对于提高航空装备维护质量和效率起到重要作用。另外,基于数字孪生的模型验证技术为PHM系统虚拟验证和确认提供更为有效的解决途径。

(5)       物联网是实现航空装备自主保障智能化、信息化的重要支撑技术。

物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程。具体来讲,可通过采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,通过各类可能的网络接入,实现物与物、物与人的连接,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理[7]。物联网是一个基于互联网的信息承载体,它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

航空装备自主保障信息系统涉及飞机飞行员、维修人员、供应人员和数据分析人员等多个用户,也涉及自主保障运行单位、中心接入点、标准运行单元、机下任务保障工作站、便携式维修辅助装置、便携式存储设备及读取器等多个实体节点。通过物联网技术可以使自主保障信息系统相关各个用户、各个实体节点有机结合、互联互通,达到信息共享、信息及时更新及反馈的目的,为最终实现航空装备智能测试保障提供重要支撑。

 

4结束语

本文系统地阐述了航空装备测试技术体系、综合保障测试技术及智能测试保障技术的概念、内涵和作用,构建了航空装备测试技术体系框架,提出了人工智能、大数据、云计算、数字孪生、物联网等新技术与测试保障技术相互融合的方法,明确了航空装备智能测试保障技术未来发展方向,希望能够为未来确认关键瓶颈测试技术及智能测试保障技术发展起到一定的推动作用。

 

参考文献:

1]北京长城航空测控技术研究所.航空测试技术[M.北京:航空工业出版社,2013

2]孔祥芬,蔡峻青,张利寒,等.大数据在航空系统的研究现状与发展趋势[J.航空学报,2018,39(12):1-16.

3]谭建荣,刘振宇,徐敬华.新一代人工智能引领下的智能产品与装备[J.中国工程科学,2018,20(4):35-43.

4]徐永成,温熙森,刘冠军,.智能BIT概念与内涵探讨[J.计算机工程与应用,2001,37(14):29-32.

5]陆清,吴双,赵喆,等.数字孪生技术在飞机设计验证中的应用[J.民用飞机设计与研究,20193:1-8.

6]陶飞,刘蔚然,张萌,等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J.计算机集成制造系统,2019(1):1-18.

7]孙元亮,张超.基于物联网的飞机移动总装生产线管理关键技术[J.航空制造技术,2019,62(8):30-37.

 

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