CN105473921A - 用于对航空器发动机的阀进行监控的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对航空器发动机的阀中的失效的第一信号进行探测的方法和***，所述方法和***包括：采集装置，所述采集装置配置为对所述阀(3)的输出压力测量值和与所述阀(3)相关的指令数据及环境数据进行采集；处理装置(23)，所述处理装置配置为限定作为所述输出压力测量值和所述指令数据及环境数据的函数的失效的第一信号的一组指标；处理装置(23)，所述处理装置配置为对失效的第一信号的所述一组指标中的每个指标随时间的变化进行监控；以及处理装置(23)，所述处理装置配置为对所述一组指标当中的至少一个指标的可能的偏差进行探测，所述偏差代表所述阀的失效的第一信号。

Description

用于对航空器发动机的阀进行监控的方法
技术领域
本发明涉及用于监控的***的领域，所述***用于对航空器发动机中的阀进行监控并且尤其用于对NAI(发动机舱防冰)型阀的失效的第一信号进行探测。
背景技术
航空器发动机包括多个阀，需要所述多个阀来控制在发动机中循环的不同流体的流率。通常来说，阀包括位置传感器，所述位置传感器使得能够监控阀的运行状态。监控则在于将阀的指令位置与由位置传感器探测到的位置进行比较。一个或多个位置传感器的故障或损坏产生报警信息，所述报警信息因为维护的介入或多或少可导致航空器长时间的无法调动(immobilisation)。
此外，诸如NAI(发动机舱防冰，NacelleAnti-Icing)阀的某些阀不包括位置探测装置，于是难于监控所述阀的正常运行。实际上，当不能直接地记录失效而是记录其影响时，对失效进行探测愈加困难。
NAI阀被采用在气动防冰***中，所述气动防冰***用以避免发动机舱结冰。如果NAI阀一直被阻塞在打开位置，除冰部件就有过热的风险。相反，如果阀一直被阻塞在关闭位置，发动机舱结冰可导致冰被发动机吸入。为避免这些问题，有利地，在所述阀被阻塞住之前探测这些阀的失效的第一信号。
因此本发明的目的是提出一种用于探测的方法和***，所述方法和***易于实施并且能够快速地、准确地且可靠地探测航空器发动机阀中的失效的第一信号并且预测异常。
发明内容
本发明由用于对航空器发动机的阀中的失效的第一信号进行探测的方法所限定，所述方法包括以下步骤：
-对所述阀的输出压力测量值以及与所述阀相关的指令数据和环境数据进行采集，
-限定作为所述输出压力测量值及所述指令数据和环境数据的函数的失效的第一信号的一组指标，
-对失效的第一信号的所述一组指标中的每个指标随时间的变化进行监控，
-在所述监控期间对所述一组指标当中的至少一个指标的可能的偏差进行探测，所述偏差代表所述阀的失效的第一信号。
本发明的方法非常易于以最少的计算操作来实施。此外，此方法使得能够主要从输出压力测量值来探测不包括位置传感器的阀的失效的第一信号。
根据本发明的优选的实施例，至少一个指标的偏差的探测包括以下步骤：
-针对每个指标确定与所述指标的观测到的随时间的变化相关联的斜率，所述斜率被称为估计斜率，以及
-对估计斜率的可能的异常表现进行探测，所述可能的异常表现表明了与所述估计斜率相关联的指标的偏差。
有利地，估计斜率的异常表现的探测包括以下事件当中的至少一个事件：斜率的突变、在第一预定阈值之上的斜率以及在第二预定阈值之下的斜率。
有利地，估计斜率的异常表现的探测包括以下步骤：
-针对每个指标确定与每个指标的随时间的自然变化相关联的另一斜率，所述斜率被称为期望斜率，
-针对每个指标计算所述估计斜率与相应的期望斜率之间的主导性差异，以及
-将与每个指标有关的所述主导性差异与相应的预定报警阈值区间进行比较。
因此，以很少的计算和很高的精确度来可非常快速地探测任何偏差。可根据指标来选择预定报警阈值区间。
有利地，所述方法包括学习阶段，以限定每个指标随时间的自然变化并且从每个指标随时间的自然变化确定与每个指标有关的期望斜率。
这使得能够非常有效率地将观测到的变化与指标的自然变化进行比较，以便探测斜率最细微的变化。
有利地，在确定的一系列飞行期间，如果与至少一个指标相关的所述主导性差异超出所述预定报警阈值区间，本方法包括失效的第一信号的报警的触发。
根据一个变型，所述方法包括以下步骤：
-如果与指标相关的所述主导性差异在确定的一系列飞行期间减小，则对低级别报警进行触发，
-如果与指标相关的所述主导性差异在确定的一系列飞行期间保持不变，则对中级别报警进行触发，以及
-如果与指标相关的所述主导性差异在确定的一系列飞行期间增加，则对高级别报警进行触发。
根据又一变型，所述方法包括以下步骤：
-如果单个指标示出了超出所述预定报警阈值区间的主导性差异，则对低级别报警进行触发，
-如果两个指标示出了超出所述预定报警阈值区间的主导性差异，则对中级别报警进行触发，以及
-如果至少三个指标示出了超出所述预定报警阈值区间的主导性差异，则对高级别报警进行触发。
根据本发明的另一优选的实施例，所述方法包括以下步骤：
-推定每个指标的观测到的随时间的变化达到飞行数的预定水平线，以及
-针对每个指标进行计算指标的在所述水平线处的值超出预定投影阈值(projectedthreshold)的可能性。
这使得能够在给定的水平线处预测阀的可能的异常。
根据本发明的又一个优选的实施例，所述方法包括以下步骤：
-针对每个指标限定超出预定投影阈值的可能性的测量值，
-对每个指标的观测到的随时间的变化进行推定，以及
-针对每个指标计算投影水平线，在所述投影水平线的端部达到所述可能性测量值。
这使得能够预测阀的寿命。
有利地，所述环境数据包括环境压力数据、阀供应压力数据和温度测量值，并且指令数据包括用以打开和关闭所述阀的指令的时刻。
对指令数据和环境数据的采集在使得能够完善指标的限定时不需要附加的装置。事实上，环境数据可容易地从在航空器中已有的监控***获得，并且指令数据也可从机载计算机获得。此外，环境数据用于将指标标准化，以便使得用于探测的所述***无论在何等采集条件下都能够同样地运转。
有利地，失效的第一信号的所述一组指标包括以下指标当中的一个或多个指标：
-打开所述阀的时间延迟，所述时间延迟由打开所述阀的指令的时刻与输出压力证实了表示打开的阀的预定函数的时刻之间的时间延迟来确定，
-关闭所述阀的时间延迟，所述时间延迟由关闭所述阀的指令的时刻与输出压力大约等于环境压力的时刻之间的时间延迟来确定，
-所述阀的打开状况，所述打开状况由所述输出压力与表示打开的阀的所述预定函数之间的比较来确定，以及
-所述阀的关闭状况，所述关闭状况由所述输出压力与所述环境压力之间的比较来确定。
本发明还涉及一种用于对航空器发动机的阀中的失效的第一信号进行探测的***，所述***包括：
-采集装置，所述采集装置配置为对所述阀的输出压力测量值和与所述阀相关的指令数据及环境数据进行采集，
-处理装置，所述处理装置配置为限定作为所述输出压力测量值和所述指令数据及环境数据的函数的失效的第一信号的一组指标，
-处理装置，所述处理装置配置为对失效的第一信号的所述一组指标中的每个指标随时间的变化进行监控，以及
-处理装置，所述处理装置配置为对所述一组指标当中的至少一个指标的可能的偏差进行探测，所述偏差代表所述阀的失效的第一信号。
这些指标设想了阀的所有运行情况，因此对于探测失效的第一信号是非常相关的。
本发明还涉及一种航空器发动机，所述航空器发动机包括根据上述特征的用于探测的***。
附图说明
由阅读参照附图的本发明的优选实施例，本发明的其它特征和优点将变得清楚，在所述附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的***，所述***用于探测航空器发动机阀中的失效的第一信号；
图2是示出了对于通常关闭的阀将输出压力作为环境压力的函数的图表；
图3是示出了对于通常打开的阀将输出压力作为供应压力的函数的图表；
图4是示出了根据本发明的失效的第一信号的指标随时间的变化的图表；
图5是示意性地示出了根据本发明的优选实施例的用于对失效的第一信号进行预测的方法的图表；以及
图6是示意性地示出了根据本发明的优选实施例的用于对阀的寿命进行预测的方法的图表。
具体实施方式
本发明的基础概念是基于监控随时间的相关指标，以探测实际上由压力测量值所构建的失效的第一信号。
图1示意性地示出了根据本发明的用于对航空器发动机的阀3的失效的第一信号进行探测的***1。
PRSOV(压力调节关断阀，PressureRegulatingShutOffValve)型的放气阀3从发动机压缩机5抽取空气以将所述空气输送到航空器的设备的其它附件。例如在NAI(发动机舱防冰)阀的情况下，从压缩机5抽取的热空气被输送到用于对航空器发动机的发动机舱进行除冰的除冰装置7。
应当注意的是，在通常的运行中，这种蝶型阀不包括任何中间位置，位置或为开，或为关。
通常，阀3包括指令装置9，指令装置9能够控制并调节阀3的打开和关闭的位置。阀3的位置由指令装置9根据从机载计算机11和/或可由机组人员驱动的指令元件接收到的信号来触发。
此外，阀3包括压力传感器13，压力传感器13测量由阀3供给的输出压力。压力读数经由控制环路15发送到指令装置9，之后指令装置9根据压力测量值调整阀3的位置，以便保持适当的输出压力。
用于探测的***1配置为使用输出压力测量值以便探测阀3的失效的第一信号。
更具体地，用于探测的***1包括采集装置17，所述采集装置用于采集由压力传感器测量的阀的输出压力值(箭头19)以及阀的指令数据和环境(context)数据(箭头21)。
环境数据可包括环境压力数据、阀3供应压力数据和例如在阀3供应水平下的温度测量值。
作为一个示例，环境数据可从已有的机载监控***和/或计算机11获得。实际上，航空器通常包括监控***(未示出)，所述监控***读取并记录包括发动机运行数据以及环境数据的时间测量值，以监控发动机的正常运行。
在一个变型中，环境数据可直接从特定的传感器(未示出)获得，所述特定的传感器配置为测量所述环境数据的参数。
除此之外，指令数据包括打开和关闭阀3的指令的时刻，所述时刻例如从机载计算机11获得。
用于探测的***1还包括处理装置23，所述处理装置用于根据输出压力测量值和指令数据及环境数据来限定失效的第一信号的一组指标。应当注意的是，一组指标可包括单个或几个相关的指标。
第一指标可涉及关闭阀3的时间延迟，所述时间延迟可由关闭阀3的指令的时刻与潜在的特定确认时间之后输出压力大约等于环境压力的时刻之间的时间延迟来确定。
第二指标涉及阀3的关闭的状况，以便确保阀在其关闭时是气密的。这可由输出压力与环境压力之间的比较来确定。
应当注意的是，在关闭阀3的指令之后，将有特定确认时间，所述特定确认时间长于关闭阀的通常的时间延迟并且在考虑输出压力测量值之前，以便保证正常运行的阀已有必要的时间来关闭。有利地，对输出压力在整个预定时间段内进行测量，以便计算这些测量值的平均值。
图2是示出了对于通常关闭的阀将输出压力Paval作为环境压力Pamb的函数的图表。实际上，对于密封关闭的阀，输出压力Paval是线性函数，所述线性函数由通过原点的公称压力的直线D1表示。直线D1可被由于测量不准确的可接受的离散区域Z1所包围。
第三指标涉及打开阀3的时间延迟。该打开时间延迟由以下时间延迟的测量值来确定：所述时间延迟在打开阀3的指令的时刻与可能地在特定确认时间之后输出压力Paval证实了表示打开的阀的预定函数的时刻之间。
该预定函数取决于供应压力。
第四指标涉及阀3的打开状况。这可由输出压力Paval与表示通常打开的阀的所述预定函数之间的比较来确定。该比较可通过计算所测量的输出压力与符合所述预定函数的对应的理论输出压力之间的比率来执行，已知对于正常运行，该比率必须接近于一。
出于预防和如之前表明的，在考虑输出压力测量值之前将有比打开阀3的时间延迟长的特定的确认时间，以便确保正常运行的阀已有所需的时间来打开。相似地，有利地，对输出压力Paval在整个预定时间段内进行测量，以便计算这些测量值的平均值。
图3是示出了对于通常打开的阀将输出压力Paval作为供应压力Palim的函数的图表。这里，输出压力Paval由预定的分段仿射型函数表示。所述预定函数的曲线由第一段直线D2和第二段直线D3构成。第一段直线D2代表：当供应压力Palim在预定阈值压力Ps之下时，输出压力Paval与供应压力Palim相等。第二段直线D3代表以下事实：当供应压力Palim在所述阈值压力Ps之上时，输出压力Paval保持与预定阈值压力Ps相等的值不变。直线段D2和D3被由于测量不准确的离散区域Z2所包围。
显然，在通常打开的阀3的情况下，如图3的图表中所示，输出压力Paval在环境压力Pamb之上。
此外，有利地，处理装置23被配置为根据常规的回归技术使指标根据失效的第一信号的所有其它指标和一个或多个环境数据规范化或标准化。这使得能够形成一组指标，所述一组指标是规范化的并且相对于环境是独立的。
应当注意的是，根据本发明的用于探测的***和方法优选地适用于规范化的指标但也可适用于非规范化的指标。为了进行简化，术语“指标”在下文中指示规范化的指标。
图4是示出了根据本发明的失效的第一信号的指标随时间的变化的示例的图表。
这里，时间t由打开(或关闭)阀的循环数来代表，因此，曲线表明了指标根据循环数的变化。在一个变型中，时间t可由航空器的飞行数来代表，所述飞行数显然地与循环数相互关联。
此外，处理装置23被配置为对失效的第一信号的所述一组指标中的每个指标I随时间的变化进行监控。
因此，通过监控不同的指标，处理装置23适于探测至少一个指标I的可能的偏差，所述偏差代表了阀的失效的第一信号。
有利地，由于与指标的变化相关联的直线d11的斜率θ1，指标I的偏差被探测到。实际上，处理装置23被配置为针对每个指标确定斜率，所述斜率被称为估计斜率θ1，估计斜率θ1与指标的观测到的(或监控到的)随时间的变化相关联。
应当注意的是，在通常的情况下(未示出)，指标几乎不变化并且斜率实际上保持为零。
在指标的观测到的随时间的变化与实际上仿射的曲线相应的情况下，斜率可直接例如通过曲线的给定区间上的线性回归的技术来确定。如果不是，处理装置23被配置为首先将指标的观测到的随时间的变化转换为相应的仿射表示。例如，如果指标的观测到的随时间的变化是指数的，则执行对数变换，以在通过线性回归对指标的变化的估计斜率进行计算之前回到线性的情况。处理装置23被配置为探测估计斜率的可能的异常表现，所述异常表现由与该斜率相关联的指标的偏差来揭示。
作为一个示例，估计斜率的异常表现与斜率的突变相应，或者反而与斜率在第一预定阈值之上或在第二预定阈值之下的事实相应。当探测到估计斜率的异常表现时，失效的第一信号的报警25于是由处理装置23触发。
根据一个变型，可通过将估计斜率θ1与直线d12的安全斜率(soundslope)比较来探测与指标相关联的斜率的异常表现，直线d12的安全斜率与指标的安全变化(soundchange)相关联。
实际上，根据本发明的优选实施例，处理装置23被配置为针对每个指标确定直线d12的另一斜率，所述另一斜率被称为期望斜率θ2，期望斜率θ2与每个指标的随时间的安全变化或自然变化相关联。
应当注意的是，如同之前的，如果随时间的自然变化不与准仿射函数相应，将所述自然变化变换为仿射表示，以便能够计算与指标的随时间的自然变化相关联的期望斜率。
此外，处理装置23被配置为针对每个指标计算估计斜率θ1与相应的期望斜率θ2之间的主导性差异θ。之后，处理装置23将与每个指标相关的主导性差异θ与失效的第一信号的报警的相应的预定阈值区间进行比较。有利地，报警阈值区间根据指标、报警等级和探测可靠性来选择。
指标随时间的自然变化可理论上地从指标的已知的先验的表现来确定，或可从在学习阶段期间采集的数据来确定。
实际上，学习阶段可用于从安全数据(sounddata)来定义每个指标的随时间的自然变化。安全数据可例如源自在第一次飞行或已知的安全飞行(soundflight)期间所记录的数据。
除此之外，在与至少一个指标相关的主导性差异超出预定报警阈值区间(即，大于区间的上边界或小于区间的下边界)的情况下，失效的第一信号的探测的报警25由处理装置23触发。为避免假警报，如果与至少一个指标相关的主导性差异在确定的一系列飞行期间(例如，在最后的n次循环/飞行当中的确定次数的k次循环/飞行期间)一直超出预定报警阈值区间，报警会被传送。
根据一个变型，处理装置23根据与指标相关的主导性差异随时间的变化来触发几个报警等级25。例如，如果与指标相关的主导性差异在确定的一系列飞行期间减小，则触发低级别报警。此外，如果与指标相关的主导性差异在确定的一系列飞行期间保持不变，则触发中级别报警，以及最后，如果主导性差异在确定的一系列飞行期间增加，则触发高级别报警。
根据又一个变型，处理装置23根据示出超出预定报警阈值区间的差异的指标的数量来触发几个报警级别。例如，如果单个指标示出了超出预定报警阈值区间的主导性差异，则触发低级别报警。如果两个指标示出了超出预定报警阈值区间的主导性差异，则触发中级别报警，以及最后，如果至少三个指标示出了超出预定报警阈值区间的主导性差异，则触发高级别报警。
此外，在根据上述变型中的任一个对失效的第一信号的探测的报警25进行触发之后，主导性差异θ于是可与失效的第二阈值区间相比较，以便探测阀是否已经失效以及在超出失效的该第二阈值区间的情况下触发失效报警。
图5是示意性地示出了根据本发明的优选实施例的用于对失效的第一信号进行预测的方法的图表。
图表示出了以下示例：其中，失效的第一信号的指标I随时间的变化是线性的。更具体地，图表示出了指标I根据打开阀的循环数变化的曲线。在一个变型中，时间t可由飞行数表示。
处理装置23被配置为对每个指标的观测到的随时间的变化进行推定，所述变化达到飞行数的预定水平线H。实际上，处理装置23在变化的可变点处获得变化的历史，以便推定所述变化达到水平线H。应当注意的是，当指标的表现开始变化时，依据较短的历史(例如，最后的十个或二十个点)执行推定是有利的。
除此之外，水平线H根据指标和指标的变化的性质是可参数化的。例如，用于示出斜率中的突变的指标的水平线H可被选择成低于均匀地变化的指标的水平线。作为一个示例，水平线H可以以在10次与20次飞行之间的标称范围在介于1次飞行与100次飞行之间的区间中选择。
此外，处理装置23被配置为针对每个指标计算超出投影阈值S的可能性。更准确地，用超出的可能性衡量指标的在水平线H处的值超出预定投影阈值S的可能性。作为一个示例，能够使用正态定律或学术(Student)定律来评估超出的可能性。
具体地，图5的图表示出了正态定律31(即，高斯分布)的可能性密度，正态定律31以指标的在水平线处的估计值33为中心。可能性密度31的位于投影阈值S上方的阴影部分35的面积则代表了指标的在水平线处的值超出该阈值的可能性，已知在曲线下，总面积等于1。
投影阈值等级S显然由阀方面的专家根据指标和所需的可靠性来选择。例如，对于通常耗费一至四秒打开的阀，专家可选择五秒的阈值，所述阈值在图表中与打开阀的时间延迟的指标的变化有关。
图6是示意性地示出了根据本发明的优选实施例的用于对阀的寿命进行预测的方法的图表。
根据该实施例，用于探测的***目的在于预测持续时间，在所述持续时间结束时，阀将显示(具有预定的可能性)失效的第一信号。
在这种情况下，超出投影阈值的可能性的预定测量值首先被选择，并且之后计算出达到该测量值所必需的时间(或更准确地，飞行数或循环数)。
因此，处理装置23首先针对每个指标限定出反映指标超出预定投影阈值的的可能性的预定测量值。
之后，处理装置23推定每个指标的观测到的随时间的变化，并且之后针对每个指标计算投影水平线，在所述投影水平线的端部达到可能性的预定测量值。
图6的示例示出了第一水平线H1和第二水平线H2，第一水平线H1与小于5％的超出的可能性35a相关联，第二水平线H2与小于20％的超出的可能性35b相关联。
需要注意的是，用于探测的***1可集成在特定的单元中或形成现有的电子单元的部件。有利地，能够利用航空器中的机载计算机11或集成在EMU(发动机监控单元，EngineMonitoringUnit)型的航空器发动机中的计算机的采集与处理装置来运行根据本发明的用于探测的***1。特别地，计算机11可用于运行以下计算机程序：所述计算机程序存储在计算机的存储装置中并且包括用于对根据本发明的用于探测的方法进行实施的代码指令。

Claims (10)

1.一种用于对航空器发动机的阀中的失效的第一信号进行探测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-对所述阀(3)的输出压力测量值和与所述阀(3)相关的指令数据及环境数据进行采集，
-限定作为所述输出压力测量值和所述指令数据及环境数据的函数的失效的第一信号的一组指标(I)，
-对失效的第一信号的所述一组指标中的每个指标随时间的变化进行监控，
-在所述监控期间对所述一组指标当中的至少一个指标的可能的偏差进行探测，所述偏差代表所述阀的失效的第一信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个指标的偏差的探测包括以下步骤：
-针对每个指标确定与所述指标的观测到的随时间的变化相关联的斜率，所述斜率被称为估计斜率(θ1)，以及
-对估计斜率的可能的异常表现进行探测，所述异常表现表明了与所述估计斜率相关联的指标的偏差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，估计斜率的异常表现的探测包括以下事件当中的至少一个事件：斜率的突变、在第一预定阈值之上的斜率以及在第二预定阈值之下的斜率。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，估计斜率的异常表现的探测包括以下步骤：
-针对每个指标确定与每个指标的随时间的自然变化相关联的另一斜率，所述另一斜率被称为期望斜率(θ1)，
-针对每个指标计算所述估计斜率与相应的期望斜率之间的主导性差异(θ)，以及
-将与每个指标相关的所述主导性差异与相应的预定报警阈值进行比较。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括学习阶段，以限定每个指标随时间的自然变化并且从每个指标随时间的自然变化确定与每个指标相关的期望斜率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-推定每个指标的观测到的随时间的变化达到飞行数的预定水平线，以及
-针对每个指标计算指标的在所述水平线处的值超出预定投影阈值的可能性。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述环境数据包括环境压力数据、阀供应压力数据和温度测量值，并且所述指令数据包括用以打开和关闭所述阀的指令的时刻。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，失效的第一信号的所述一组指标包括以下指标当中的一个或多个指标：
-打开所述阀的时间延迟，其由打开所述阀的指令的时刻与输出压力证实了表示打开的阀的预定函数的时刻之间的时间延迟来确定，
-关闭所述阀的时间延迟，其由关闭所述阀的指令的时刻与输出压力大约等于环境压力的时刻之间的时间延迟来确定，
-所述阀的打开状况，所述打开状况由所述输出压力与表示打开的阀的所述预定函数之间的比较来确定，以及
-所述阀的关闭状况，所述关闭状况由所述输出压力与环境压力之间的比较来确定。
9.一种用于对航空器发动机的阀中的失效的第一信号进行探测的***，其特征在于，所述***包括：
-采集装置，所述采集装置配置为对所述阀(3)的输出压力测量值和与所述阀(3)相关的指令数据及环境数据进行采集，
-处理装置(23)，所述处理装置(23)配置为限定作为所述输出压力测量值和所述指令数据及环境数据的函数的失效的第一信号的一组指标，
-处理装置(23)，所述处理装置(23)配置为对失效的第一信号的所述一组指标中的每个指标随时间的变化进行监控，以及
-处理装置(23)，所述处理装置(23)配置为对所述一组指标当中的至少一个指标的可能的偏差进行探测，所述偏差代表所述阀的失效的第一信号。
10.一种航空器发动机，其特征在于，所述航空器发动机包括根据权利要求9所述的用于探测的***。
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