调研论述了大数据时代背景下，国内外制造商和航空公司健康管理技术的演化历程，并对民机健康管理技术进行展望，在分析民航业数据基础上，提出了面向民机健康管理应用的大数据平台架构与规划，阐述了民机健康管理服务模式和生态链。
自上世纪90年代国际领先的民用飞机制造商引入飞机健康管理的概念和技术以来，经过了20多年的发展，目前已建立起基于空地双向数据通信系统的实时监控与健康管理系统，可实时收集飞机的状态信息，及时获取飞机的健康状态，并对飞机全寿命周期内的健康状态进行有效管理。目前，预测与健康管理技术（PHM）在美国、欧洲的主要航空发达国家的工业界和研究机构得到了充分的认可和推广应用，并且朝着更加综合化、标准化和智能化的方向发展。健康管理演化至今，从2010年以后，特别是工业4.0等概念提出以来，正在从以组件/机器为中心，转向以客户为中心的健康管理，其核心是预测分析，其中大数据分析与应用、基于人工智能与云计算的健康管理将发挥重要作用。大数据时代下，提高健康管理技术研究和服务水平，可以更好地为我国大型客机提供全球化服务和全寿命周期服务解决方案，从而达到高度数字化、网络化、集成化、实时化和智能化的运营支持服务的目标。
随着新一代数据采集与传输设备在民机上应用，机载系统及发动机的监控能力不断提升，空客A350飞机监控参数达到40万个，波音787飞机的监控参数达到15万个，航空公司运营维护历史数据日益增长，国内三大航的年运行数据累计达数十TB，这些海量数据将进一步改变飞机的维护方式，提升飞机的运营表现。大数据时代下，在航空维修领域中会有越来越多的数据收集和分析工具加入到航空公司运营管理中，为维修保障人员及时确定故障原因和维修措施、合理安排维护时间提供技术支持，从而实现预测性维修，提高飞机签派率，降低维护成本。
大数据背景下民机健康管理技术的演化
波音公司：从AHM到BGS
在20世纪80年代，波音757飞机出现之前，系统的故障多是在飞机着陆之后发现并进行诊断的。波音757/767中引入了发动机指示和机组告警系统，在飞行过程中可以记录3000个参数，向飞行员报告一些系统的故障信息，但是无法自动通知地面的维修人员。波音747-400引入了中央维修计算机，可将飞行过程中的各种维修信息传递给地面的维修和工程人员，以快速地查找故障原因，一旦飞机落地，便可进行修理。到2004年，波音777-300ER引入健康管理系统（HMS），每架飞机可以处理10万个机载系统性能参数。到2011年波音787投入运营时，健康管理系统监测的参数大约又增加了50%。
波音的飞机健康管理体系架构基于“机载中央维护系统OMS+空地数据链+地面软件平台AHM”，如图1所示。中央维护计算机及飞机状态监控系统负责收集各系统状态数据，进行机载必要的信息判断和处理，下传工作由飞机的ACARS数据链完成，并通过MyBoeingFleet网站实时向客户指定的地点发送报警或者通知地面维护人员，在飞机降落前准备好零备件和资料，同时还可帮助航空公司识别一些重复出现的故障和性能趋势，支持机队长期可靠性计划的实现。这套体系覆盖范围很广，可以实现空地一体化的管理，提高飞行安全和航班运营效率。AHM支持机型众多，目前主要有波音737NG、波音747、波音757、波音767、波音777、波音787等。
波音每年会根据用户需求持续升级完善，及时发布新版本，确保AHM系统的生命力和竞争力，也为航空公司带来持续的使用价值。波音的AHM系统，为全球42%以上的波音777飞机和28%以上的波音747-400飞机提供实时监控和决策支持服务，并以AHM服务为重要组成部分推出了Gold Care服务包，提高飞行安全和航班运营效率。据波音的初步估计，通过使用AHM可使航空公司节省约25%的因航班延误和取消而导致的费用。
2016年波音宣布成立波音全球服务集团（BGS），业务主要集中在供应链、工程/改装和维修、数字航空与分析、培训和专业服务等4个领域。在2017年巴黎航展上，波音启动了名为AnalytX的数据分析服务，将分散在公司各个业务领域的800余名数据分析专家集中在一起，利用科学的程序和方法，将数据转化为可执行的见解和客户解决方案，并与多个客户签订了涉及机队健康管理、机队油耗分析、疲劳风险管理等领域的数据分析协议。
波音作为整机制造业巨头，立足制造优势，抓住数据先机，上世纪90年代开始布局数字化应用，与大学合作组建航空数据分析实验室开展大数据应用研究，从行业应用软件AHM到AnalytX更是积累了众多客户资源和基础，诸多条件皆具备的情况下，相信波音会一直走在数据互联应用队伍的前列。
空客公司：从AIRMAN到Skywise
空客飞机健康管理体系与波音类似，主要架构基于“机载中央维护系统OMS+空地数据链+地面软件平台AIRMAN”，如图2所示。各机载系统的数据引入机载维护系统中，经过机载维护系统各模块处理和计算得出故障维护信息，经ACARS空地数据链实时下传，由地面操作和服务中心获得信息。AIRMAN开发的初衷是为了弥补机载中央维护系统的不足，消除各机载子系统BITE大量的虚警。AIRMAN通过监测飞机系统在飞行途中的状况，把实时信息传送给地面维护部门，依靠这些早期信息，维护人员在飞机着陆前就能清楚判断出故障所在，最大程度地缩短由于飞机维护而造成的运营时间延误，从而保证准点签派，这种技术先进的系统也有助于降低飞机的计划外维修次数。目前，AIRMAN支持的机型包括空客A320、空客A330、空客A340、空客A380及空客A350。
AIRMAN作为空客设计研发的专业数字化排故及维护管理软件，其主要作用是：帮助地面航站基地对整个机队的维修信息进行跟踪管理；简化和优化排故维修工作，提高排故效率；提供更为积极的预防性维修措施，减少非定期的排故维修任务，从而提高调度可靠性，降低维修成本。
空客新的实时健康监控软件（AiRTHM）更进一步，为新型飞机的系统提供更多参数。例如，AiRTHM系统地空数据链系统（ACARS）能处理空客A380飞机产生的25万个参数的信息量，以及空客A350飞机产生的40多万个参数的信息量。通过地面支持系统收集和分析海量数据，AiRTHM与空客维护控制中心的飞机停场技术中心系统集成，能够提供实时排故支援，指导备件供应，监控预期故障下的系统健康状态。
2017年空客发布了全新航空数据开放平台“智慧天空（Skywise)”，其设计目标是整合运营商、维修企业和制造商拥有的数据，再利用全面的数据为他们进行运营分析并提供决策参考，同时支持他们进行数字化转型。该平台整合的航空数据非常广泛，包括运营终端历史、机载传感器数据、机组报告、服务通告，甚至空客飞机的研发数据。空客还将其现有的数字产品（如飞机实时健康监控系统AiRTHM）移至新数据平台上，并且正在增加服务项目，扩展新的合作伙伴。
空客作为整机制造业另一巨头，始终保持跟踪博弈状态，大数据应用研究同样起步较早。空客与Oracle、Google等公司合作构建了强大的数字化、信息化和网络化的平台，从AHM进化到Skywise，积累了丰富的数据资源和应用案例，加剧了民机健康管理服务市场的竞争。发动机健康监控：三足鼎立
普惠、罗罗、GE作为全球动力系统和服务的供应商三巨头，在全面占领民用喷气式发动机市场的同时，也致力于提供发动机管理、状态监测与维护维修的一整套服务，其远程监测的传感器大数据则是服务的基础核心。
普惠发动机健康管理软件（EHM系统）适用于普惠设计研发的各型号民用发动机，包括JT8D、JT9D、PW2000系列、PW4000系列以及PW6000系列。在航线运营中，EHM对各机队中的发动机的主要性能参数进行实时监控统计，航空公司工程师分析发动机参数统计报表，判断发动机健康状态，对有故障的发动机提出合理的排故方案，从而有效保证飞机飞行安全，降低发动机维护成本，避免非计划性换发（非计划性换发将给航空公司带来较大的经济损失）。
罗罗公司全球发动机健康监测中心建立了发动机健康管理系统，实时监测上千台遄达发动机的工作状态，并预测出发动机未来的飞行时间，帮助工程师了解每台发动机的工作状态以便合理安排其使用和维修时间，并且这些数据可以被用来设计更加高效低耗的发动机，因此，罗罗的发动机被称为“大数据引擎”，罗罗公司60％的销售收入来自于其提供的售后数据服务市场。
GE公司基于Windows平台开发了交互式发动机状态监控系统，广泛应用于监控CF6、CFM56、GE90、CF34等型号。此发动机状态监控系统可对巡航阶段性能参数趋势偏差进行监控，还可针对起飞状态的性能参数分析评估发动机状态和剩余在翼时间。工程人员可通过软件监控评估发动机的性能，分析各部件的健康状况。以GE为东航机队500台发动机提供监控为例，可将诊断周期缩短90%，状态分析准确率达到80%，大大减少了发动机离翼检修的时间。
GE从2011年投入巨资启动大数据分析项目，如今面向航空乃至整个工业领域已经实现了大数据与分析解决方案。Predix可应用于航空公司和飞机运营商的现有信息分析，实现对30000架喷气发动机的实时监测和危机响应，帮助发动机更好地运行、消耗更少的燃料，并且最大限度地减少意外停机时间，这些数据涉及的资产价值达到万亿美元。更为重要的是，GE目前已开始在全球工业领域推广使用其Predix应用工厂，可为大规模快速开发自定义行业应用、提升资产管理绩效提供支持，为进行快速的原型设计、验证和开发工业互联网应用提供先进的方式，并将开发周期从几个月缩短到几周。2018年3月，GE与东航签署全面数字化合作协议，基于Predix平台为东航700多家飞机提供发动机和飞机维修、飞行安全、运营效率以及营销分析等50多个数字化服务项目，共同研发飞行数据应用软件并对发动机进行大数据分析。
以上三家OEM基本垄断了航空业发动机制造和服务的市场，以传感器数据为核心，可提供涵盖制造、状态监控、维护维修一系列服务。对国内航空公司来说，过多的依赖OEM厂家提供的技术保障服务，一方面运营成本较高，另一方面若国内不研发具有独立自主产权的监控技术，一旦将来由于某种原因导致OEM的服务中断，带来的影响无法预估。
国内民航业：积极尝试，多点开花
国内航空公司积极探索机务大数据应用，国航建立了具有自主知识产权的飞机状态预测和维修作业管理（APCM）平台，实现维修活动闭环管理的无纸化工具；南方航空公司于2006年开发了飞机远程诊断系统并获得专利，其开发的系统已经应用于南方航空公司机务工程部维修控制中心、运行控制中心以及各分公司维修基地，改变了民航机务维修排故的传统模式；东方航空公司于2007年实现了无线QAR技术，与GE合作开发FlightPulse软件进行飞行品质分析，这些监控系统和技术的开发都大大促进了航空公司对飞机实时监控和健康管理的能力；海航打造了飞机健康管理大数据应用平台，通过对飞机状态的实时监控和健康管理，及时发现隐性故障、运行不正常事件，优化机队维修和工程管理水平。
中国商飞作为国产民机产业化的主要载体，致力于研制更经济、更安全、更环保、更舒适的国产民机，针对ARJ21、C919等型号也相继开展了健康管理系统的研制工作，通过健康管理系统的应用可为主制造商提供获取飞机大量运营信息和飞行数据的手段，通过获取这些宝贵的数据和信息，飞机主制造商能及时掌握机队飞机的健康状况，为客户提供更优质的服务，同时不断提升自身的飞机设计水平。
大数据时代民机健康管理技术展望
机载健康管理数据类型
与飞机健康状态相关的数据种类多、量级大，飞机各个机载系统和设备在飞行各阶段都会源源不断的产生数据，但较老的机型限于数据采集及通信能力，航空公司能够获得的数据量则更少，渠道也局限于ACARS、QAR、EFB等。随着机载采集手段、通信能力以及记录设备的不断更新换代，空客A350、波音787机型在参数量级上已突破数十万，未来待空地宽带等实时通信技术成熟后，在地面实时获取想要的数据已经不是问题。因此，健康管理所面临的瓶颈问题在于机载系统是否记录了需要的数据，数据获得后如何进行处理和分析，如何通过数据挖掘到有价值的决策信息。图3简要描述了机载健康数据来源及去向。
当前情况下，民机运行数据根据产生时间和传输方式可分为以下三类：当飞机在空中飞行时，飞机和地面健康管理系统之间通过空地ACARS数据链进行数据交联，未来还可能应用空地宽带实现海量数据的空地实时传输；当飞机落地后，飞机和地面健康管理系统之间的数据交联方式以无线数据传输方式（无线Wi-Fi/3G）为主；飞机在停场及定检过程中会产生大量非结构化数据，根据不同航空公司的内部标准存储。数据的不同类型和说明如表1所示。
面向民机健康管理应用的地面大数据平台
为了更好地挖掘数据价值，创造无限可能，需要在机载和地面构建大数据应用平台，提高数据分析处理能力，此处重点讨论面向民机健康管理应用的地面大数据平台。其核心是收集分析民机运行过程中实时状态数据以及航后维护中产生的海量信息，借助各种算法和智能模型，完成系统的状态监测、故障诊断及预测，然后依据诊断或预测信息、可用的资源以及使用需求对维修活动做出适当的决策，避免“过修”和“失修”问题，提高系统的利用率，从而合理地权衡使用、维修中安全和经济的矛盾，确保全寿命周期的成本最低。面向民机健康管理应用的大数据平台的组成要素如图4所示。
面向民机健康管理应用的大数据平台架构示意如图5所示，基础层主要引入工业大数据架构（如Hadoop、Spark等）完成数据采集、存储、处理及可视化等；数据层涉及飞机健康状态的数据种类多、量级大、格式复杂，包括机载监控传感器数据、机组数据、故障报告、维护数据、服务通告等；业务逻辑层通过对各类健康数据进行综合收集和管理，分析典型系统故障特点及数据关联性，研究运用各种数据驱动的AI模型进行数据分析、识别、推理、预测等处理，对飞机系统进行状态监控、故障定位、趋势分析以及健康状态评估；决策输出层形成健康分析报告与维修派遣决策，将原始数据转化为航空公司可直接识别与应用的维修保障工作指令，与运行控制、维修控制、机务维修等主要业务流程高度融合，提高航空公司运营效率，节省经济成本。
民机健康管理服务生态链
基于大数据分析平台，可不断形成面向民机健康管理应用的智慧服务生态链，聚焦多维大数据分析应用，实现数据驱动业务发展，协同产业链资源，推动民机向“制造+服务”转型，生态链组成如图6所示。
1) 大数据平台：民机健康管理服务生态链核心，动态捕获空地数据链、地面数据链以及运营数据，应用较为成熟的数据存储分析工具、定制的AI算法模型对数据进行预处理和挖据，提供实时状态监控、故障定位智能推理、性能状态预测、机队健康状态评估、维修决策优化等服务，为民机健康管理生态链的各个部门和角色完成工作任务和决策提供支撑。
2) 运行控制部门：签派和调度人员参考平台所监控计算飞机健康状态和排故情况修订签派计划，保障机队安全可靠、高效运营，如根据发动机性能状态、飞机状态、驾驶员状态、机场条件、天气条件等综合制定优化的派遣计划，并可提前做好预防性保障措施。
3) 维修控制部门：航行动态管理人员、维修工作组织决策人员参考平台历史数据统计和最新实时动态数据快速决策，判断飞机是否需要维修，何时维修，制定预测性维修计划及备品备件计划，减少非计划停场；完善优化维修定检计划，合理安排维修间隔时间，提高利用率。
4) 机务工程部门：地面机务人员根据系统优化的维修计划完成排故任务，排故过程中通过平台查询各类手册资源，并可及时、快速还原疑难故障历史数据，辅助完成故障定位和维修工作，并反馈记录；基于机务人员历史排故案例形成专家经验库，指导故障快速定位，节省维修时间和成本。
5) 质量管理部门：基于平台定制故障率、可靠性、维修性等分析指标，对飞机健康状态、故障信息等进行多维度统计分析，为航线运行提供更为可靠及时的决策和指导；全面掌握航空公司在役飞机的各项指标状态，为下发、构型选择、客改货等商务运营决策提供依据。
6) 主制造商和OEM：通过系统开放的功能和接口，获取飞机运行数据，为改善飞机健康监控需求与机载系统设计提供依据；主制造商通过数据分析结果掌握全球机队健康状态，以便及时给予维修支持和服务支持；同时基于飞机故障原理对模型升级、数据分析工具提供指导和帮助。
7) 信息技术部门：配置维护系统生态环境，包括数据采集接口、模型更新升级、工作流程优化等。
结束语
民用飞机健康管理是一项系统工程，涉及机载系统设计、整机集成、航线飞行、运营管理和维护支持。随着大数据时代的到来，国外先进民机机型机载实时监控参数都已经达到数十万量级，地面运营维护数据也与日俱增，只有将民机健康管理与大数据、人工智能、工业互联网结合起来，才能更好地提供数字化、集成化、实时化和智能化的民机健康管理服务，为航空公司降低维护成本、提高经济效益和客户满意度提供支持。
不论波音、空客等整机制造商，还是普惠、罗罗、GE等发动机供应商，都在生产制造利润空间不断压缩的情况下将利益增长点延伸至提供健康保障服务上来，从数据出发，为客户提供健康管理基础服务、初级服务、高级服务乃至全面服务，这些俨然成为民机市场新的产品竞争力和利润增长点。对于国内航空公司来说，如果技术长期依赖国外供应商，势必逐渐削弱自身的飞机健康监控技术能力，一旦将来由于某种原因导致国外供应商提供的服务中断，对民航安全运营将带来无法预估的影响。对于中国商飞来说，民机产业刚刚起步，ARJ21支线飞机已正式交付运行，C919大型客机正处于试飞阶段，远程宽体客机开始研制攻关，需要紧握时代脉搏进一步提升我国民用飞机的健康管理能力，加速向“制造+服务”转型，才能在竞争激烈的民机市场取得商业成功，占有一席之地。
参考文献
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作者简介
王兆兵，工程师，主要从事民机健康管理工作。
高丽敏，高级工程师，主要从事民机健康管理工作。
（更多详细内容参见《航空维修与工程》2018年第4期杂志）返回搜狐，查看更多
