■ 李欣/中国南方航空股份有限公司工程技术分公司（机务工程部）
本文简要介绍了南航飞机健康管理系统的发展及现状，对未来南航飞机健康管理系统的高质量发展进行研究、规划及设计，利用飞机大数据及数字化信息技术手段构建具有智能化故障诊断预测及维护决策机制的新一代飞机健康管理系统，重塑飞机健康全新维护模式，为现今民航飞机健康管理系统体系建设提供全新思路。
随着民航运输业的迅猛发展，飞机机队数量不断增多，民用客机及其部件的安全性、可靠性、持续适航性、维护效率与经济性等多重需求越来越受到飞机制造商及航空公司的重视。为此，飞机健康管理系统应运而生，通过该系统可对飞机传感器触发的各类数据进行深层次解读，包括数据采集、数据融合、数据分析与诊断、故障预测及决断等，对飞机健康状态进行精准预测、诊断和评估，从而提升飞机维护质量，提高飞机安全水平，提升航班准点率及飞机利用率。
现如今飞机健康管理系统进入蓬勃发展阶段，除了波音、空客、商飞等飞机制造厂商外，各航空公司也在构建发展属于自己的健康管理系统，并取得了显著成效。南航作为国内飞机健康管理系统先行者，更要百尺竿头、更进一步，在飞机健康管理领域中进行深层次探索研究，使用更加完善的设计理念和更加有效的技术手段确保飞机健康管理向更高层次迈进。
航空航天领域的“健康管理”的概念最早起源于20 世纪90 年代由美国国家航空航天局（NASA）提出的关于航空航天的飞行器安全飞行计划，通过将飞行器的各类传感器信号采集和处理，故障诊断预测功能以及后端的地面后勤保障决策执行的整个流程集成为一个综合的系统进行统一管理，从而实现故障预测、诊断预测以及后勤维护决策的高度智能化与自动化。飞机健康管理同样是通过类似综合的系统去解读飞机传递的各类信号并实时跟踪分析飞机的运行状态及故障情况，达到高质高效维护飞机，提高飞机的运行效率并延长飞机使用寿命。
1.1 民航系统演变历程
民用飞机健康管理技术经历了一个漫长的发展过程。从最初的机内测试（BIT：Built-In Test），依靠单个系统和设备自身的电路和程序完成故障诊断和隔离，到20 世纪80 年代后发动机指示与告警系统（EICAS）及中央维护计算机（CMC）的成功应用，意味着民用航空正式迈入飞机健康监测时代。20 世纪90 年代初飞机ACARS 数据链开始在更多的航空公司中得到应用，90 年代末波音与空客在波音777 飞机和空客A320 飞机机载维护系统的基础上借助数据链通信技术，实现了民航客机与地面基站的实时数据传输，将传统的飞机落地后维护变成飞机实时运行监测，将安全关口前移，提高了飞机维护效率。波音与空客这两家民用飞机制造商在90 年代末率先引入飞机健康管理概念与技术，开创了飞机健康监控全新领域。波音的飞机健康管理系统用于监控波音飞机，体系架构是基于“机载中央维护系统OMS+空地数据链+地面软件平台AHM”，由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，飞机的ACARS 数据链完成下传数据，并通过AHM 实时发送报警或者通知地面维护人员，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 系统的生命力与竞争力。空客的飞机健康管理系统与波音类似，区别是空客的飞机健康管理系统用于监控空客飞机，也在不断更新完善。其他的飞机与发动机制造厂商同样也开发了健康管理系统监控飞机及内部设备。例如，巴航工业的AHEAD、罗罗公司的发动机健康管理系统（EHM）等。
南航在国内飞机健康系统研发中起步最早，从1999 年末开始自主研发，单一机型开始起步，开发出了具有南航特色的飞机健康管理系统，名为“南航远程诊断实时跟踪系统”。该系统是中国民航首个获得国家《发明专利证书》的健康管理系统，同样也获得了民航科技进步二等奖，从而打破了波音AHM、空客AIRMAN 等国际航空制造商的技术垄断，填补了我国在这一领域的空白。
1.2 南航系统发展与现状
南航飞机健康管理系统的初创阶段大约在1999 年7 月中旬，南航机务在偶然得到空客AIRMAN 的宣传推广材料之后，开始探讨对波音777 飞机传输的飞机技术信息进行解码转换及分析的可能性，开始构思的系统起名为“飞机维修支持系统”，后改名为“飞机远程诊断实时跟踪系统”（如下简称“系统”）。初始设想是建立一套计算机系统，能兼容处理各机型下载的数字化信息规范，实现飞机技术状态跟踪（健康状态诊断分析）、故障自动报警，航行跟踪、发动机性能监控等功能，提早发现并排除故障，确保飞行安全。在2001 年之后，南航机务系统设计方案进行了升级完善，解决了多个系统构型数据的解码难题。2002 年4 月，首先在GAMECO 和南航深圳分公司试运行并获得了成功，随后在2002 年10 月11 日以“一种远程诊断实时跟踪系统及其方法”申请专利，于2006 年4 月19 日成功获得授权。2002 年11 月26 日与中国民航大学合作研发的《飞机远程诊断实时跟踪系统》通过了民航总局组织的专家技术鉴定，鉴定结论为：该项目具有技术先进性，应用前景广泛，有明显的社会效益和经济效益，属国内首创，达到国际先进水平。该系统在2003 年获得民航科技进步二等奖。
系统在波音777 和空客A320 机型上取得成效之后，南航机务不仅仅满足于标准报文数据的监控。在获得飞机状态监控系统（ACMS）、航空公司运行控制（AOC）、虚假故障信息过滤数据库（CFDIU）等机载软件客户化变更授权后，便开始了客户化机载软件的尝试，包括统一报文格式、研发系统专项监控等，致力于构建具有“南航标准”的飞机健康监控模式并持续至今。与此同时，系统也在不断解码新机型的报文数据，将新的机型纳入监控，在2007年之前就已经实现将南航现有机型全部纳入监控，远程诊断系统总体架构如图1 所示。
图1 南航飞机远程诊断系统总体架构图
之后系统进入了快速发展阶段，无论在监控系统深度、监控机型广度，还是在监控功能的多样性方面有了长足的发展。就监控深度来说，南航机务凭借扎实深厚的维修水平与经验，开发出飞机灵活位置报监控、飞机空调流量控制活门监控、波音737 飞机虚拟中央维护系统监控、辅助动力单元运行状态监控等专项监控，并伴随获得了国家专利、民航科技进步二等奖、计算机软件著作权等诸多成果；
就监控机型广度来说，新机型引进基本在两年内完成解码并纳入监控，例如南航机务在2013 年成功研发出了空客A380 模块，在2015 年成功研发出波音787 模块；
就监控功能多样性来说，后续系统又新增了故障信息实时订阅推送功能、故障定级报警功能、客户化监控功能、故障标记功能等。最值得一提的是，南航机务在克服了国内外飞机健康管理系统无移动平台的不利条件，勇于尝试移动平台的开发，以丰富监控人员的操作手段。
2022 年系统正式更名为南航“天瞳”系统，使用了最新的机务云平台技术，采用更为高效稳定的分布式微服务架构，数据服务与接口响应时间不超过10 秒。“天瞳”系统成为了具备PC/移动双平台，可将波音、空客、巴航工业、中国商飞四大主流机型同时进行监控，功能全面并融入多个国家专利和计算机软件著作权的飞机健康管理系统，如图2 所示。
图2 “天瞳“移动平台监控效果示例
国民经济和社会发展“十四五”规划和2035 年远景目标纲要将数字经济发展和数字化转型的目标与作用提高到了国民经济的高度，需充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进数字技术与实体经济深度融合、赋能传统产业转型升级。对于民航维修来说，必须充分利用先进科技手段，着力智能化发展，增强创新与再创新能力，方能实现“劳动密集型工业陷阱”的跨越。飞机健康管理系统也需要遵循这个方向朝更高层次发展。
2.1 现状与不足
现今，民航领域开发的飞机健康管理系统基本能实现飞机ACARS 触发报文数据（故障报、ACMS 报、AOC 报等）的准确高效呈现，故障信息可快速关联排故手册，以及能生成比较详尽完整的数据分析图表供监控人员参考使用，但是在故障预测和智能维护决策方面还有非常大的提升空间。现在的故障预测多体现于ACMS 报文，也就是通过设置飞机参数阈值及特定的触发逻辑，超出监控阈值触发报文供监控人员获知，起到一定的故障预测效果。但是绝大多数故障报还无法做到预测，故障报触发意味着故障已经发生了。如果在某些重要故障发生前能有一定概率预知，并提前做出决策，将会有可能减少部件拆换的概率与飞机延误的时间，降低维修成本的同时提高飞机维护水平。现在的维护决策其实多靠人的判断，附加关联手册，或者某些ISI、TFU 等技术文件进行参考，系统并没有给一个智能化的排故解决方案来缩短一线工作者的决策时间，提高排故品质与效率。除了某架飞机的特定故障之外，系统还缺少对整个机队所有飞机历年的故障信息进行深度分析并生成维护决策的功能。故本文认为“故障预测”和“智能决策”是未来南航“天瞳”系统最需要突破的研究方向。
2.2 规划与设计
未来什么样的飞机健康管理系统才是符合“数字化驱动，智能化维修”的系统呢？本文认为需要满足如下特征：
1) 更多的数据采集
如何才能更好地进行数据分析，大量不同种类的数据采集是基础。现在的飞机健康管理系统主要数据大多来源于飞机ACARS 触发的报文。例如故障报、ACMS 报、AOC 报等，监控数据比较单一。系统应该更多融入QAR/DAR/SAR 数据以及部件可靠性数据，包含拆换件数据、排故数据、部件监控数据等，将其统一融入监控数据池中，以便更好地利用，实现更多的价值。数据最好进行清洗和标签化，这样才可以高效利用，最终目的是开发成知识图谱，作为智能解决方案的理论基础。
2) 更精准的数据获取
数据并不是越大越好，大数据并不简单认为是大量的数据，而是有价值的数据。无论是飞机通过ACARS 触发的数据，还是通过飞机内置手机网络下发的数据，都会有相当一部分数据的利用是低效的，会白白花费不菲的ACARS流量费与手机流量费。所以更加精准的获取有价值的数据，并通过技术手段减少无效数据的触发，则会大大提升监控效率，降低数据流量成本支出。
3) 更强大的故障分析预测功能
故障预测，尤其是故障报的预测，最直接的应该是获取飞行警告系统的故障触发逻辑，但实际上由于飞机制造厂商技术保密性要求，类似资料很难获取到。如此可以尝试通过IT 算法工程师，凭借海量的数据分析，从结果触发倒推算法故障模型，推测出警告触发机制，但这样的警告触发机制可能与实际结果有一定偏差，为此还需要通过海量飞机故障信息、故障发生时间范围，结合飞机机龄、零部件监控值等，寻找相关规律推算给出下一阶段故障发生概率，结合算法故障模型，进行一定程度上的故障预测，并使用机器学习对准确度进行训练。
4) 更智能化的维护决策机制
如何提升维护决策的准确度，知识图谱是关键，通过海量飞机故障信息、拆换件信息、部件可靠性信息、历史排故措施等数据构成关联关系，由系统通过相关的条件触发形成对应知识图谱，根据知识图谱生成解决方案，通过后台记录用户行为（用户点击次数、用户反馈解决方案是否有效等），精准推荐最适合用户的TOP10 解决方案。
对于整个机队的故障分析，需要建立飞机“全生命周期”画像，包括整个机队每架飞机的动态故障画像，并进行历史情况动态对比，发生异常波动时关联历史数据推荐维护方案。
5) 更全更深入的专项监控标准
如何才能拥有高效的监控，只满足于标准报文的监控是远远不够的，南航机务一直从一线排故痛点出发，坚持问题导向进行专项监控的研发，除了上文提到的那些监控外，还研发出发动机燃油喷嘴监控、飞机迎角传感监控、飞机活门状态监控等多种类型的专项监控，不断致力于优化完善具有“南航标准”的全新飞机健康监控标准。
6) 更细节的功能设计
用户如何才能在使用飞机健康管理系统中获得更多的体验感，细节把控尤其重要。在设计系统中要树立服务意识，想人之所想，急人之所急。在细节中体现质量，在功能中体现服务。例如故障信息推送、故障等级定义标记，客户化监控等功能则就是以用户为本设计的特色功能，变“要我监控”为“我要监控”。
南航的“天瞳”系统现已满足了上述部分特征，其他未完成的特征均已列入了开发计划，正在逐步完善实现中。
打造高度数字化智能化的飞机健康管理系统绝非一日之功，“故障预测”和“智能决策”机制现在尚属于设计研究阶段，离真正投入使用还有很长的一段距离，尤其是将准确性提升至一个可接受的范围并没有想象中的那么容易。南航“天瞳”系统还有许多功能需要完善，还有很长的路要走。为实现飞机健康管理系统的更高层次跨越，单靠南航一家之力是远远不够的，各航空公司需要联合起来，集思广益，共享协作，共同发展，大力推动飞机健康管理体系建设持续高质量发展，为智慧民航贡献力量。
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