用于飛機(jī)熱交換器的污染診斷的基于小波的分析的制作方法
【專利摘要】一種用于評估飛機(jī)的熱交換器的污染狀態(tài)的方法和設(shè)備。獲得與所述熱交換器的操作有關(guān)的參數(shù)的訓(xùn)練傳感器測量，并且將小波變換應(yīng)用于所述訓(xùn)練傳感器測量以獲得小波數(shù)據(jù)。對所述小波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減以獲得指示所述訓(xùn)練傳感器測量的代表特征。然后訓(xùn)練分類器來將合適的污染類別分配給所述代表特征。將所述受過訓(xùn)練的分類器用于來自所述熱交換器的測試傳感器測量以將污染類別分配給所述測試傳感器測量以便評估所述熱交換器的污染狀態(tài)。
【專利說明】
用于飛機(jī)熱交換器的污染診斷的基于小波的分析
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)并且具體地涉及用于評估ECS的熱交換器的污染情況的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)具有兩個基本功能:i)提供新鮮的客艙空氣供應(yīng)，并且ii)將熱控制和空氣壓力傳送到飛機(jī)客艙以便為乘務(wù)人員和乘客提供舒適感。ECS的一個部件是熱交換器，所述熱交換器通過對發(fā)動機(jī)排出空氣進(jìn)行適當(dāng)冷卻來保持以上兩個功能。飛機(jī)熱交換器可遭受由于稱為污染的現(xiàn)象所導(dǎo)致的性能退化，當(dāng)存在會污染熱交換器翅片表面的外部物質(zhì)、碎片和/或有機(jī)體的不期望的積聚時，發(fā)生所述污染。污染通過降低熱效率、引起熱通量減少以及增添熱交換器的冷卻機(jī)構(gòu)上的應(yīng)力來降低熱交換器的性能。由于在污染發(fā)生的頻率，通常安排熱交換器進(jìn)行定期維護(hù)，因此導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和飛機(jī)操作的不期望的中斷。因此，需要開發(fā)實(shí)時診斷工具以用于對熱交換器的污染進(jìn)行現(xiàn)場檢測和診斷。
[0003]由于污染發(fā)生在復(fù)雜的環(huán)境中，在這些環(huán)境中，如海拔高度、環(huán)境溫度以及乘客載荷的參數(shù)會變化，因此在地面上的維護(hù)操作期間診斷污染情況可能有難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個方面，評估飛機(jī)的熱交換器的污染狀態(tài)的方法包括:獲得與熱交換器的操作有關(guān)的參數(shù)的訓(xùn)練傳感器測量;將小波變換應(yīng)用于訓(xùn)練傳感器測量以獲得小波數(shù)據(jù);對小波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減以獲得指示訓(xùn)練傳感器測量的代表特征;訓(xùn)練分類器來將合適的污染類別分配給代表特征；以及將受過訓(xùn)練的分類器應(yīng)用于來自熱交換器的測試傳感器測量以將污染類別分配給測試傳感器測量以便評估熱交換器的污染狀態(tài)。
[0005]在另一個方面，用于評估飛機(jī)的熱交換器的污染狀態(tài)的設(shè)備包括:熱交換器的模型；一個或多個傳感器，所述一個或多個傳感器被配置來獲得與熱交換器的模型的操作有關(guān)的參數(shù)的訓(xùn)練傳感器測量；以及處理器，所述處理器被配置來:將小波變換應(yīng)用于訓(xùn)練傳感器測量以獲得小波數(shù)據(jù)，對小波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減以獲得代表特征，訓(xùn)練分類器來將合適的污染類別分配給代表特征，并且將受過訓(xùn)練的分類器應(yīng)用于來自熱交換器的測試傳感器測量以將污染類別分配給測試傳感器測量以便評估熱交換器的污染狀態(tài)。
【附圖說明】
[0006]在說明書結(jié)尾處的權(quán)利要求書中具體指出并明確要求被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。根據(jù)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳述，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，在附圖中:
[0007]圖1示出飛機(jī)的示例性環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)，可以使用本文所公開的方法對所述飛機(jī)進(jìn)行診斷；
[0008]圖2示出適合于使用從圖1的傳感器獲得的測量來評估ECS的污染情況的系統(tǒng)；
[0009]圖3A和圖3B示出在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中的示例性方法的示意圖，所述示例性方法用于評估ECS的污染情況;并且
[0010]圖4示出用于熱交換器模型的傳感器數(shù)據(jù)的小波域中的各種小波表面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明使用對來自ECS的模擬數(shù)據(jù)或訓(xùn)練數(shù)據(jù)的小波分析以及數(shù)據(jù)縮減方法來評估飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)的污染水平。本文所公開的方法使用分類器，使用從對時域測量的小波分析以及這種小波變換后的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)縮減所獲得的特征來訓(xùn)練所述分類器。分類器于是能夠?qū)W習(xí)ECS的熱交換器的模型在不同污染情況(包括沒有污染的正常情況)下的行為。然后可將受過訓(xùn)練的分類器用于來自ECS的實(shí)時數(shù)據(jù)以確定ECS的污染水平。因此，本文所公開的方法可用來操作ECS并且監(jiān)測且/或調(diào)節(jié)ECS的操作。
[0012]圖1示出飛機(jī)的示例性環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)10，可以使用本文所公開的方法對所述飛機(jī)進(jìn)行診斷。ECS 100將加壓的并且受熱控制的空氣傳遞到飛機(jī)的飛行客艙。ECS 100包括熱交換器102、冷凝器(CND) 104和空氣循環(huán)機(jī)(ACM) 106。
[0013]熱交換器102接收來自飛機(jī)發(fā)動機(jī)的排出空氣以及沖壓空氣。在一個實(shí)施方案中，熱交換器102是板翅式熱交換器，所述板翅式熱交換器由堆疊在彼此之上的一組平行鋁板構(gòu)成。這些板之間的空間主要由方形翅片室組成，所述方形翅片室用來在排出空氣(熱)和沖壓空氣(冷)之間傳遞熱。加熱的沖壓空氣然后通過熱交換器102和ACM 106之間的第一流體線120循環(huán)，以便操作ACM 106。來自ACM 106的廢流體通過第二流體線122返回到熱交換器 102。
[0014]ACM 106是用于飛機(jī)的室內(nèi)制冷單元并且使用沖壓空氣作為介質(zhì)來冷卻調(diào)節(jié)后的排出空氣，所述排出空氣最終用于客艙冷卻。ACM106包括壓縮機(jī)108、第一渦輪機(jī)110和第二渦輪機(jī)112。壓縮機(jī)108用來壓縮沖壓空氣以增加其溫度和壓力。第一渦輪機(jī)110和第二渦輪機(jī)112利用壓縮后的沖壓空氣的熱能來使壓縮機(jī)108以及第一渦輪機(jī)110和第二渦輪機(jī)112所在的軸旋轉(zhuǎn)。
[0015]冷凝器104由于是用于將蒸氣轉(zhuǎn)換成液體的催化劑而促進(jìn)熱傳遞。第一渦輪機(jī)110可將氣體或蒸汽提供到冷凝器104以便冷凝?？蓪⒗淠裏岽鎯υ谑占瘑卧?14中，所述冷凝熱可從所述收集單元114循環(huán)到與冷凝器104熱連通的再熱器116。然后可在第二渦輪機(jī)112處使用再加熱的蒸汽。
[0016]熱交換器102、壓縮機(jī)108以及兩個渦輪機(jī)110和112以各種方式退化。熱交換器102由于表面污染而遭受污染。由于生物體在熱交換器102的表面上的生長或者由于非生物物質(zhì)(可以是有機(jī)或無機(jī)物質(zhì))的沉積，發(fā)生污染。污染的影響包括熱交換器表面的污染，所述污染進(jìn)而減少通過板翅片的沖壓空氣的流量，從而減少熱傳遞的量。這種退化影響熱交換器102的熱效率以及通過熱交換器102的熱通量。
[0017]將傳感器在各種位置處連接到ECS100以測量與ECS 100和/或熱交換器102有關(guān)的各種參數(shù)。壓力傳感器Pin測量傳到熱交換器102的排出空氣的輸入壓力。溫度傳感器THxi測量初級熱交換器輸出溫度，即，從熱交換器102循環(huán)到壓縮機(jī)108的氣體的溫度。溫度傳感器THX2?量二級熱交換器溫度，S卩，從壓縮機(jī)108循環(huán)到熱交換器102的廢氣體的溫度。溫度傳感器T?測量冷凝器入口溫度。溫度傳感器Tqut測量在ACM 106的輸出處的溫度。角速度傳感器ωΑα^量ACM 106(即，ACM 106的軸)的角速度。
[0018]圖2示出適合于使用從圖1中的傳感器獲得的測量來評估ECS100的污染情況的系統(tǒng)200。系統(tǒng)200包括控制單元202，所述控制單元202包括處理器204和存儲器存儲裝置206。存儲器存儲裝置206可包括非暫時性計算機(jī)可讀介質(zhì)，如固態(tài)存儲器裝置。存儲器存儲裝置206可具有存儲在其中的程序或指令208，所述程序或指令在由處理器204讀取時，允許處理器204評估ECS 100的污染情況。處理器204接收從圖1的傳感器獲得的測量并且將對ECS100的污染情況的診斷輸出到監(jiān)測器210以便顯示。例如，飛機(jī)的飛行員可以看見診斷，從而允許飛行員安排維護(hù)程序或者采取合適的飛行中的行動。在下文進(jìn)一步討論本發(fā)明的用于評估污染情況的方法。
[0019]圖3A和圖3B示出在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中的示例性方法的示意圖300，所述示例性方法用于評估ECS 100的熱交換器102的污染情況。方法包括訓(xùn)練階段(圖3A中示出)和測試階段(圖3B中示出)。訓(xùn)練階段使用一組訓(xùn)練傳感器數(shù)據(jù)，所述訓(xùn)練傳感器數(shù)據(jù)可以是從熱交換器102的模型產(chǎn)生的模擬傳感器數(shù)據(jù)或者來自實(shí)驗(yàn)室或受控設(shè)置中的熱交換器102的操作的數(shù)據(jù)。訓(xùn)練階段產(chǎn)生受過訓(xùn)練的分類器316，所述受過訓(xùn)練的分類器然后在測試階段中與從熱交換器102獲得的實(shí)時傳感器數(shù)據(jù)一起使用?？墒褂脠D2的處理器204來進(jìn)行或執(zhí)行訓(xùn)練階段和測試階段。
[0020]訓(xùn)練階段包括特征提取過程302、分類器訓(xùn)練過程304和分類器評估過程306。特征提取過程(“特征提取器”)302接收訓(xùn)練傳感器數(shù)據(jù)312。特征提取過程302包括小波分析過程(“小波分析器”)308和數(shù)據(jù)縮減過程(“數(shù)據(jù)縮減器”)310。在一個實(shí)施方案中，數(shù)據(jù)縮減過程310使用主成分分析(PCA)。小波分析過程302進(jìn)行訓(xùn)練數(shù)據(jù)312的小波變換以獲得在小波域中的對應(yīng)小波數(shù)據(jù)。小波數(shù)據(jù)包括傳感器測量的時間信息和頻譜信息。來自小波分析過程302的小波數(shù)據(jù)是進(jìn)入數(shù)據(jù)縮減過程310的輸入?？?在數(shù)據(jù)縮減過程310處)將主成分分析應(yīng)用于小波數(shù)據(jù)以減少數(shù)據(jù)的維度，從而允許在數(shù)據(jù)的主成分方面提取有用的特征。雖然本文中在示例性實(shí)施方案中公開了主成分分析(PCA)，但是可使用任何形式的數(shù)據(jù)縮減。這類數(shù)據(jù)縮減方法通常變換數(shù)據(jù)來獲得低維空間中的小波數(shù)據(jù)的一個或多個代表特征。特征提取過程302將代表特征發(fā)送到分類器培訓(xùn)過程304。
[0021]分類器培訓(xùn)過程304使用代表特征來對熱交換器102的污染情況進(jìn)行分類。在示例性實(shí)施方案中，污染情況可屬于三個類別中的一個。第一類別(例如，標(biāo)準(zhǔn)類別)包括從0%到25 %的污染水平，其對應(yīng)于最小的或不存在的污染。第二類別(例如，特殊類別)包括從2 5 %到5 O %的污染水平，其對應(yīng)于需要在下一次可用機(jī)會時檢修的污染量。第三類別(例如，特殊類別)包括從50 %到100 %的污染水平，其對應(yīng)于需要立即檢修的污染量。盡管在以上示例中討論了三個污染類別，但是可在另選的實(shí)施方案中定義任何數(shù)目的污染類別。熱交換器102的污染類別可以是已知的或先驗(yàn)定義的。
[0022]分類器訓(xùn)練過程304產(chǎn)生受過訓(xùn)練的分類器316，所述受過訓(xùn)練的分類器適合于在測試階段期間現(xiàn)場使用。受過訓(xùn)練的分類器316是使用在熱交換器102的各種污染情況(如“正常污染”情況和各種預(yù)定義的污染水平)下操作的ECS 100的模型來加以訓(xùn)練。受過訓(xùn)練的分類器316是在考慮數(shù)據(jù)中存在的不確定性的同時加以訓(xùn)練。這類不確定性可以包括過程或測量噪聲和未建模的物理動力學(xué)。為了訓(xùn)練受過訓(xùn)練的分類器316，小波分析過程308首先將從ECS的模型獲得的時域傳感器數(shù)據(jù)變換到小波域?？稍谛〔ㄓ蛑羞M(jìn)行在不同的污染情況下生成的噪聲縮減和增強(qiáng)模式。隨后，使用數(shù)據(jù)縮減過程310從小波域提取代表特征(例如，主成分)?？蓪⑦@些特征分類為不同的污染類別，然后由分類器訓(xùn)練過程304將其用來訓(xùn)練分類器314，以獲得受過訓(xùn)練的分類器316。在一個實(shí)施方案中，分類器314將k最近鄰(k-NN)算法用作決策函數(shù)，來在給定的一組訓(xùn)練傳感器測量的情況下對熱交換器的污染嚴(yán)重性進(jìn)行分類。然后可實(shí)施受過訓(xùn)練的分類器316以用于熱交換器102的實(shí)時污染診斷。
[0023]圖4示出用于熱交換器模型的小波域中的各種小波表面圖。按污染嚴(yán)重性遞增的順序示出小波表面圖。受過訓(xùn)練的分類器316利用來自從熱交換模型中的測量獲得的小波表面的特征來確定與測量相關(guān)聯(lián)的污染度。
[0024]分類器評估過程306可用來評估分類器314的性能。在一個實(shí)施方案中，可使用K折交叉驗(yàn)證(CV)算法318來評估分類器314的性能。對于每次迭代，傳感器數(shù)據(jù)被分成隨機(jī)的群組，其中所述群組的一部分被用于訓(xùn)練分類器314并且其余的群組用于測試分類器3141折CV算法318的多次迭代可列表成混淆矩陣320，所述混淆矩陣概括了分類器在將一個或多個類別正確地分配給與訓(xùn)練傳感器測量有關(guān)的代表特征方面的性能。混淆矩陣320可用來確定來自在K-折CV算法318的迭代過程中使用的所有測試點(diǎn)的正確分類的百分比。
[0025]現(xiàn)在參考圖3B，受過訓(xùn)練的分類器316在測試階段中用來確定來自熱交換器102的污染水平。從熱交換器102獲得傳感器數(shù)據(jù)336(也稱為“測試傳感器測量”)，如來自圖2的傳感器的溫度、壓力和角速度，并且將所述數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場特征提取過程330?，F(xiàn)場特征提取過程330包括小波分析過程332和數(shù)據(jù)縮減過程334。小波分析過程322和數(shù)據(jù)縮減過程334進(jìn)行的過程與圖3A的特征提取過程302所進(jìn)行的過程大致上相同。這些過程的結(jié)果是被發(fā)送到受過訓(xùn)練的分類器316的代表特征(S卩，主成分)，所述受過訓(xùn)練的分類器基于傳感器數(shù)據(jù)336做出類別決策以指示熱交換器102的污染類別。在各種實(shí)施方案中，類別決策可包括:確定污染水平，或建議安排對熱交換器/ECS的維護(hù)，或?qū)⑼ㄖl(fā)送給飛行員。
[0026]本發(fā)明因此提供用于對熱交換器污染的早期檢測以及其嚴(yán)重性水平的識別?？稍谙到y(tǒng)中存在各種不確定性的情況下進(jìn)行污染診斷以使錯誤報警和漏檢減到最少。因此可基于熱交換器的情況而不是使用定期維護(hù)程序來進(jìn)行飛機(jī)熱交換器的維護(hù)。基于情況的維護(hù)導(dǎo)致增加飛機(jī)熱交換器的服務(wù)中使用并且因此增加額外的飛機(jī)使用。
[0027]雖然僅結(jié)合有限數(shù)量的實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但應(yīng)易于理解，本發(fā)明不限于這些公開的實(shí)施方案。相反，可對本發(fā)明進(jìn)行修改，以并入以上未描述但與本發(fā)明精神和范圍相稱的任何數(shù)量的變化、改變、替代或等同布置。另外，雖然已描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方案，但應(yīng)理解，本發(fā)明的各個方面可僅包括所述實(shí)施方案中的一些。因此，不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明受限于前面的描述，而是僅受限于所附的權(quán)利要求書的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種評估飛機(jī)的熱交換器的污染狀態(tài)的方法，其包括: 獲得與所述熱交換器的操作有關(guān)的參數(shù)的訓(xùn)練傳感器測量； 將小波變換應(yīng)用于所述訓(xùn)練傳感器測量以獲得小波數(shù)據(jù)； 對所述小波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減以獲得指示所述訓(xùn)練傳感器測量的代表特征； 訓(xùn)練分類器來將合適的污染類別分配給所述代表特征；以及 將所述受過訓(xùn)練的分類器應(yīng)用于來自所述熱交換器的測試傳感器測量以將污染類別分配給所述測試傳感器測量以便評估所述熱交換器的所述污染狀態(tài)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱交換器是包括在環(huán)境控制系統(tǒng)中，所述環(huán)境控制系統(tǒng)具有空氣循環(huán)機(jī)，并且所述參數(shù)還包括以下中的至少一個:(i)熱交換器輸出溫度；(ii)冷凝器入口溫度；(iii)環(huán)境控制系統(tǒng)輸出溫度；(iv)環(huán)境控制系統(tǒng)輸入壓力；以及(V)空氣循環(huán)機(jī)的角速度。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱交換器的所述污染類別是先驗(yàn)已知的。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其還包括使用模式分類算法對所述代表特征進(jìn)行分類。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中訓(xùn)練所述分類器還包括應(yīng)用交叉驗(yàn)證算法來測試所述分類器正確地對所述代表特征進(jìn)行分類的能力。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在不同的污染情況下從所述熱交換器的模型獲得所述訓(xùn)練傳感器測量。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中訓(xùn)練所述分類器還包括建立污染分類種類。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括評估所述分類器的性能以減少錯誤報警和漏檢的數(shù)目。9.一種用于評估飛機(jī)的熱交換器的污染狀態(tài)的設(shè)備，其包括: 所述熱交換器的模型； 一個或多個傳感器，所述一個或多個傳感器被配置來獲得與所述熱交換器的所述模型的操作有關(guān)的參數(shù)的訓(xùn)練傳感器測量;以及處理器，其被配置來: 將小波變換應(yīng)用于所述訓(xùn)練傳感器測量以獲得小波數(shù)據(jù)； 對所述小波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減以獲得代表特征， 訓(xùn)練分類器來將合適的污染類別分配給所述代表特征，并且 將所述受過訓(xùn)練的分類器應(yīng)用于來自所述熱交換器的測試傳感器測量以將污染類別分配給所述測試傳感器測量以便評估所述熱交換器的所述污染狀態(tài)。10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述熱交換器是包括在環(huán)境控制系統(tǒng)中，所述環(huán)境控制系統(tǒng)具有空氣循環(huán)機(jī)，并且所述參數(shù)還包括以下中的至少一個:(i)熱交換器輸出溫度；(ii)冷凝器入口溫度；(iii)環(huán)境控制系統(tǒng)輸出溫度；(iv)環(huán)境控制系統(tǒng)輸入壓力；以及(V)空氣循環(huán)機(jī)的角速度。11.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述處理器還被配置來評估所述污染狀態(tài)，所述評估是通過對所述代表特征進(jìn)行模式分類算法以對所述代表特征進(jìn)行分類。12.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述熱交換器的所述污染類別是先驗(yàn)已知的。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中訓(xùn)練所述分類器還包括應(yīng)用交叉驗(yàn)證算法來測試所述分類器正確地對所述代表特征進(jìn)行分類的能力。14.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述處理器還被配置來在不同的污染情況下使用所述熱交換器的所述模型來訓(xùn)練所述分類器。15.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中訓(xùn)練所述分類器還包括建立污染分類種類。
【文檔編號】G06F17/14GK106054853SQ201610236989
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】A.A.西爾瓦, N.A.納加, S.古普塔, P.M.德奧爾蘭多, R.D.瓦爾薩爾
【申請人】哈米爾頓森德斯特蘭德公司, 康涅狄格大學(xué)