航空发动机预测与健康管理关键
技术研究
中航工业西安航空计算技术研究所
中航工业计算所
中航工中航工业业西安航空西安航空计计算技算技术术研究所研究所
大数据与航空科技
汇报人：牛 伟
2015年 4月18日
中航工业计算所
汇报目录
大数据在航空领域中的应用大数据在航空领域中的应用
应用实例及数据分析方法应用实例及数据分析方法
大数据在航空领域中的应用大数据在航空领域中的应用
结束语结束语
中航工业计算所
大数据在航空领域中的应用
为什么需要大数据？
实现智能生产
降低工业和资源的配置成本，使得生产过程更加高效；
实现规模定制
提升产品的针对性，极大地减少库存，优化供应链。
中航工业计算所
大数据是什么？
全
属
性
全
生
命
周
期
全
价
值
链
大数据是基于产品
全属性的、全生命周
期的数据资源集合。
大数据为全价值链
提供服务。
大数据在航空领域中的应用
中航工业计算所
★航空工业中的大数据
GE通过在其产品中增加更多的传感器来获取海量数据，帮
助公司提高其飞机引擎、电力等设备的能源效率；
GE打造“工业互联网”= 传感器+大数据。
电能消耗的可视化发送电能消耗数据的GE动力涡轮机
大数据在航空领域中的应用
中航工业计算所
★航空生产中的大数据
针对维护、停机管理、燃料消耗等情况的数据分析，提高资产运
营效率和生产效率。
大数据在航空领域中的应用
中航工业计算所
★航空装备维护中的大数据
通过对维修信息和状态监测信息的高效分析与处理，提供
装备的故障定位、诊断及预测，实现自主保障维修。
大数据在航空领域中的应用
中航工业计算所
★民用航空领域中的大数据
航空公司大数据商业化的核
心在于旅客的细分，针对不同的
旅客群体, 制定不同的营销和服
务的策略，实现收入提升和成本
控制的目标。
大数据在航空领域中的应用
吸烟室的旅客数量
儿童游乐区的儿童数量
乘坐摆渡电瓶车的旅客数量 航班之间的停机位
航程忍耐度
航班延误 保险单
。。。。。。
乘务员服务的难度就会增加
中航工业计算所
实时变化 规模巨大形态多样
★航空装备中的大数据
航空装备涉及大量传感器、指
挥与控制系统数据，随态势实时
变化，形成实时数据库；
信息化作战的大数据直接影响
航空装备作战效能的发挥。
大数据在航空领域中的应用
中航工业计算所
汇报目录
大数据在航空领域中的应用大数据在航空领域中的应用
应用实例及数据分析方法应用实例及数据分析方法应用实例及数据分析方法应用实例及数据分析方法
结束语结束语
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法——背景背景
11
《新科学家》：MH370的发动机制造商罗尔斯罗伊斯公
司表示，他们位于英国德比的全球发动机健康监测中心曾收
到失联的波音777飞机上的遄达（Trent）800发动机发送的
两份数据报告。一份报告是MH370航班在吉隆坡国际机场起
飞时发出的，另一份是在飞机爬升过程中发出的。
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法——背景背景
罗尔斯.罗伊斯全球发动机健康监测中心为了监控上千台Trent发动
机工作状态，建设了Engine Health Management系统(EHM)，这套系
统可以让工程师知道发动机工作状况以便合理安排发动机使用和维修
时间，同时为设计更合理的发动机储存参数。
罗尔斯·罗伊斯全球发动机健康监测中心
飞机引擎实时监控 ——“大数据引擎”
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法——项目项目
★航空发动机状态监测与维修服务支持系统
实时状态监测技术
综合诊断与专家系统技术
维修决策支持技术
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
通过航空发动机健康管理专
用传感器、EEC以及维修中
心收集大量信息；
从海量数据中挖掘可用信息；
建立航空发动机状态监测与
维修服务支持系统。
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法——体系结构体系结构
航
空
发
动
机
状
态
监
测
与
维
修
服
务
支
持
系
统 操作系统、网络环境、硬件设备
XMLXML映射映射
维修决策
输
出
层
业
务
逻
辑
层
数
据
层
基
础
层
基本基本
数据数据
管理管理
使用使用
数据数据
管理管理
接系接系
口统口统
管集管集
理成理成
状态状态
监测监测
故障故障
诊断诊断
及趋及趋
势预势预
测测
故障数据
状态参数（转速、温度、
压力等）
维修数据 ……
状态状态
监测监测
使用使用
数据数据
管理管理
基本基本
数据数据
管理管理
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
诊断结论
模型构建
数据探索
数据预处理
数据预处理
消除冲突数据、滤除噪声、平
滑处理等。
数据探索
确定数据关系、关键参数、影
响因素等。
模型构建
确定故障模式，建立模型。
诊断结论
确定系统健康状态。
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法——研究框架研究框架
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
状态监控 其他
自适应预
测模型
预测数据
数据预处理数据预处理
知识发现
结论
历史数据
指标性参数，
关联关系
去噪、冲突
诊断模型
数
据
使
用
数
据
处
理
贝叶斯模型
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
科学问题：数据的表达如何充分体现数据的内在规律
主要挑战：发动机健康管理监测数据的复杂性
数据的分布问题
数据复杂关联，样本分布不代表数据分布；
数据的结构问题
数据的结构聚集导致时空不均匀问题；
数据的尺度问题
数据多尺度并存带来表达尺度选择问题。
1）高维度尺度下，发动机状态规律的特征刻画与统一描述方法
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
科学问题：航空发动机全量全模态大数据计算理论与方法
主要挑战：传统方法利用多项式时间近似或优化算法不再适用
研究思路（简约计算 N -> K）：通过核数据、采样等手段实现模型的
精简和算法的快速收敛，达到简约计算。
N K
全量全模数据 核数据
发现全量全模
态(N)数据中的
核数据进行有
效近似
通过采样实现
多重小样本对
于全量数据的
有效近似
X1, …… Xn
X1* (1), …… Xn* (1)
X1* (2), …… Xn* (2)
X1* (m), …… Xn* (m)
… …
2）多时空尺度下，发动机全量全模数据的特征分析方法
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
发动机监测数据图谱及空间图谱分析
通过建立多模态的高维数据张量模型，实现发动机监测状态数据的
完整表示。
针对发动机的状态运行周期和迁移规律对全量全模数据进行张量分
解，提取能够有效近似的核数据，并通过信息熵等方法实现发动机运
行状态的区分度计算与聚类分析。
中航工业计算所
附件清单附件清单
车间修理进程车间修理进程
车间故障车间故障
可靠性数据可靠性数据
性能数据
滑油消耗量数据
航线偏差数据
飞行小时循环
拆发期限
预计的备发情况
更换的发动机
计划拆发日
零件报废率
修理成本数据
年度预算数据
零件报价清单
使用过程数据 状态监控数据 维修计划数据 成本预算数据
应用案例及数据分析方法
数据集合
……
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
性能参数
压缩机效率(CE)
压缩机流量(CF)
涡轮效率(TE)
涡轮流量(TF)
管道压力下降
(DPD)
燃烧室压力下降
(BPD)
观测参数
燃油流量(FF)
气流流量(AF)
压缩机排气压力
(CDP)
压缩机排气温度
(CDT)
排气温度(EGT)
指指
标标
性性
参参
数数
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
数据采集器数据采集器
随机随机误误差差
X Y
E+
参数 数值比例
CE
CF
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
CE CF BPD TFTE
FF
DPD
AF CDP CDT EGT
传传
统统
全全
模模
型型
结结
构构
拖尾问题
计算关系复杂
中航工业计算所
双峰分布
应用案例及数据分析方法
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
压缩机效率和涡轮效率线性相关！
参数压缩机效率(CE)和涡轮效率(TE)
中航工业计算所
航空大数据应用
10
概
率
辅助变量 的概率表示
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
0
概
率
1
TE
CE
与 的分布
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
CF BPD TE
FF AF CDP CDT EGT
CF BPD TE
FF AF CDP CDT EGT
CE CF DPD
FF AF CDP CDT EGT
CE CF DP DBPD
FF AF CDP CDT EGT
CE CF TEBPD
FF AF CDP CDT EGT
CE CF DPDTE
FF AF CDP CDT EGT
CE CF BPD
FF AF CDP CDT EGT
CE CF BPD DPDTE
FF AF CDP CDT EGT
CE CF
FF AF CDP CDT EGT
70
%
DPD:%
BPD:%
60%
TE:13%
CE: %
CF: %
TF:%
中航工业计算所
应用案例及数据分析方法
CF的分布对比CE的分布对比
HBFD模型与全模型之间的比较
中航工业计算所
汇报目录
大数据在航空领域中的应用大数据在航空领域中的应用
应用案例及其数据分析方法应用案例及其数据分析方法
结束语结束语结束语结束语
中航工业计算所
结束语
新思维
中航工业计算所
结束语
新方法
中航工业计算所
思考
大数据并不是对传统数据分析方法的代替，而只是一
种补充，对非结构化数据的分析还要依赖于传统的方法；
小数据为主，大数据为辅；
业务驱动数据应用；
正确理解和使用大数据：数据的真实性，分析方法的
正确性，分析结果的适用性。
结束语
中航工业计算所
结束语
大数据，大影响！
——用数据驱动航空产业变革和经营
创新！
中航工业计算所
