作者：房红征，于功敬，董云帆，樊煥贞

摘要

航空发动机的构成极其复杂，部件之间的相互作用和影响广泛，并且机理复杂。我国航空发动机缺乏正向设计经验，因而一旦发动机发生故障，很难进行基于设计图纸和数学模型的正向推理。国产发动机试验和试飞过程中的相当一部分故障，在寻找原因的时候，由于缺乏完整的机理和模型库，无法准确对故障进行定位、演绎和推理。本文结合航空发动机故障诊断应用需求实际，结合传统中医理论中的整体观念、动态辩证观以及经验积累的方法，抽象出新的方法论，利用中医诊断理论的思维方式，提出了航空发动机故障诊断的新技术。通过研究，基于中医整体建模、辨证论治思维及经验积累的方法论，建立新的发动机故障诊断理论体系，提高航空发动机的系统级诊断能力，为实现航空发动机地面测试与运行阶段海量数据的充分利用提供基础，为装备典型功能系统的多参数之间的综合分析评估、预测提供支撑，为长期服役复杂装备高可靠、长寿命的设计工作提供强有力的依据，确保装备的稳定健康运行。

关键词：航空发动机，中医理论，故障，诊断

I. 引言

我国航空发动机工业缺乏正向研发积累。

我国目前尚缺乏正向研发的、全自主知识产权的发动机型号，绝大多数重点国产型号发动机技术（例如目前国产已经批产阶段的推重比 7 以上的重型涡喷发动机）为逆向研究而来，在某种程度上存在“知其然、不知其所以然”的现象[1]。如对发动机关键部件损伤机理和发动机健康管理基础构架设计缺乏深刻的理解，在健康管理方面缺乏自上而下的正向设计理论体系作为理论支撑。从科研体制看，我国目前航空发动机的研发是跟随型号的，即研制一款飞机，才会去研发一款配套的发动机；飞机如果下马，发动机也随之下马[2]。但英美等发达国家，发动机与飞机的研发是分开的，发动机核心机的研发更是重中之重，要比发动机型号和飞机型号的研制提前很多。以“太行”涡扇发动机为例，其核心机就源于 CFM-56。其虽已研制成功 11 年了，但是拆解 CFM-56 的难度仍然很大， CFM-56 的维护都是由专业公司来完成的，国内无法维护。缺乏正向设计经验，依靠揣摩和模仿，根本无法将其机理彻底摸透[3]。该型发动机在 05 年完成设计定型，但 11 年过去了仍然问题不断，只用在双发的歼 11 战斗机上。单发的歼 10 战斗机对发动机可靠性要求高，直到歼 10B 量产，歼 10 系列战机都只能采用俄制 AL-31FN 发动机。

2.发动机故障机理复杂，故障难“归零”

航空发动机的构成极其复杂，部件之间的相互作用和影响广泛，并且机理复杂。我国航空发动机缺乏正向设计经验，因而一旦发动机发生故障，很难进行基于设计图纸和数学模型的正向推理。国产发动机试验和试飞过程中的相当一部分故障，在寻找原因的时候，由于缺乏完整的机理和模型库，无法准确对故障进行定位、演绎和推理。只能依靠穷举法，对各个相关部件进行依次实验，寻找根源。由于经费所限以及系统复杂，这样的故障诊断方案大多数无法完成，导致故障无法“归零” [4]。

3．中医理论思维对发动机健康管理具有启发作用

由上文所述，如何根据我国军用航空发动机行业现状，摸索出一套既符合现有实际情况(缺乏正向设计能力、缺少实际设计经验)、能够解决现存问题(相当一部分发动机故障机理未能掌握)，并且和国际先进水平接轨的发动机健康管理解决方案，是当下迫切需要解决的问题。由于目前我国军用航空发动机行业现状缺少正向设计能力、缺乏故障机理研究等特点，这与西方国家如美国开展的发动机诊断与健康管理的前提和条件不尽相同[5]，因而要满足目前国内军用航空发动机健康管理的需求，除借鉴已有的西方先进的发动机健康管理系统的设计和技术、经验外，还应该根据国内的具体情况如技术成熟度水平和发展现状，开辟出一条独特符合中国国情的发动机健康管理技术途径。传统中医理论中的整体观念、动态辩证观以及经验积累的方法论，更适合目前我国航空发动机故障诊断和健康管理的现状和国情，具有诸多的借鉴意义。从中医理论思维出发，或许能开辟出发动机健康管理的一条全新技术路径。

II.中医理论体系研究

中医学以阴阳五行作为理论基础，将人体看成是气、形、神的统一体，通过“望闻问切”四诊合参的方法，探求病因、病性、病位、分析病机及人体内五脏六腑、经络关节、气血津液的变化、判断邪正消长，进而得出病名，归纳出证型，以辨证论治原则，制定“汗、吐、下、和、温、清、补、消”等治法，使用中药、针灸、推拿、按摩、拔罐、气功、食疗等多种治疗手段，使人体达到阴阳调和而康复[7]。

中医理论体系有三个基本特点：“天人合一”的整体观念、“阴阳五行”的动态辩证论治以及“神农尝百草式”的经验积累方法论。

“天人合一”的整体观念

中医的整体观念其内涵有二：一是认为人体是一个有机的整体；二是重视人与自然界的统一。中医把人体看成一个以心为主宰，五脏为中心的统一体，这个统一体可分为五个系统。五个系统通过经络相互连结在一起，而以气、血、津液为其活动的物质基础，同时又通过相生相克而相互调节，维持整体水平的协调和平衡；中医在整体观念指导下，衍生出了一个重要观点，就是“平衡”，强调人与外界环境的平衡；强调人体内各部分的协调与平衡[8]。这种整体观念贯串于中医的生理、病因、发病、诊断、治疗、养生等所有领域。

图 1.中医依据“五行”建立的人体作用模型

因此，在上述这种整体观念指导下，中医在诊察疾病时，总是考虑到疾病发生的季节，患者的居住环境、生活条件、饮食嗜好等自然环境及社会环境。患者某一部位的病变，不会仅注意患病的局部，更会从上面说的五个系统内部之间的关系来分析或从五个系统之间的关系来分析。中医不是“头痛医头，脚痛医脚”，而是根据整体系统的内部关联，寻找病症根源，通过“治本”来达到“治标”的目的。

2.“阴阳五行”的动态辩证关系

动态的“辩证论治”，是中医所特有而西医没有的[8]。西医是对症治疗，也就是头痛医头、脚痛医脚。而中医是根据诊断的病理结论，选取诊断的手段，而不局限于所诊断的部位。中医能够进行动态的辩证论治，其核心就在于不局限于表面发生的现象，而是以整体观、动态视角为基础，针对每个特殊的个体，寻找发生相同和不同现象背后的本质病理，以及人体各个系统之间的相互关联影响。然后根据病理，再得出诊治方案。

根据上述分析，中医不但把人体器官的功能用“行”来描述，形象反映各自功能；另外，用“阴阳”理论阐述了各“行”之间的相互关系，附之以“相生相克”学说进行补充，系统全面了概括了人体的工作模式。

3.“神农氏尝百草式”的经验积累

中医进行辨证诊断的准确性，和中医本人的经验积累呈正相关的关系[9]。因而常有老中医诊断更精到、更令人信服的现象[10]。由于中医重在对人体各系统间相互影响机理的考察和思辨，而系统间的影响机理极为复杂[11]，因而经验的积累所形成的直觉判断能力对于中医而言至关重要。

根据中医经验积累方法论的启发，在发动机故障诊断和健康管理的过程中，依照中医“经验积累”的过程，在完成发动机多作用场整体建模后，对发动机多个作用场的运行数据进行全面收集，以过往数据为基础，对发动机的故障及其机理进行积累和学习。

这种积累和学习是以大量的“经验”作为基础的。因而对于“直觉判断”能力的提升是正相关的。这种学习的目的是为了通过过往的数据，感知发动机各个作用场及其所涉及的参数之间的相互影响和关联关系，得到基于发动机多作用场全局数据的深度关联神经网络。从而为辩证诊断提供依据

III．发动机健康管理研究

1．发动机健康管理（ PHM）同医学的关系

发动机健康管理技术的对象是发动机整体以及各分系统部件；医学的对象是人体各循环系统、脏器器官。二者在本质上，都是针对特定对象，进行理论建模、信息采集、诊断评估和实施改进措施的过程。

2．中西医思维的差别

若将发动机视为人体，对其进行诊治，则有两种截然不同的思路：一种是借鉴西医的归纳法式思维，注重从特殊到一般，总结出体现事物运行规律的理论和模型体系，体现事物的共性。归纳法的弊病在于容易犯不完全归纳的毛病，无法找出真正普适的规律。目前西方先进的航空发动机制造厂商因为其正向设计的经验、完备的理论体系以及完整的模型库，具备了使用类似西医的归纳法式思维进行发动机诊断与健康管理的条件。而我国发动机研制单位由于缺乏正向设计、缺乏完备的理论模型库，例如在专家系统方面，只有片面的、不完整的知识，知识库水平严重滞后，难以给出深度刻画健康参数之间关联关系的、完备成体系的专家知识体系。由此导致在应用归纳法时容易有不完全归纳的短板，无法建立有效的发动机健康管理体系。

另一种是借鉴中医的演绎法式的思维，从一般到特殊，根据前人由经验总结和实践演绎建立的整体诊治理论体系，进行闭环演绎，对个体发动机的独特的故障进行整体的、系统的、全面的、动态的体察，因“人”施治，从发动机内在机理之间的相互作用、相互影响的角度出发，进行发动机的故障诊断、预测和健康管理。

3．中医思维式的发动机健康管理更符合国情

要言之，归纳法和演绎法之间，中医和西医之间，并不是矛盾的。而是相辅相成，互补的。二者都被证明是行之有效，有价值和意义的。选择其中一种思维方式，并不意味着对另一种思维方式的背离。在具体实践中，可以有主有辅，相互结合。但必须清楚的是，两种思维所依据的前提是有所不同的。

我们在选择技术路线的时候，不仅要学习借鉴西方先进的方法论，同时也要考虑具体国情，因地制宜地选择最恰当的方法。由上文所述，根据我国航空发动机行业目前的现状，由于缺乏正向设计完备性，国内尚不具备完整归纳（归纳法行之有效的条件）的前提。因而根据中医的演绎法式的思维获取启发，也许更加现实、更具有实际指导意义。

Iv. 基于中医理论的航空发动机故障诊断基础理论的建立

基于“天人合一”中医整体观的发动机整机建模技术

人体是以心为主宰，五脏为中心的统一体，这个统一体可分为五个系统。

人体以五脏为中心，分为五个系统，通过经络相互连结在一起，而以气、血、津液为其活动的物质基础。

发动机系统一般由发动机主机机、传动系统、润滑系统、控制系统、健康管理系统组成。依据中医的整体观，可将发动机作如下图所示的建模：

图 2.“天人合一”整体观的发动机核心系统

1）五脏依据“天人合一”的整体观，以能量流传递、作用的视角，发动机可以视作以机械结构、滑油路、气路、燃油路、控制系统这“五行”为中心的统一体。

图中的五行同人体的心、肝、脾、肺、肾的类比为近似的对比，参考的是中医对人体建模的思维方式，并非完全一一对应的映射。

中医理论中，心、肝、脾、肺、肾五行并非指心、肝、脾、肺、肾器官本身，而是指以心、肝、脾、肺、肾为主的五大体内循环系统。

因而参考中医理论中对五行的定义，可做以下类比：

心为人体能量之源，因而将燃油路（包含燃烧室、输油路等）类比于人体的“心”循环。

肝主怒，肝伤则易怒，脾气暴躁。滑油路主导发动机的传动及其附件，决定发动机的工作状态，因而将滑油路类比于人体的肝循环。

脾胃不和，则肌肉不发达、四肢无力。主筋骨。因而将机械结构类比于人体的脾循环。

肺主呼吸、新陈代谢，为人体提供氧气，因而将气路类比于人体的肺循环。

肾主精力，肾功能不强时，影响骨骼健康，因而将控制系统类比于人体的肾循环。

2）气、血、津液空气/燃气、燃滑油、电作为发动机工作的物质基础，以“场”为媒介互相作用、相互调节，维持工作状态的协调和平衡。

图 3.航空发动机各作用场

3）人体“经络” 对于航空发动机健康管理技术研究，将发动机子系统交互作用媒介看作一个宏观的“场”，即对应人体“经络”，由六部分构成：气路场、温度场、振动场、油路场、声场、红外场

4）人体“穴位” 用于发动机健康管理的传感器关键测点，即为经络中的“穴位”，通过众多“穴位”不同状态，判断发动机健康状况。

2..基于中医“阴阳五行”辨证论治方法论的增强检测

中医理论中将阴阳五行的金、木、水、火、土同心、肝、脾、肺、肾相对应。金、木、水、火、土肺（大肠）、肝（胆）、肾（膀胱）、心（小肠）、脾（胰、胃）。压气机（风扇、压气机）、燃烧室（主燃、加力）、涡轮（高压涡轮、低压涡轮）、传动系统（主轴、附件传动）、控制系统（ ECU、传感器、执行机构、燃油泵）

图 4“阴阳五行”辩证观的发动机核心系统与人体五行对比

依据“天人合一”的整体观，以能量流传递、作用的视角，可将发动机视作以压气机、燃烧室、涡轮、传动系统、控制系统为中心的统一体。其中，每一个子系统之间通过机械、气路、电气等方式耦合作用、相互联系，如图所示。

1）能量流主线：

 控制系统给定发动机主燃油，燃烧室中进行燃烧产生热能；

 高温燃气经过涡轮，将热能转化为动能；

 动能使涡轮带动发动机传动系统转动；

 进而带动压气机做功；

 燃气轮机工作循环建立，同时各子系统将自身状态参数反馈到控制系统，保障控制系统正常工作。

2）相互联系支线：

 后级部件的气流状态，作为前级部件的出口边界条件，具有反作用；

 前级部件气路状态发生变化，对于后面级几乎所有部件气路都产生影响；

 产生功率传递的部件之间，都存在机械特性的耦合（磨损、振动等）。

3．基于中医“神农尝百草”经验积累方法论的发动机故障诊断

图 5 基于中医理论的发动机故障诊断方法

参照图 5，诊断方法描述如下：

 健康管理研究，将发动机故障诊断比作人体医治疾病；

 人体经络即为五脏相互作用机理，穴位为身体健康状态的表征途径，构成人体运行机理；分别与发动机物理场、关键测点对应。

 中医望闻问切即通过不同感官收集人体信息，与发动机健康管理系统通过不同测点采集多源信息对应；

 中医通过对于上述人体运行机理的认知，形成了普适性的病理知识、经络知识；与发动机健康管理研究形成故障模型与故障效应分析相对应；

 基于信息和病理知识，并结合经络知识，可判断病症（治标）、确定病源（治本）；

 通过经验的积累，可不断对于病理知识（故障模型）进行补充和完善，提高中医（健康管理系统）的思辨与判断能力。

参考文献

[1]王志,艾延廷,沙云东.基于神经网络的航空发动机整机振动故障诊断技术研究[C].沈阳:辽宁省航宇学会动力装置专业第十四届学术交流会.2006:66-73

[2]艾延廷,王志,沙云东.基于 LMSTest.lab 的航空发动机整机振动测量与分析[C].LMs 技术交流会议,2006

[3]王志,艾延廷,沙云东.基于 BP 神经网络的航空发动机整机振动故障诊断技术研究[J].仪器仪表学报,2006(已录用)

[4]艾延廷,何家葵,王志,闻邦椿.内燃机整机振动模糊自适应主动控制技术研究[J].内燃机工程,2004,25(6):55-59(已被 El 检索)

[5]艾延廷,王志,甘世俊.多自由度车辆模型半主动悬架模糊控制[J].振动与冲击.(已录用)

[6]艾延廷 , 王志 .内燃机整机振动神经网络自适应主动控制技术研究 [J]. 内燃机工程,2006,27(1):71-75

[7]李致重.从国学看中医[J]. 中医药通报,2006,5(1):1-4.

[8]沈自尹.再从证的研究探讨中、西医的互补性［ J］ .中国中西医结合志， 1999,19(3):180-182

[9]李振吉，于文明，张先恩，等.973 计划中医理论基础研究专项实施概要(2005-2009) [M].北京: 中国中医药出版社， 2011.

[10]李致重.论中、西医的不可通约性[J].科技导报， 2001(8):24-27.

[11]周鸿艳，李志平，李和伟.近代中医教育的反废止努力: 以课程教材建设为例[J].中国中医药信息杂志， 2010,27(4):131-132.

【转载】基于中医诊断理论的航空发动机故障诊断技术