FR3035232A1 - SYSTEM FOR MONITORING THE HEALTH CONDITION OF AN ENGINE AND ASSOCIATED CONFIGURATION METHOD - Google Patents
SYSTEM FOR MONITORING THE HEALTH CONDITION OF AN ENGINE AND ASSOCIATED CONFIGURATION METHOD Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de configuration d'un système embarqué de surveillance de l'état de santé d'un moteur d'aéronef, le procédé de configuration comportant des étapes de : - (E1) simulation d'indicateurs de santé caractérisant le comportement du moteur, à partir d'un modèle thermodynamique du moteur, pour différents valeurs d'indicateurs de contexte caractérisant les conditions de vol ; - (E2) détermination d'un modèle mathématique du moteur, à partir des valeurs simulées, par régression de chaque indicateur de santé sur les indicateurs de contexte et les autres indicateurs de santé ; - (E3) configuration du système embarqué, pour l'estimation d'au moins un indicateur de santé, à l'aide du modèle mathématique du moteur, et en fonction de mesures des indicateurs de contexte, et de mesures des autres indicateurs de santé.The present invention relates to a method for configuring an on-board health monitoring system of an aircraft engine, the configuration method comprising steps of: - (E1) simulation of health indicators characterizing the engine behavior, from a thermodynamic model of the engine, for different values of context indicators characterizing the flight conditions; - (E2) determination of a mathematical model of the engine, from the simulated values, by regression of each health indicator on the context indicators and the other health indicators; - (E3) embedded system configuration, for estimating at least one health indicator, using the engine mathematical model, and based on measures of context indicators, and measures of other health indicators .
Description
1 Système de surveillance de l'état de santé d'un moteur et procédé de configuration associé DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des systèmes de surveillance de l'état de santé d'un moteur d'aéronef. ETAT DE LA TECHNIQUE Il est connu de surveiller l'état de santé d'un moteur d'aéronef par analyse de données issues de capteurs présents dans le moteur ou dans un autre équipement d'un aéronef. Ces capteurs mesurent des données caractérisant le comportement des moteurs et/ou les conditions de vol.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of systems for monitoring the state of health of an aircraft engine. STATE OF THE ART It is known to monitor the state of health of an aircraft engine by analyzing data from sensors present in the engine or in other equipment of an aircraft. These sensors measure data characterizing the behavior of the engines and / or the flight conditions.
L'analyse des données acquises par ces capteurs permet notamment de suivre le comportement du moteur et de le comparer à un comportement caractéristique d'au moins un moteur sain. Un algorithme de surveillance de l'état de santé du moteur doit être capable de donner des informations pour savoir s'il y a eu ou pas une anomalie, pour la décrire et éventuellement pour en connaître son origine.The analysis of the data acquired by these sensors makes it possible in particular to monitor the behavior of the engine and to compare it with a characteristic behavior of at least one sound engine. An algorithm for monitoring the state of health of the engine must be able to give information to know if there was or not an anomaly, to describe it and possibly to know its origin.
Or, lorsqu'on récupère les mesures physiques issues des capteurs dans le moteur, tels que la température ou la pression, ces derniers dépendent des conditions de vols comme de la météo, et de l'environnement. Par exemple, les températures et pressions internes dépendent de la température ambiante et de l'altitude. Les mesures traitées sont prises en vol, de ce fait, elles présentent énormément de variabilité dues aux variabilités des conditions de vol. Ainsi pour suivre l'évolution intrinsèque d'un paramètre physique du moteur indépendamment des conditions de vols, il est nécessaire de compenser l'influence des conditions de vols. C'est l'objectif de la normalisation. Les méthodes de normalisation connues utilisent un modèle dit 'thermodynamique' qui 30 modélise le fonctionnement du moteur en utilisant les principes physiques et thermodynamiques. Le principal problème du modèle thermodynamique est qu'il est lourd puisqu'il reprend tous les principes de la thermodynamique. Le temps de traitement peut donc être important et le paramétrage du modèle compliqué. Par conséquent, la normalisation ne peut pas être 3035232 2 mise en oeuvre en vol, et les données acquises par les capteurs doivent être transmises au sol où elles sont traitées. EXPOSE DE L'INVENTION 5 L'invention permet de pallier au moins un des inconvénients précités en proposant un procédé de configuration d'un système de surveillance d'un moteur. A cet effet, l'invention propose procédé de configuration d'un système embarqué de 10 surveillance de l'état de santé d'un moteur d'aéronef, le procédé de configuration comportant des étapes de : - simulation d'indicateurs de santé caractérisant le comportement du moteur, à partir d'un modèle thermodynamique du moteur, pour différentes valeurs d'indicateurs de contexte caractérisant les conditions de vol ; 15 - détermination d'un modèle mathématique du moteur, à partir des valeurs simulées; - configuration du système embarqué pour lui permettre d'estimer en vol au moins un indicateur de santé à l'aide du modèle mathématique du moteur et en fonction d'une part de mesures relatives à des indicateurs de contexte collectées pendant le vol et d'autre part de mesures relatives aux autres indicateurs de santé.However, when the physical measurements taken from the sensors in the engine, such as temperature or pressure, are recovered, these depend on flight conditions such as the weather and the environment. For example, internal temperatures and pressures depend on the ambient temperature and altitude. The measures processed are taken in flight, therefore, they have a great deal of variability due to the variability of flight conditions. Thus to follow the intrinsic evolution of a physical engine parameter regardless of flight conditions, it is necessary to compensate for the influence of flight conditions. This is the goal of standardization. The known standardization methods use a so-called 'thermodynamic' model which models the operation of the engine using the physical and thermodynamic principles. The main problem of the thermodynamic model is that it is heavy since it takes all the principles of thermodynamics. The processing time can be important and the configuration of the complicated model. Therefore, the normalization can not be implemented in flight, and the data acquired by the sensors must be transmitted to the ground where they are processed. SUMMARY OF THE INVENTION The invention overcomes at least one of the aforementioned disadvantages by providing a method of configuring a motor monitoring system. For this purpose, the invention proposes a method for configuring an on-board monitoring system for monitoring the state of health of an aircraft engine, the configuration method comprising steps of: simulation of health indicators characterizing the behavior of the engine, based on a thermodynamic model of the engine, for different values of context indicators characterizing the flight conditions; - determination of a mathematical model of the engine, from the simulated values; - configuration of the onboard system to enable it to estimate in flight at least one health indicator using the mathematical model of the engine and according to a part of measures relating to context indicators collected during the flight and of other measures relating to other health indicators.
20 Le système embarqué peut en outre utiliser des valeurs moyennes de chaque indicateur de santé, pour estimer en vol au moins un indicateur de santé à l'aide, les valeurs moyennes de chaque indicateur de santé étant déterminées à partir des valeurs simulées des indicateurs de santé.The onboard system may further use average values of each health indicator to estimate in flight at least one health indicator using the average values of each health indicator being determined from the simulated values of the health indicators. health.
25 L'invention permet de déterminer un modèle mathématique du moteur qui pourra être implanté sur le système de surveillance embarqué de manière à ce que celui-ci puisse effectuer l'étape de normalisation des indicateurs de santé extraits de mesures prises en vol et transmettre ces indicateurs de santé normalisés à une unité de traitement au sol. L'invention permet de réduire la quantité d'information à transmettre à l'unité de traitement au sol pour la surveillance de la santé du moteur. En effet, on ne transmet pas toutes les données de contexte puisqu'elles ont déjà été traitées par le système de surveillance embarqué. De plus, l'invention offre un gain de temps significatif au sol puisque qu'il n'est plus nécessaire de renseigner les données dans le modèle thermodynamique pour obtenir les indicateurs de santé normalisés.The invention makes it possible to determine a mathematical model of the engine that can be implemented on the on-board monitoring system so that it can carry out the step of standardization of the health indicators extracted from measurements taken in flight and transmit these standardized health indicators at a ground treatment unit. The invention makes it possible to reduce the amount of information to be transmitted to the ground treatment unit for monitoring the health of the engine. Indeed, we do not transmit all context data since they have already been processed by the onboard surveillance system. In addition, the invention offers a significant time saving on the ground since it is no longer necessary to enter the data in the thermodynamic model to obtain the standardized health indicators.
3035232 3 L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles.The invention is advantageously supplemented by the following characteristics, taken individually or in any of their technically possible combinations.
5 L'étape de détermination d'un modèle mathématique du moteur comporte des étapes de : - test de plusieurs modèles mathématiques ; - sélection du modèle mathématique présentant le plus grand coefficient de détermination R2.The step of determining a mathematical model of the engine comprises steps of: testing of several mathematical models; - selection of the mathematical model having the largest coefficient of determination R2.
10 La méthode du maximum de vraisemblance, et en particulier la méthode des moindres carrés, peut être utilisée pour déterminer le modèle mathématique le plus représentatif du comportement du moteur parmi plusieurs modèles mathématiques testés. Le modèle mathématique du moteur peut être déterminé par régression de chaque indicateur de santé sur les indicateurs de contexte et les autres indicateurs de santé.The maximum likelihood method, and in particular the least squares method, can be used to determine the most representative mathematical model of the behavior of the engine among several tested mathematical models. The mathematical model of the motor can be determined by regression of each health indicator on context indicators and other health indicators.
15 En particulier, le modèle de régression peut être linéaire, polynomiale, ou linéaire généralisé. La méthode du maximum de vraisemblance, et en particulier la méthode des moindres carrés, peut être utilisée pour estimer les paramètres du modèle de régression. Le modèle mathématique du moteur peut être déterminé par un réseau de neurones.In particular, the regression model can be linear, polynomial, or generalized linear. The maximum likelihood method, and in particular the least squares method, can be used to estimate the parameters of the regression model. The mathematical model of the motor can be determined by a network of neurons.
20 L'invention propose également un système embarqué de surveillance de l'état de santé d'un moteur d'aéronef configuré selon l'une des revendications précédentes, et comportant des capteurs adaptés pour acquérir en vol des données représentatives du fonctionnement du moteur et du contexte de fonctionnement de celui-ci ; et 25 une unité de traitement configurée pour : - extraire des indicateurs de santé à partir des données acquises ; - extraire des indicateurs de contexte à partir des données acquises ; - calculer une estimation d'au moins un indicateur de santé à l'aide du modèle mathématique du moteur, et en fonction des indicateurs de contexte, et des autres 30 indicateurs de santé ; - calculer un indicateur de santé normalisé, en fonction de la différence entre d'une part, la valeur estimée pour l'indicateur de santé à partir du modèle mathématique 3035232 4 du moteur, et d'autre part, la valeur de l'indicateur de santé extraite des données acquises. L'unité de traitement est configurée pour calculer l'indicateur de santé normalisé comme la différence entre, d'une part, la valeur estimée pour ledit indicateur de santé à partir 5 du modèle mathématique du moteur, et d'autre part, la valeur dudit indicateur de santé extraite des données acquises, à laquelle est ajoutée la somme de la moyenne de l'ensemble des valeurs dudit indicateur de santé extraites des données acquises. L'invention propose également un procédé de surveillance de l'état de santé d'un 10 moteur d'aéronef, mis en oeuvre par un système embarqué configure selon le procédé de configuration décrit plus haut, comportant des étapes de : - acquisition en vol des données représentatives du fonctionnement du moteur et du contexte de fonctionnement de celui-ci ; - extraction d'indicateurs de santé à partir des données acquises ; 15 - extraction d'indicateurs de contexte à partir des données acquises ; - calcul d'une estimation d'au moins un indicateur de santé à partir du modèle mathématique du moteur, et en fonction des indicateurs de contexte, et des autres indicateurs de santé ; - calcul d'un indicateur de santé normalisé, en fonction de la différence entre d'une 20 part, la valeur estimée pour l'indicateur de santé à partir du modèle mathématique du moteur, et d'autre part, la valeur de l'indicateur de santé extraite des données acquises. Le procédé de surveillance peut en outre comporter une étape de transmission de l'indicateur de santé normalisé à une unité de traitement au sol.The invention also proposes an on-board system for monitoring the state of health of an aircraft engine configured according to one of the preceding claims, and comprising sensors adapted to acquire in flight data representative of the operation of the engine and the operating context of it; and a processing unit configured to: extract health indicators from the acquired data; extracting context indicators from the acquired data; - calculate an estimate of at least one health indicator using the mathematical model of the motor, and according to the context indicators, and the other 30 health indicators; - calculate a standardized health indicator, based on the difference between, on the one hand, the estimated value for the health indicator from the mathematical model 3035232 4 of the engine, and on the other hand, the value of the indicator of health extracted from the data acquired. The processing unit is configured to calculate the normalized health indicator as the difference between, on the one hand, the estimated value for said health indicator from the mathematical model of the engine, and on the other hand, the value of said health indicator extracted from the acquired data, to which is added the sum of the average of all the values of said health indicator extracted from the acquired data. The invention also proposes a method for monitoring the state of health of an aircraft engine, implemented by an on-board system configured according to the configuration method described above, comprising steps of: - acquisition in flight data representative of the operation of the engine and the operating context thereof; - extraction of health indicators from the acquired data; Extracting context indicators from the acquired data; calculating an estimate of at least one health indicator from the mathematical model of the engine, and according to the context indicators, and other health indicators; calculating a standardized health indicator, based on the difference between, on the one hand, the estimated value for the health indicator from the mathematical model of the engine, and on the other hand, the value of the health indicator extracted from the acquired data. The monitoring method may further include a step of transmitting the standardized health indicator to a ground treatment unit.
25 Ce procédé de surveillance permet de normaliser en vol les indicateurs de santé en supprimant des dépendances vis-à-vis du contexte extérieur. Il est alors possible d'étudier l'évolution intrinsèque des paramètres physiques du moteur indépendamment des conditions de vols.This monitoring method makes it possible to standardize the health indicators in flight by eliminating dependencies on the external context. It is then possible to study the intrinsic evolution of the physical parameters of the engine independently of the flight conditions.
30 DESCRIPTION DES FIGURES D'autres objectifs, caractéristiques et avantages sortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif parmi lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un système de configuration selon l'invention ; 3035232 5 - la figure 2 représente les différentes étapes d'un procédé de configuration selon l'invention ; - la figure 3 représente une turbomachine équipée d'un système de surveillance embarqué selon l'invention ; 5 - la figure 4 représente les différentes étapes d'un procédé de surveillance selon l'invention ; - les figures 5A et 5B illustrent les représentations graphiques d'un indicateur représentant le gradient des températures des gaz d'échappement mesurées sur un moteur d'aéronef en fonctionnement normal lors de vols successifs.DESCRIPTION OF THE FIGURES Other objectives, features and advantages will become apparent from the detailed description which follows with reference to the drawings given by way of non-limiting illustration, in which: FIG. 1 schematically represents a configuration system according to the invention; FIG. 2 represents the different steps of a configuration method according to the invention; FIG. 3 represents a turbomachine equipped with an on-board monitoring system according to the invention; FIG. 4 represents the different steps of a monitoring method according to the invention; FIGS. 5A and 5B illustrate graphical representations of an indicator representing the gradient of the exhaust gas temperatures measured on an aircraft engine in normal operation during successive flights.
10 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Système de surveillance embarqué 15 En référence à la figure 3, un aéronef comportant un moteur 10 est équipé d'un système embarqué 1 de surveillance de l'état de santé du moteur. Dans l'exemple décrit, le moteur est un turbofan à double flux. On comprendra que l'invention peut s'appliquer à tout autre moteur d'aéronef en adaptant les paramètres mesurés et les indicateurs de santé à l'architecture de la turbomachine équipant l'aéronef.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION On-board monitoring system Referring to FIG. 3, an aircraft comprising a motor 10 is equipped with an on-board system 1 for monitoring the health status of the engine. In the example described, the engine is a turbofan with a double flow. It will be understood that the invention can be applied to any other aircraft engine by adapting the measured parameters and the health indicators to the architecture of the turbomachine equipping the aircraft.
20 Ce système embarqué 1 comporte une unité de traitement 14 qui est typiquement un calculateur configure pour exécuter les séquences d'instructions d'un programme selon le procédé de surveillance décrit plus loin. Le système de surveillance 1 comporte en outre des capteurs 2 placés en différents points de l'aéronef et plus particulièrement du moteur 10.This embedded system 1 comprises a processing unit 14 which is typically a computer configured to execute the instruction sequences of a program according to the monitoring method described later. The monitoring system 1 further comprises sensors 2 placed at different points of the aircraft and more particularly of the engine 10.
25 Les capteurs 2 sont configurés pour acquérir et numériser en vol des données représentatives du fonctionnement du moteur et du contexte de fonctionnement. Les données acquises sont typiquement des mesures de température et de pression en divers points du moteur, comme par exemple : la température à l'entrée de la soufflante ; la température en sortie de compresseur basse pression ; la température à la sortie du 30 compresseur haute pression ; la température des gaz d'échappement autrement nommée EGT (Exhaust Gaz Temperature) ; la pression en sortie du compresseur haute pression ; le débit du carburant en entrée de la chambre de combustion ; le régime de l'arbre haute pression.The sensors 2 are configured to acquire and digitize in flight data representative of the operation of the engine and the operating context. The acquired data are typically measurements of temperature and pressure at various points of the engine, such as for example: the temperature at the inlet of the fan; the temperature at the outlet of the low pressure compressor; the temperature at the outlet of the high pressure compressor; exhaust gas temperature otherwise known as EGT (Exhaust Gas Temperature); the pressure at the outlet of the high pressure compressor; the fuel flow at the inlet of the combustion chamber; the speed of the high pressure shaft.
3035232 6 Les données acquises représentatives des conditions environnementales extérieures sont par exemple des mesures de température ambiante, le nombre de Mach, ou l'altitude de vol.The acquired data representative of the external environmental conditions are, for example, measurements of ambient temperature, the Mach number, or the flight altitude.
5 Le système de surveillance embarqué 1 du moteur 10 comporte en outre des moyens de stockage 11 qui stockent les données acquises par les capteurs 2, des moyens de transmission de données 13 tel qu'un émetteur radio adapté pour communiquer avec une unité de traitement au sol 30, et un périphérique de sortie tel qu'un écran 12 pour afficher des messages de détection d'anomalie.The on-board monitoring system 1 of the engine 10 furthermore comprises storage means 11 which store the data acquired by the sensors 2, data transmission means 13 such as a radio transmitter adapted to communicate with a processing unit at the same time. floor 30, and an output device such as a screen 12 for displaying anomaly detection messages.
10 Le système de surveillance embarqué 1 du moteur 10 reçoit en entrée les mesures relevées par les capteurs 2 ainsi que des paramètres de fonctionnement du moteur, comme une information sur la fermeture ou l'ouverture d'une vanne, et délivre en sortie une estimation de l'état de santé des équipements et du moteur, et optionnellement un pronostic sur leur durée de vie restante si une dégradation est détectée ou un degré de confiance 15 associé au pronostic. Procédé de configuration du système de surveillance embarqué 1 En référence à la figure 2, le système de surveillance embarqué 1 est configure par un procédé de configuration d'un système de surveillance de l'état de santé d'un moteur 20 comportant des étapes de : - El simulation d'indicateurs de santé caractérisant le comportement du moteur à partir d'un modèle thermodynamique du moteur pour différentes valeurs d'indicateurs de contexte caractérisant les conditions de vol ; - E2 détermination d'un modèle mathématique du moteur, à partir des valeurs 25 simulées, par régression de chaque indicateur de santé sur les indicateurs de contexte et les autres indicateurs de santé ; - E3 configuration du système embarqué 1 pour l'estimation d'au moins un indicateur de santé à l'aide du modèle mathématique du moteur, et en fonction de mesures des indicateurs de contexte, et de mesures des autres indicateurs de 30 santé. Système de configuration 20 3035232 7 Le procédé de configuration est mis en oeuvre par un système de configuration 20 comme illustré sur la figure 1. Le système de configuration 20 comprend des moyens de traitement de l'information tel qu'un calculateur 24 configuré pour l'exécution d'un programme informatique conçu pour mettre en oeuvre le procédé de configuration décrit par la suite et 5 comportant notamment un simulateur 21 configuré pour mettre en oeuvre l'étape de simulation, et des moyens de stockage 23 stockant notamment une base de données de simulation 22 contenant les données de simulation. Le simulateur 21 modélise le moteur 10 par un modèle thermodynamique t tel que 10 représenté sur la figure 2. Le modèle thermodynamique t modélise le fonctionnement normal d'un moteur. Il est mis au point par des experts du comportement moteur en prenant en compte les lois de la physique et en particulier de la thermodynamique. Il peut ensuite être ajusté avec des données recueillies lors d'essais du moteur.The on-board monitoring system 1 of the engine 10 receives, as input, the measurements taken by the sensors 2 as well as engine operating parameters, such as information on the closing or opening of a valve, and outputs an estimate. the state of health of the equipment and the motor, and optionally a prognosis of their remaining life if a degradation is detected or a degree of confidence associated with the prognosis. Method for configuring the on-board monitoring system 1 With reference to FIG. 2, the on-board monitoring system 1 is configured by a method of configuring a system for monitoring the state of health of an engine 20 comprising steps of FIG. - The simulation of health indicators characterizing the engine behavior from a thermodynamic model of the engine for different values of context indicators characterizing the flight conditions; - E2 determination of a mathematical model of the engine, from the simulated values, by regression of each health indicator on the context indicators and the other health indicators; - E3 embedded system configuration 1 for the estimation of at least one health indicator using the mathematical model of the engine, and according to measures of the context indicators, and measures of the other health indicators. Configuration System 20 The configuration method is implemented by a configuration system 20 as illustrated in FIG. 1. The configuration system 20 comprises information processing means such as a computer 24 configured for the purpose of configuring the data. executing a computer program designed to implement the configuration method described below and comprising in particular a simulator 21 configured to implement the simulation step, and storage means 23 storing in particular a database simulation 22 containing the simulation data. The simulator 21 models the motor 10 by a thermodynamic model t as shown in Figure 2. The thermodynamic model t models the normal operation of a motor. It is developed by experts in motor behavior taking into account the laws of physics and in particular thermodynamics. It can then be adjusted with data collected during engine testing.
15 Le modèle thermodynamique t a comme paramètres des grandeurs physiques représentatives de l'environnement extérieur et du fonctionnement du moteur. Les indicateurs de santé sont définis par des experts du comportement moteur de manière à pouvoir détecter les différentes dégradations qui peuvent empêcher le bon 20 fonctionnement du moteur. Les indicateurs de santé sont choisis pour leur représentativité de l'évolution de l'état de santé du moteur. Chaque indicateur de santé est typiquement significatif de l'état de santé d'un ou plusieurs modules ou composants du moteur, ou du moteur dans son ensemble. On notera que les indicateurs de santé peuvent être spécifiques à des éléments physiques impliquant 25 un élément particulier du moteur ou à des éléments logiques indiquant une tâche spécifique d'un ou de tout un ensemble d'éléments du moteur. Plus particulièrement, un élément physique est un composant réel du moteur comme par exemple, le module de la soufflante, le compresseur haute pression, le compresseur basse pression. Un système ou élément logique se réfère à un ou un groupe de composants du moteur 30 réalisant une tâche spécifique comme le système de démarrage, le système de lubrification, etc. Les indicateurs de santé peuvent notamment être calculés suivant des critères d'expertise. Par exemple, les experts peuvent formuler les indicateurs de santé dans un 3035232 8 document listant les défaillances, les équipements concernés, les causes, les conséquences, mais aussi les indicateurs de santé permettant de révéler le phénomène avec pour chacun une description des effets observés. De plus, chaque défaillance peut être décrite par l'effet observé sur les indicateurs de 5 santé calculés à partir des mesures acquises. Les indicateurs de santé peuvent être identifiés par des pointeurs comme par exemple, par un repérage de points particuliers ou de fonctions particulières résumant des détails ou des formes de certaines courbes représentatives de grandeurs physiques. Les courbes représentatives des mesures acquises peuvent aussi être des dérivées d'ordre 1 à n de grandeurs physiques.The thermodynamic model t has as parameters physical quantities representative of the external environment and the operation of the engine. The health indicators are defined by experts of the engine behavior so as to be able to detect the various impairments which can prevent the good functioning of the engine. The health indicators are chosen for their representativity of the evolution of the state of health of the engine. Each health indicator is typically significant to the health status of one or more modules or components of the engine, or the engine as a whole. Note that the health indicators may be specific to physical elements involving a particular element of the engine or logic elements indicating a specific task of one or a whole set of engine elements. More particularly, a physical element is a real component of the engine such as, for example, the blower module, the high pressure compressor, the low pressure compressor. A system or logic element refers to one or a group of components of the engine 30 performing a specific task such as the starting system, the lubrication system, etc. In particular, health indicators can be calculated according to expertise criteria. For example, the experts can formulate the health indicators in a document listing the failures, the equipment concerned, the causes, the consequences, but also the health indicators making it possible to reveal the phenomenon with for each a description of the observed effects. In addition, each failure can be described by the observed effect on the health indicators calculated from the acquired measures. The health indicators can be identified by pointers, for example by locating particular points or particular functions summarizing details or shapes of certain curves representative of physical quantities. The representative curves of the measurements acquired can also be derivatives of order 1 to n of physical quantities.
10 Par exemple, pour analyser la capacité de démarrage du moteur, les experts vont extraire différentes durées et valeurs spécifiques ou des calculs qui ont une signification claire sur la capacité de démarrage. Parmi ces indicateurs de santé, on peut définir un paramètre de délai indiquant le temps qu'il faut pour que l'arbre HP (haute pression) du moteur atteigne une vitesse de rotation (ou régime) donnée après l'ouverture du doseur de carburant. On peut 15 aussi considérer comme indicateur de santé le régime maximum de l'arbre HP ainsi que beaucoup d'autres indicateurs similaires. Pour l'analyse de performance, les experts vont par exemple, se focaliser sur les mesures de températures, de pressions, et du débit carburant. Ensuite, ils peuvent construire des paramètres indicateurs d'usures s'exprimant par exemple, en termes de consommation de 20 carburant. Les indicateurs de contexte sont représentatifs du contexte extérieur ayant une influence sur les indicateurs de santé préalablement déterminés. En effet, chaque mesure recueillie lors d'un vol est réalisée dans des conditions externes ou internes au moteur particulières.For example, to analyze the engine's starting capacity, the experts will extract different durations and specific values or calculations that have a clear meaning on the starting capacity. Among these health indicators, it is possible to define a delay parameter indicating the time it takes for the HP shaft (high pressure) of the engine to reach a given rotational speed (or speed) after the opening of the fuel dispenser. . The maximum HP tree diet and many other similar indicators can also be considered as health indicators. For performance analysis, the experts will, for example, focus on measurements of temperatures, pressures, and fuel flow. Then, they can construct wear indicator parameters, for example, in terms of fuel consumption. Context indicators are representative of the external context influencing the previously determined health indicators. Indeed, each measurement collected during a flight is performed under external conditions or internal to the particular engine.
25 Ces conditions qui peuvent avoir un impact sur la lecture des indicateurs de santé sont enregistrées. Les conditions externes peuvent comprendre les températures et pressions extérieures, l'attitude et la vitesse relative de l'avion, mais aussi le lieu de vol (au-dessus de la mer, du désert, etc.), les conditions météo (pluie, neige, gel, etc.), l'hygrométrie, et ainsi de suite. Les conditions internes peuvent également concerner l'utilisation spécifique du moteur 30 (régime de l'arbre basse pression représentant la consigne manette c'est-à-dire la consigne donnée par le pilote au moteur au moyen de la « manette des gaz », température des gaz d'échappement, type du carburant, etc.). Toutes ces mesures peuvent être considérées comme des indicateurs de contexte.These conditions that may have an impact on the reading of the health indicators are recorded. External conditions may include external temperatures and pressures, attitude and relative speed of the aircraft, but also the place of flight (over the sea, desert, etc.), weather conditions (rain, snow, frost, etc.), humidity, and so on. The internal conditions may also relate to the specific use of the engine 30 (low pressure shaft speed representing the throttle setpoint, ie the instruction given by the pilot to the engine by means of the "throttle lever", exhaust temperature, type of fuel, etc.). All these measures can be considered context indicators.
3035232 9 Les données de contexte intervenant sur les indicateurs de santé sont généralement identifiées suivant des critères d'expertise. Optionnellement, une analyse de dépendance automatique, notamment par étude des corrélations entre indicateurs, peut également être mise en oeuvre pour lister les indicateurs de contexte liés aux paramètres de santé.3035232 9 Context data on health indicators are generally identified according to expertise criteria. Optionally, an automatic dependence analysis, in particular by studying correlations between indicators, can also be used to list context indicators related to health parameters.
5 Dans une étape E1, représentée sur la figure 2, le simulateur 21 simule au moins un indicateur de santé à partir du modèle thermodynamique t du moteur pour différentes valeurs des indicateurs de contexte. Le simulateur 21 prend comme valeurs des indicateurs de contexte des valeurs représentatives de la plage de fonctionnement normal d'un moteur. Le 10 simulateur 21 simule typiquement chaque indicateur de santé pour entre 10 et 1000 valeurs différentes d'indicateurs de contexte. Les inventeurs ont déterminé que des résultats satisfaisants étaient obtenus pour entre trente et cinquante valeurs différentes d'indicateurs de contexte. Les résultats de simulation sont stockés dans la base de données de simulation 22.In a step E1, shown in FIG. 2, the simulator 21 simulates at least one health indicator from the thermodynamic model t of the engine for different values of the context indicators. The simulator 21 takes as values of context indicators values representative of the normal operating range of a motor. The simulator 21 typically simulates each health indicator for between 10 and 1000 different values of context indicators. The inventors determined that satisfactory results were obtained for between thirty and fifty different values of context indicators. The simulation results are stored in the simulation database 22.
15 Au cours d'une étape E2', on calcule une moyenne de l'indicateur de santé, à partir des indicateurs de santé simulés (d'après le modèle thermodynamique t) pour différents indicateurs de contexte. La moyenne de l'indicateur de santé est la moyenne de l'ensemble des valeurs de 20 l'indicateur de santé calculées à partir des données simulées. Cette moyenne peut être calculée indépendamment des autres étapes. Le résultat est ensuite stocké dans la base de données de simulation. Dans une étape E2, le système de configuration 20 détermine, à partir des résultats de 25 simulation, un modèle mathématique s du moteur, qui est une description mathématique approximative des dépendances des indicateurs de santé vis-à-vis des indicateurs de contexte et des autres indicateurs de santé. Le modèle mathématique s a comme paramètres des indicateurs de contextes représentatifs de l'environnement extérieur et des indicateurs de systèmes représentatifs de l'état du moteur. Le modèle mathématique s du moteur permet de 30 relier par des équations simples les indicateurs de santés Yi, ..., Yp et les indicateurs de contexte XI., , . A cet effet, le système de configuration 20 effectue une régression multivariée avec comme variable expliquée l'indicateur de santé étudié Yi et comme variables explicatives les 3035232 10 indicateurs de contexte X1, . . . , 4 et les autres indicateurs de santé Y1, ..., , Yp et ce sur une série de points correspondants aux valeurs simulées par le simulateur 21. Les autres indicateurs de santé peuvent soit être mesurés directement, soit calculés. Le système de configuration 20 détermine la fonction de régression qui relie au mieux les 5 variables explicatives aux variables expliquées. Le système de configuration 20 effectue par exemple une régression linéaire multivariée, c'est à dire qu'elle recherche une fonction linéaire qui relie au mieux les variables explicatives aux variables expliquées. D'autres modèles ou fonctions de régression prenant en compte des phénomènes non 10 linéaires peuvent également être testés. Le système de configuration 20 peut notamment tester une régression polynomiale, qui consiste à lier les variables par un polynôme de degré n. Le système de configuration 20 peut également tester une régression linéaire généralisée qui consiste à lier les variables par une combinaison linéaire de transformations analytiques d'un sous-ensemble de variables explicatives. Ces transformations analytiques 15 sont typiquement une fonction exponentielle ou logarithmique. La méthode du maximum de vraisemblance, et en particulier la méthode des moindres carrés, peut par exemple être utilisée pour déterminer les paramètres du modèle de régression. Le modèle mathématique peut également être évalué en utilisant toute autre méthode 20 connue pour évaluer un modèle mathématique. On peut par exemple déterminer, parmi plusieurs modèles possibles, le modèle le plus représentatif du comportement du moteur en utilisant la méthode du maximum de vraisemblance. Le modèle mathématique utilisé est alors celui qui présente le plus grand 25 coefficient de détermination R2 qui correspond au rapport de la somme des carrés expliqués, traduisant la variabilité expliquée par le modèle, sur la somme des carrés totaux, traduisant la variabilité totale à savoir la variabilité expliquée par le modèle et la variabilité non-expliquée par le modèle : R2 _ E7=1(7-7)2 E7 -1(Y(-17/)2 30 Où f, est l'estimation de Y, par régression et Y, est la moyenne des valeurs de Y,.During a step E2 ', an average of the health indicator is calculated from the simulated health indicators (according to the thermodynamic model t) for different context indicators. The average of the health indicator is the average of all health indicator values calculated from the simulated data. This average can be calculated independently of the other steps. The result is then stored in the simulation database. In a step E2, the configuration system 20 determines, from the simulation results, a mathematical model of the engine, which is a rough mathematical description of the dependencies of the health indicators with respect to the context indicators and the indicators. other health indicators. The mathematical model has as parameters indicators of contexts representative of the external environment and indicators of systems representative of the state of the engine. The mathematical model of the engine makes it possible to link the health indicators Y 1,..., Y p and the context indicators XI 1,, by simple equations. For this purpose, the configuration system 20 carries out a multivariate regression with as explained variable the health indicator studied Yi and as explanatory variables the context indicators X1,. . . , 4 and the other health indicators Y1, ...,, Yp on a series of points corresponding to the values simulated by the simulator 21. The other health indicators can either be measured directly or calculated. The configuration system 20 determines the regression function that best links the explanatory variables to the explained variables. The configuration system 20 performs, for example, a multivariate linear regression, that is, it seeks a linear function that best links the explanatory variables to the explained variables. Other models or regression functions taking into account non-linear phenomena may also be tested. The configuration system 20 may in particular test a polynomial regression, which consists in linking the variables by a polynomial of degree n. The configuration system 20 can also test a generalized linear regression which consists in linking the variables by a linear combination of analytical transformations of a subset of explanatory variables. These analytical transformations are typically an exponential or logarithmic function. The maximum likelihood method, and in particular the least squares method, can for example be used to determine the parameters of the regression model. The mathematical model can also be evaluated using any other known method for evaluating a mathematical model. For example, it is possible to determine, from among several possible models, the most representative model of the behavior of the engine using the method of maximum likelihood. The mathematical model used is then that which has the largest coefficient of determination R2 which corresponds to the ratio of the sum of the squares explained, expressing the variability explained by the model, on the sum of the total squares, reflecting the total variability namely the variability explained by the model and variability not explained by the model: R2 _ E7 = 1 (7-7) 2 E7 -1 (Y (-17 /) 2 Where f, is the estimate of Y, by regression and Y, is the average of the values of Y ,.
3035232 11 Le modèle mathématique peut également être déterminé par apprentissage automatique comme par exemple les réseaux de neurones, les réseaux bayésien, et de manière générale n'importe quel algorithme d'apprentissage adapté.The mathematical model can also be determined by automatic learning such as for example neural networks, Bayesian networks, and in general any suitable learning algorithm.
5 Dans une étape E3, le système de configuration 20 implémente le modèle mathématique s déterminé pour le moteur sur le système embarqué 1 et configure celui-ci pour l'estimation des indicateurs de santé à l'aide du modèle mathématique s du moteur, et en fonction de mesures des indicateurs de contexte, et des autres indicateurs de santé.In a step E3, the configuration system 20 implements the mathematical model determined for the engine on the onboard system 1 and configures it for the estimation of the health indicators using the mathematical model of the engine, and according to measures of context indicators, and other health indicators.
10 Procédé mis en oeuvre dans le système de surveillance embarqué 1 Dans une étape E21, les capteurs 2, tels que représentés sur la figure 4, acquièrent des mesures brutes à partir desquelles il est possible d'extraire les indicateurs de santé et les indicateurs de contexte définis dans le modèle mathématique s du moteur. En effet, comme 15 développé plus haut, les capteurs 2 sont configurés pour recueillir en vol des mesures temporelles réalisées sur le moteur ainsi que des mesures contextuelles représentatives des conditions environnementales extérieures. L'unité de traitement 14, représentée sur la figure 3, est configurée pour, dans une étape 20 E22, extraire, à partir des mesures acquises par les capteurs, les indicateurs de contexte définis plus haut. L'unité de traitement 14 est configurée pour, dans une étape E23, extraire, à partir des mesures acquises par les capteurs, les indicateurs de santé définis plus haut.Process implemented in the on-board monitoring system 1 In a step E21, the sensors 2, as represented in FIG. 4, acquire raw measurements from which it is possible to extract the health indicators and the indicators of context defined in the mathematical model s of the engine. Indeed, as developed above, the sensors 2 are configured to collect in flight time measurements made on the engine as well as contextual measures representative of the external environmental conditions. The processing unit 14, shown in FIG. 3, is configured for, in a step E22, extracting, from the measurements acquired by the sensors, the context indicators defined above. The processing unit 14 is configured for, in a step E23, to extract, from the measurements acquired by the sensors, the health indicators defined above.
25 L'unité de traitement 14 est configurée pour déterminer, à partir des données acquises, des indicateurs de santé normalisés. La normalisation des indicateurs de santé consiste à mettre les indicateurs de santé dans des conditions standard, c'est-à-dire supprimer l'influence du contexte dans les indicateurs de santé pour ne conserver que l'influence des 30 dégradations éventuelles, du moteur et de ses équipements. A cet effet, l'unité de traitement 14 calcule, dans une étape E24, une estimation de chaque indicateur de santé à partir du modèle mathématique s du moteur. Le modèle mathématique s du moteur implémenté sur l'unité de traitement 14 permet de déterminer 3035232 12 facilement une estimation de chaque indicateur de santé à partir des valeurs des indicateurs de contexte et des autres indicateurs de santé extraites des mesures acquises par les capteurs. Il n'est notamment pas nécessaire de faire une régression pour estimer la valeur des indicateurs de santé.The processing unit 14 is configured to determine, from the acquired data, standardized health indicators. The standardization of health indicators consists of putting health indicators in standard conditions, that is to say, to eliminate the influence of the context in the health indicators in order to keep only the influence of the possible degradations of the motor. and its equipment. For this purpose, the processing unit 14 calculates, in a step E24, an estimate of each health indicator from the mathematical model s of the engine. The mathematical model of the engine implemented on the processing unit 14 makes it easy to determine an estimate of each health indicator from the values of the context indicators and the other health indicators extracted from the measurements acquired by the sensors. In particular, it is not necessary to make a regression to estimate the value of health indicators.
5 L'unité de traitement 14 calcule, au cours d'une étape E25, un indicateur de santé normalisé. Cet indicateur de santé normalisé est calculé en fonction de la différence E entre l'estimation de l'indicateur de santé Yi à partir du modèle mathématique s et la valeur réelle de l'indicateur de santé Yi telle que calculée à partir des mesures acquises.The processing unit 14 calculates, during a step E25, a standardized health indicator. This standardized health indicator is calculated according to the difference E between the estimate of the health indicator Yi from the mathematical model s and the actual value of the health indicator Yi as calculated from the acquired measurements.
10 L'indicateur de santé normalisé peut notamment être calculé en fonction d'une valeur moyenne de l'indicateur correspondant, et de la différence E. En particulier, la différence E peut être ajoutée à la valeur moyenne de l'indicateur calculée pendant le procédé de configuration. Autrement dit, la valeur normalisée d'un indicateur peut être calculée en ajoutant la valeur moyenne de l'indicateur calculée pendant le procédé de configuration à la 15 différence E correspondant à l'écart entre la valeur mesurée dudit indicateur et l'estimateur correspondant audit indicateur. Autrement dit, l'indicateur de santé normalisé est égal à la moyenne des valeurs de cet indicateur calculée pendant le procédé de configuration additionné au résidu E du modèle mathématique appliqué à cet indicateur.10 The standardized health indicator may in particular be calculated according to an average value of the corresponding indicator, and of the difference E. In particular, the difference E may be added to the average value of the indicator calculated during the configuration process. In other words, the normalized value of an indicator can be calculated by adding the average value of the indicator calculated during the configuration process to the difference E corresponding to the difference between the measured value of said indicator and the estimator corresponding to said indicator. indicator. In other words, the standardized health indicator is equal to the average of the values of this indicator calculated during the configuration process added to the residual E of the mathematical model applied to this indicator.
20 Par exemple, /Sn = E iSn avec /Sn l'indicateur de santé normalisé, /Sn , la moyenne de l'indicateur de santé, et E = iSin étant une estimation de l'indicateur de santé par le modèle de régression et /Srée/ l'indicateur de santé observé (réel ou simulé par le modèle physique). L'indicateur de santé normalisé caractérise la différence entre ce qui est réellement 25 observé et ce qui devrait être observé en prenant en compte les indicateurs de contexte et les relations entre les indicateurs de santé entre eux. Les indicateurs normalisés ainsi calculés vont osciller autour de leurs valeurs moyennes respectives en fonction des erreurs à la prédiction par le modèle. Un indicateur normalisé qui s'éloigne anormalement de la valeur moyenne est significatif d'une défaillance. En effet, la 30 différence E est représentative de la pertinence du modèle mathématique du moteur pour représenter le fonctionnement réel du moteur.20 For example, / Sn = E iSn with / Sn the standardized health indicator, / Sn, the health indicator mean, and E = iSin being an estimate of the health indicator by the regression model and / Srée / the observed health indicator (real or simulated by the physical model). The standardized health indicator characterizes the difference between what is actually observed and what should be observed taking into account the context indicators and the relationships between the health indicators with each other. The standardized indicators thus calculated will oscillate around their respective average values as a function of the errors in the prediction by the model. A normalized indicator that deviates abnormally from the mean value is indicative of a failure. Indeed, the difference E is representative of the relevance of the mathematical model of the engine to represent the actual operation of the engine.
3035232 13 Lorsque le moteur est en état de fonctionnement normal, la différence E est faible car le moteur est bien représenté par le modèle mathématique s modélisant un moteur en fonctionnement normal. En revanche, lorsque le moteur présente une anomalie de fonctionnement, la différence 5 E est importante car le moteur n'est pas bien représenté par le modèle mathématique s modélisant un moteur en fonctionnement normal. Au cours d'une étape E26, l'unité de traitement 14 transmet par l'intermédiaire des moyens de transmission 13, les indicateurs de santé normalisés à une unité de traitement au 10 sol 30. L'unité de traitement au sol 30 analyse les indicateurs de santé normalisés de manière à détecter une éventuelle anomalie. L'unité de traitement au sol 30 peut utiliser des tests utilisant ces paramètres normalisés pour détecter des anomalies et pour les localiser grâce par exemple à des outils d'analyse statistique ou à la connaissance des experts sur le fonctionnement du moteur d'avion.When the motor is in normal operating condition, the difference E is small because the motor is well represented by the mathematical model modeling a motor in normal operation. On the other hand, when the engine has an operating anomaly, the difference 5 E is important because the motor is not well represented by the mathematical model modeling a motor in normal operation. During a step E26, the processing unit 14 transmits, via the transmission means 13, the standardized health indicators to a ground treatment unit 30. The ground treatment unit 30 analyzes the standardized health indicators to detect a possible anomaly. The ground processing unit 30 can use tests using these standardized parameters to detect anomalies and to locate them by, for example, statistical analysis tools or to the experts' knowledge of the operation of the aircraft engine.
15 L'unité de traitement au sol 30 compare par exemple ces indicateurs de santé normalisés avec des paramètres de référence. A cet effet, l'unité de traitement au sol 30 comporte une base de données d'indicateurs de santé normalisés de référence. L'unité de traitement au sol 30 peut par exemple rechercher la signature d'une défaillance dans les indicateurs de santé.The ground treatment unit 30 compares, for example, these standardized health indicators with reference parameters. For this purpose, the ground treatment unit 30 includes a database of standardized health indicators of reference. The ground treatment unit 30 may for example seek the signature of a failure in the health indicators.
20 Par exemple, on considère qu'une anomalie est détectée lorsque le Z-score est supérieur à trois ou six sigma, sigma étant l'écart type appris. Le Z-score est un score centré réduit. Le résidu correspond au score. Le résidu est centré et réduit pour être exprimé en écart type.For example, an abnormality is considered to be detected when the Z-score is greater than three or six sigma, where sigma is the learned standard deviation. Z-score is a reduced center score. The residue corresponds to the score. The residue is centered and reduced to be expressed in standard deviation.
25 Alternativement, la détection d'anomalie peut être faite en vol à condition d'avoir assez d'espace de stockage de données dans le boitier embarqué. Un exemple est donné par les figures 5A et 5B qui illustrent les représentations graphiques d'un indicateur représentant le gradient des températures des gaz 30 d'échappement mesurées sur un moteur d'aéronef en fonctionnement normal lors de vols successifs. Les traits pointillés c11 désignent les niveaux +1- 3 écart type autour de la valeur moyenne et les traits discontinus c12 désignent les niveaux +1- 6 écart type autour de la valeur moyenne.Alternatively, the anomaly detection can be done in flight provided that there is enough data storage space in the on-board box. An example is given in FIGS. 5A and 5B which illustrate the graphical representations of an indicator representing the gradient of the exhaust gas temperatures measured on an aircraft engine in normal operation during successive flights. The dashed lines c11 denote the levels + 1 - 3 standard deviation around the mean value and the dashed lines c12 denote the levels + 1-6 standard deviation around the mean value.
3035232 14 Etant donné que le moteur fonctionne normalement, les disparités des valeurs observées sur la figure 5A par rapport à la valeur moyenne sont essentiellement dues aux différentes conditions d'acquisition. En revanche, la figure 5B illustre la représentation graphique après standardisation de 5 l'inducteur de la figure 5A, selon la présente invention. Ceci montre que les valeurs de l'indicateur normalisé peuvent être considérées comme des observations acquises dans des conditions strictement identiques pour chaque surveillance du moteur lors de chaque vol de l'aéronef. En effet, la normalisation des indicateurs selon la présente invention supprime les dépendances vis-à-vis du contexte extérieur et prend en compte des relations 10 d'interdépendances stochastiques entre les indicateurs eux-mêmes. La figure 5B montre qu'en fonctionnement normal du moteur, la probabilité d'observer un signal écarté de la valeur moyenne d'une valeur supérieure à 3a est inférieure à 3.10-3 et celle supérieure à 6Q est inférieure à 2.10-9. Ceci montre clairement que la surveillance d'un élément du moteur d'aéronef peut fonctionner identiquement quelles que soient les conditions extérieures 15 d'acquisition. Ainsi, l'application à un outil de détection d'anomalie s'en trouve non seulement simplifiée mais bien plus facile à interpréter par les experts.Given that the motor is operating normally, the disparities in the values observed in FIG. 5A with respect to the average value are essentially due to the different acquisition conditions. In contrast, Figure 5B illustrates the graphical representation after standardization of the inductor of Figure 5A, according to the present invention. This shows that the values of the normalized indicator can be considered as observations acquired under strictly identical conditions for each engine monitoring during each flight of the aircraft. Indeed, the standardization of the indicators according to the present invention eliminates dependencies on the external context and takes into account relationships of stochastic interdependencies between the indicators themselves. FIG. 5B shows that, in normal engine operation, the probability of observing a signal deviating from the average value by a value greater than 3a is less than 3.10-3 and that greater than 6Q is less than 2.10-9. This clearly shows that the monitoring of an element of the aircraft engine can operate identically regardless of the external conditions of acquisition. Thus, the application to an anomaly detection tool is not only simplified but much easier to interpret by experts.
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