故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）系統(tǒng)

孫旭

（船舶系統(tǒng)工程部，北京 100036）

0 引言

目前，電子設(shè)備的日常維護(hù)、維修主要依賴于設(shè)備的生產(chǎn)廠家，而且是以在出現(xiàn)故障后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修的模式來完成的，屬于被動(dòng)式故障排除，這導(dǎo)致電子設(shè)備的技術(shù)含量日趨提高與使用維護(hù)的手段和能力相對(duì)較低的矛盾日益突出。隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的集成度、復(fù)雜性、綜合化、智能化的不斷提高，為了以更經(jīng)濟(jì)有效的方式滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)綜合保障能力的需求，能否在執(zhí)行任務(wù)之前，通過一些方法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在短時(shí)期內(nèi)可能出現(xiàn)的故障，并給出對(duì)可能出現(xiàn)故障的處理方法或在未來一段時(shí)間內(nèi)如何預(yù)防這些故障的出現(xiàn)，以保證在執(zhí)行任務(wù)過程中，電子設(shè)備始終處于良好的技術(shù)狀態(tài)。滿足這一要求不僅需要能及時(shí)診斷、排故，而且需要事先預(yù)測(cè)設(shè)備的“健康”狀態(tài)。

從原理上講，不同的故障部位和原因引發(fā)的故障征兆是不同的，即他們故障征兆和故障原因、部位之間存在著某種線性或非線性的映射關(guān)系。因此，只要找到這種映射關(guān)系即推理方法和模型，再通過對(duì)電子設(shè)備功能性能的測(cè)試，對(duì)故障征兆進(jìn)行采集和分析，利用它們之間的映射關(guān)系，就能在故障發(fā)生前，對(duì)可能發(fā)生故障的原因和部位進(jìn)行預(yù)測(cè)。故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）技術(shù)就是基于這種思想產(chǎn)生的。

1 故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

PHM系統(tǒng)首先要能實(shí)時(shí)掌握電子設(shè)備工作狀態(tài)，最大程度地利用現(xiàn)有故障特征檢測(cè)和診斷技術(shù)，綜合先進(jìn)的軟件建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)低虛警率及精確的故障診斷和預(yù)測(cè)。通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析和處理，產(chǎn)生并不斷修正電子設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。同時(shí)通過向維修保障基地傳輸故障信息，啟動(dòng)自主式后勤保障的系統(tǒng)程序。

電子設(shè)備綜合保障及PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中，PHM處理中心是現(xiàn)代電子設(shè)備保障體系的核心，它替代了以前的事后維修保障模塊。

PHM系統(tǒng)采用開放式的體系結(jié)構(gòu)（OSA），方便各種故障診斷和預(yù)測(cè)方法的不斷補(bǔ)充、完善。PHM的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)要與電子設(shè)備的研發(fā)同步進(jìn)行，融為一體，使基于PHM的維修保障體系與后方維修保障機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化、一體化的遠(yuǎn)程電子設(shè)備維修保障體系。PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須便于從部件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)都能綜合應(yīng)用故障診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)。從分級(jí)預(yù)測(cè)開始，向上綜合成系統(tǒng)或設(shè)備總體級(jí)的預(yù)測(cè)。

1.1 PHM的組成和功能

PHM系統(tǒng)功能強(qiáng)大，各環(huán)節(jié)之間相對(duì)獨(dú)立，又緊密聯(lián)系。

1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)和功能、性能測(cè)試

電子設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和功能性能測(cè)試是PHM系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

實(shí)際上，需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)和測(cè)試的功能性能數(shù)目是很龐大的，且這些參數(shù)在性能上存在一定程度的重疊。這就需要對(duì)其進(jìn)行特征提取，經(jīng)過數(shù)據(jù)和特征量的融合，用少于原始參數(shù)數(shù)目的特征量來完整、準(zhǔn)確地描述電子設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。這樣可大大降低故障診斷的復(fù)雜程度和計(jì)算量。將這些監(jiān)測(cè)和測(cè)試結(jié)果保存起來，可為電子設(shè)備的故障預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)管理提供依據(jù)。

2）故障診斷定位

當(dāng)電子設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速、準(zhǔn)確地定位故障，提供排故方法并將相關(guān)信息保存，為電子設(shè)備的故障預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)管理提供信息。

3）故障預(yù)測(cè)

根據(jù)對(duì)電子設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、功能性能測(cè)試信息、故障診斷定位信息和預(yù)測(cè)模型，得出今后一段時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)的故障及相關(guān)保障用信息。

4）綜合保障和健康狀態(tài)管理

在預(yù)測(cè)出將來一段時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)的故障后，可以提出“預(yù)先”維修、保養(yǎng)的方法，以便在電子設(shè)備真正發(fā)生故障前采取措施，將傳統(tǒng)的事后維修轉(zhuǎn)變?yōu)橐暻榫S修，從對(duì)故障的被動(dòng)反應(yīng)到主動(dòng)預(yù)防，實(shí)現(xiàn)自主式保障。對(duì)電子設(shè)備的組成零部件的未來進(jìn)行剩余使用壽命的評(píng)估，對(duì)整個(gè)電子設(shè)備的未來進(jìn)行剩余使用壽命的預(yù)估，最終對(duì)電子設(shè)備未來的總體技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。通過綜合保障的輔助決策、自動(dòng)化和信息化管理，可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備備件、工具和維修人員的管理，減少全壽命周期的各項(xiàng)費(fèi)用。

1.2 工作流程

典型的PHM系統(tǒng)工作流程如圖2所示。它包含了數(shù)據(jù)采集和處理、特征量提取、數(shù)據(jù)融合、狀態(tài)檢測(cè)、功能性能測(cè)試、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)管理等環(huán)節(jié)。

圖2 PHM系統(tǒng)工作流程圖Fig.2Work procedure diagram of PHM system

PHM系統(tǒng)通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)和功能性能測(cè)試獲得大量的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，得到可信的有用信息。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸，從有用的信息中提取出特征狀態(tài)。這些狀態(tài)中包含有電子設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)信息，經(jīng)過分析，推出電子設(shè)備的良故等。如果狀態(tài)信息不正確，說明電子設(shè)備故障需要進(jìn)一步進(jìn)行故障診斷、定位。無論狀態(tài)信息正?；蚬收?，這些信息均可作為故障預(yù)測(cè)、綜合保障和健康狀態(tài)管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被保存起來，并據(jù)此不斷地修正、完善故障預(yù)測(cè)和健康狀態(tài)管理。

2 故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 最優(yōu)預(yù)測(cè)方法

對(duì)電子設(shè)備未來狀態(tài)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)是PHM系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)。

1）預(yù)測(cè)的不確定性

它是故障預(yù)測(cè)的固有特性。電子設(shè)備的故障機(jī)理本身是一個(gè)隨機(jī)的復(fù)雜過程，準(zhǔn)確地掌握所有故障產(chǎn)生機(jī)理、故障模式與現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系等是很困難的，這不僅需要理論設(shè)計(jì)還需要大量的工程驗(yàn)證，工作量極大。而且，預(yù)測(cè)過程本身也會(huì)產(chǎn)生誤差。采用的預(yù)測(cè)方法、預(yù)測(cè)模型等不同，產(chǎn)生的結(jié)果也不完全相同，結(jié)果的置信度也不一樣。故障預(yù)測(cè)方法必須考慮準(zhǔn)確度、精密度和置信度之間的關(guān)系，用不確定度的形式給出預(yù)測(cè)結(jié)果。

2）預(yù)測(cè)的方法不能通用

由于對(duì)物理模型和專家系統(tǒng)的依賴，各種預(yù)測(cè)方法往往是各不相同。不同類型的故障應(yīng)該采用不同的預(yù)測(cè)模型和專家系統(tǒng)，所以它們不具備通用性。而且不同專業(yè)、鄰域的預(yù)測(cè)方法也不盡相同，使用哪一種預(yù)測(cè)方法也需要試驗(yàn)的驗(yàn)證。

3）預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證困難

①驗(yàn)證的方法還不夠完善，驗(yàn)證的工作量很大;

②缺乏統(tǒng)一的、廣泛認(rèn)可的故障預(yù)測(cè)評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn)。

目前，故障預(yù)測(cè)方法很多，分類也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文將故障預(yù)測(cè)方法按照如下方法進(jìn)行分類。

1）基于異?，F(xiàn)象信息的故障預(yù)測(cè)

基于異?，F(xiàn)象信息（如溫度、電壓、電流等）進(jìn)行故障預(yù)測(cè)就是利用歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、故障注入獲得的數(shù)據(jù)等已知信息，通過預(yù)測(cè)模型和專家系統(tǒng)等技術(shù)，最終形成并不斷修正電子設(shè)備異?，F(xiàn)象與故障損傷關(guān)系模型的曲線，達(dá)到預(yù)測(cè)的目的。

這里所說的異?，F(xiàn)象主要是指發(fā)生故障之時(shí)所表現(xiàn)出來的參數(shù)變化。參數(shù)變化有在允許范圍之內(nèi)和超出有效范圍兩種情況。用變化的參數(shù)對(duì)比電子設(shè)備未來狀態(tài)的曲線來判斷電子設(shè)備是否將要進(jìn)入故障狀態(tài)。

建立異?，F(xiàn)象與故障損傷關(guān)系模型可以采用概率趨勢(shì)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）趨勢(shì)分析模型、基于系統(tǒng)模型的趨勢(shì)分析等方法。

①概率趨勢(shì)分析模型

通過建立異?，F(xiàn)象對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)集，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立各參數(shù)變化與損傷狀態(tài)的概率

趨勢(shì)模型（退化概率軌跡），與當(dāng)前多參數(shù)概率狀態(tài)空間進(jìn)行比較，進(jìn)行當(dāng)前健康狀態(tài)評(píng)估與趨勢(shì)分析。通過當(dāng)前參數(shù)概率空間與已知損傷狀態(tài)概率空間的干涉來進(jìn)行定量的損傷判定。

②人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）趨勢(shì)分析模型

該方法通過ANN的非線性轉(zhuǎn)化特征及其智能學(xué)習(xí)機(jī)制，利用監(jiān)測(cè)到的故障現(xiàn)象等信息來建立電子設(shè)備故障損傷狀態(tài)之間的聯(lián)系。利用已知的“異常特征－故障損傷”退化模型曲線，或通過故障注入建立與特征分析結(jié)果相關(guān)聯(lián)的退化模型曲線，對(duì)ANN模型進(jìn)行“訓(xùn)練/學(xué)習(xí)”;然后利用“訓(xùn)練/學(xué)習(xí)”后的ANN和當(dāng)前產(chǎn)品特征對(duì)電子設(shè)備的故障損傷狀態(tài)進(jìn)行判斷。由于ANN具有自適應(yīng)特征，因此可利用非顯式特征信息來進(jìn)行“訓(xùn)練/學(xué)習(xí)”與故障損傷判斷。

③基于系統(tǒng)模型進(jìn)行趨勢(shì)分析

利用被觀測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型（包括退化過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)），針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的響應(yīng)輸出，進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，對(duì)照正常狀態(tài)下的參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn)行故障診斷、故障預(yù)測(cè)。這種方法提供了一種不同于概率趨勢(shì)分析、ANN的途徑，具有更高的置信度和故障早期預(yù)報(bào)能力。

2）基于使用環(huán)境信息的故障預(yù)測(cè)

基于使用環(huán)境信息的故障預(yù)測(cè)就是采用壽命消耗監(jiān)控（LCM）方法來預(yù)測(cè)。這是目前主要的預(yù)測(cè)發(fā)展方向。壽命消耗監(jiān)控方法是以環(huán)境信息（包括電子設(shè)備使用環(huán)境、使用時(shí)間、已經(jīng)出現(xiàn)的故障等信息）為基礎(chǔ)。它基于電子設(shè)備的失效物理模型，通過對(duì)環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力監(jiān)測(cè)，進(jìn)行累計(jì)損傷計(jì)算，進(jìn)而推斷出電子設(shè)備的剩余使用壽命。

壽命消耗監(jiān)控方法的基礎(chǔ)是對(duì)電子設(shè)備失效模式、失效機(jī)理的深入了解，建立量化的失效物理模型。其典型模型包括焊點(diǎn)疲勞、電遷移、熱載流子退化、時(shí)間相關(guān)介電質(zhì)擊穿（TDDB）、錫須、導(dǎo)電細(xì)絲形成（CFF）等，這些技術(shù)相對(duì)成熟些。

3）基于損傷標(biāo)尺的故障預(yù)測(cè)

損傷標(biāo)尺就是針對(duì)一種或多種故障機(jī)理，以與被監(jiān)控電子設(shè)備相同的生產(chǎn)工藝制造出來的、預(yù)測(cè)壽命比被監(jiān)控的電子設(shè)備短的產(chǎn)品為基礎(chǔ)，建立損傷關(guān)系模型曲線。被監(jiān)控電子設(shè)備的狀態(tài)參考該模型曲線來判斷、預(yù)測(cè)，它是基于對(duì)被監(jiān)控對(duì)象特定失效機(jī)理的認(rèn)識(shí)來預(yù)測(cè)的。損傷標(biāo)尺方法可以做到定量設(shè)計(jì)。

2.2 健康狀態(tài)管理

采用電子設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的“專家系統(tǒng)”，通過對(duì)電子設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、功能和性能測(cè)試的信息以及故障診斷和預(yù)測(cè)的綜合分析、處理，得到當(dāng)前和將來電子設(shè)備技術(shù)狀態(tài)水平的評(píng)估，對(duì)整個(gè)電子設(shè)備的剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)估，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備健康狀態(tài)的管理。

3 故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

雖然世界各國(guó)對(duì)電子設(shè)備PHM技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣，而且發(fā)展迅速，但電子設(shè)備的PHM技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，與大規(guī)模的工程應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。在以下方面面臨著巨大挑戰(zhàn):

1）建立電子設(shè)備基于物理特點(diǎn)的損傷模型;

2）殘余使用壽命預(yù)測(cè)的不確定性;

3）間歇性失效的預(yù)測(cè)方法還很不成熟。

這就說明，目前PHM系統(tǒng)的應(yīng)用還不具備全面推廣的條件，今后要做的工作還很多，困難也很大。

當(dāng)前PHM技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以系統(tǒng)級(jí)集成應(yīng)用為牽引，提高故障診斷與預(yù)測(cè)精度、置信度，降低虛警率，擴(kuò)展健康監(jiān)控的應(yīng)用對(duì)象范圍，支持CBM與AL的發(fā)展。所以，今后將在以下幾個(gè)方面加大研究和試驗(yàn)力度。

3.1 PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

1）采用與工程同步設(shè)計(jì)的原則，將PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與被監(jiān)控電子設(shè)備的開發(fā)同步進(jìn)行。這就要求有一套完整的管理程序和技術(shù)要求來保障;

2）進(jìn)行PHM系統(tǒng)的定量性能評(píng)價(jià)與驗(yàn)證，對(duì)設(shè)備的單機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的PHM，通過采用各種仿真或試驗(yàn)來評(píng)價(jià)與驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

3.2 提高PHM系統(tǒng)的精度和置信度

1）研究混合型及智能型數(shù)據(jù)融合技術(shù)

對(duì)于數(shù)據(jù)的搜集和傳輸，目前的發(fā)展方向體現(xiàn)在傳感器的高精度、小型化、集成化、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性、可靠性、低能耗、高速傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)等方面。不斷加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與故障注入數(shù)據(jù)的積累，提高診斷與預(yù)測(cè)的置信度，降低虛警率。

2）不斷尋求高質(zhì)量的健康監(jiān)控及管理途徑

通過應(yīng)用靈巧、健壯的傳感器設(shè)備，提高數(shù)據(jù)源監(jiān)測(cè)精度，與故障預(yù)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，減少故障不能重現(xiàn)（CND），降低虛警率。

研究如何實(shí)現(xiàn)壽命消耗監(jiān)控（LCM）的不確定性的定量評(píng)價(jià)，如何把壽命消耗監(jiān)控與損傷標(biāo)尺技術(shù)相結(jié)合，提高壽命消耗監(jiān)控的置信度。

3）混合型故障預(yù)測(cè)算法

由于故障預(yù)測(cè)研究的難度大，使用單一的方法進(jìn)行故障預(yù)測(cè)往往難于實(shí)現(xiàn)其高可靠性、高置信度、低虛警率的要求。因此將多種不同的故障預(yù)測(cè)算法有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)系統(tǒng)的綜合性能。

4）仿真驗(yàn)證系統(tǒng)研究

故障預(yù)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證是個(gè)復(fù)雜的問題。如果采用真實(shí)的試驗(yàn)來驗(yàn)證，則需要一個(gè)較大的樣本空間、設(shè)備失效模式模擬等，難度和工作量都很大。仿真驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)于預(yù)測(cè)算法開發(fā)和驗(yàn)證工作都將起到極大的輔助作用。而且對(duì)安全性要求很高的設(shè)備進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證，可以減少危險(xiǎn)性。采用該方法可以適當(dāng)減少對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)的需求，但這對(duì)建模和仿真的能力提出了更高的要求。

4 結(jié)語

PHM系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到電子設(shè)備本身的專業(yè)技術(shù)、維修保障技術(shù)、硬軟件領(lǐng)域等多個(gè)專業(yè)、鄰域。要想把它廣泛地應(yīng)用在工程上需要各行各業(yè)的專業(yè)人員的合作，在技術(shù)上還有很多困難需要攻關(guān)。今后應(yīng)該重點(diǎn)開展PHM系統(tǒng)體系、故障預(yù)測(cè)、健康管理等的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，盡快應(yīng)用于各行各業(yè)中。

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