淺析故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）技術(shù)

秦銀雷 宋奕 童建春

陸軍航空兵學(xué)院直升機(jī)機(jī)械工程系機(jī)械維護(hù)教研室 101123

淺析故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）技術(shù)

秦銀雷 宋奕 童建春

陸軍航空兵學(xué)院直升機(jī)機(jī)械工程系機(jī)械維護(hù)教研室 101123

故障預(yù)測(cè)和健康管理(PHM)技術(shù)是復(fù)雜系統(tǒng)采用的便于測(cè)試和維修診斷的一種革新方案，是實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)可承受性的關(guān)鍵技術(shù)。本文在闡述PHM內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，介紹了PHM技術(shù)的作用?；赑HM系統(tǒng)框架，著重分析了PHM系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)方法和數(shù)據(jù)融合和自動(dòng)推力決策技術(shù)，最后指出了PHM技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。

引言

隨著各種大型復(fù)雜武器系統(tǒng)性能的不斷提高及系統(tǒng)組成的復(fù)雜性不斷增加，各種信息技術(shù)和智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用其中，使系統(tǒng)的可靠性、維修性、故障預(yù)測(cè)與診斷及維修保障等問(wèn)題日見(jiàn)突出。目前，對(duì)大型武器系統(tǒng)的維護(hù)仍然以定期維護(hù)和預(yù)防性維修為主，采用多、勤、細(xì)來(lái)保障系統(tǒng)可靠性及正常任務(wù)的完成。這種方式不僅耗費(fèi)資源，而且效率低下。如據(jù)美國(guó)在X- 34和X- 37運(yùn)載火箭研制過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，為保證航天飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的成功，每個(gè)任務(wù)期內(nèi)要耗費(fèi)40 0萬(wàn)美元以及2 0 0人左右的工作小組來(lái)進(jìn)行預(yù)防性維修工作。因此，“經(jīng)濟(jì)可承受性”成為一個(gè)不可回避的問(wèn)題，并作為大型項(xiàng)目研究的重點(diǎn)考慮因素。例如目前由美國(guó)、英國(guó)以及其他國(guó)家軍方合作開(kāi)發(fā)的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）項(xiàng)目就明確指出“經(jīng)濟(jì)可承受性”是其四大目標(biāo)之一。據(jù)美軍綜合數(shù)據(jù)，在武器裝備的全壽命周期費(fèi)用中，使用與保障費(fèi)用占到了總費(fèi)用的7 2%。與使用保障費(fèi)用相比，維修保障費(fèi)用在技術(shù)上更具有可壓縮性。故障預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostic and H ealth M anagem en t，PHM)、基于狀態(tài)的維修(Cond ition Based Maintenance，CBM)、貨架產(chǎn)品(COTS)、自主保障(A L)等都是壓縮維修保障費(fèi)用的重要手段。由于視情維修具有后勤保障規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)可承受性好、自動(dòng)化、高效率以及可避免重大災(zāi)難性事故等顯著優(yōu)勢(shì)而具有很好的前景。視情維修要求系統(tǒng)自身具有對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)并對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行管理的能力，可以實(shí)現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)可承受性”的目標(biāo)，由此產(chǎn)生了故障預(yù)測(cè)與健康管理概念。

1 PHM技術(shù)

故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)，也稱故障預(yù)測(cè)與狀態(tài)管理。故障預(yù)測(cè)，即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，包括確定部件的殘余壽命或正常工作的時(shí)間長(zhǎng)短；狀態(tài)管理，是根據(jù)診斷、預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策的能力。綜合考慮上述兩個(gè)方面功能，PHM是指利用各種傳感器在線監(jiān)測(cè)、定期巡檢和離線檢測(cè)相結(jié)合的辦法，廣泛獲取設(shè)備狀態(tài)信息，借助各種智能推理算法（物理模型、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、模糊邏輯、專家診斷系統(tǒng)等)來(lái)評(píng)估設(shè)備本身的健康狀態(tài)；在系統(tǒng)發(fā)生故障之前，結(jié)合歷史工況信息、故障信息、試車信息等多種信息資源對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提供維修保障決策及實(shí)施計(jì)劃等以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修。PHM是機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）和狀態(tài)監(jiān)測(cè)能力（CBM）的拓展，是從設(shè)備級(jí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷到系統(tǒng)級(jí)綜合診斷與狀態(tài)管理的轉(zhuǎn)變，其目的是減少維修耗費(fèi)、增加戰(zhàn)斗完好率和實(shí)現(xiàn)自主式保障。

2 PHM系統(tǒng)

雖然在航空航天、國(guó)防軍事以及工業(yè)各領(lǐng)域中應(yīng)用的不同類型的PHM系統(tǒng)，但一般應(yīng)具備故障檢測(cè)、故障隔離、增強(qiáng)的診斷、性能檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)、健康管理、部件壽命追蹤等能力，通過(guò)聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)(JD IS)與自主保障系統(tǒng)交聯(lián)。聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)的PHM系統(tǒng)分為機(jī)上與地面兩部分構(gòu)成的一體化系統(tǒng)，它采用分層推理結(jié)構(gòu)，便于從部件級(jí)到整個(gè)系統(tǒng)級(jí)綜合應(yīng)用故障診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)。

2.1 PHM系統(tǒng)的框架

PHM的體系結(jié)構(gòu)(圖1)主要由7個(gè)部分構(gòu)成，即：

圖1 PHM的體系結(jié)構(gòu)

圖2 基于特征進(jìn)化的故障預(yù)測(cè)

(1)數(shù)據(jù)采集和傳輸。該部分利用各種傳感器采集系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，將提供PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并且還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

(2)數(shù)據(jù)處理。該部分接受來(lái)自傳感器以及其他數(shù)據(jù)處理模塊的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理成后繼的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)等部分處理要求的格式。

(3)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該部分接受來(lái)自傳感器、數(shù)據(jù)處理以及其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)。其功能主要是將這此數(shù)據(jù)同預(yù)定的失效判據(jù)等進(jìn)行比較來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)并且可根據(jù)預(yù)定的各種參數(shù)指標(biāo)極限值/閥值來(lái)提供故障報(bào)警能力。

(4)健康評(píng)估。該部分接受來(lái)自不同狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊以及其他健康評(píng)估模塊的數(shù)據(jù)。主要評(píng)估被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(也可以是分系統(tǒng)、部件等)的健康狀態(tài)(如是否有參數(shù)退化現(xiàn)象等)，可以產(chǎn)生故障診斷記錄并確定故障發(fā)生的可能性。

(5)故障預(yù)測(cè)。該部分可綜合利用前述各部分的數(shù)據(jù)信息，可評(píng)估和預(yù)測(cè)被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的健康狀態(tài)，包括剩余壽命等。故障預(yù)測(cè)能力是PH M系統(tǒng)的顯著特征之一。

(6)自動(dòng)推理決策。該部分接受來(lái)自狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)部分的數(shù)據(jù)。其功能主要是產(chǎn)生更換、維修活動(dòng)等建議措施。

(7)接口。該部分主要包括人—機(jī)接口和機(jī)—機(jī)接口。人—機(jī)接口包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的警告信息顯示以及健康評(píng)估、預(yù)測(cè)和決策支持模塊的數(shù)據(jù)信息的表示等；機(jī)—機(jī)接口使得上述各模塊之間以及PH M系統(tǒng)同其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息可以進(jìn)行傳遞。

2.2 PHM系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)方法

PHM系統(tǒng)顯著的特征就是具有故障預(yù)測(cè)的能力。故障預(yù)測(cè)是指綜合利用各種數(shù)據(jù)信息如監(jiān)測(cè)的參數(shù)、使用狀況、當(dāng)前的環(huán)境和工作條件、早先的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、歷史經(jīng)驗(yàn)等，并借助各種推理技術(shù)如數(shù)學(xué)物理模型、人工智能等評(píng)估部件或系統(tǒng)的剩余使用壽命，預(yù)計(jì)其未來(lái)的健康狀態(tài)。在PHM系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的故障預(yù)測(cè)方法主要有：

2.2.1 基于特征進(jìn)化的故障預(yù)測(cè)

該方法適用于那些具有性能退化類型故障的系統(tǒng)/分系統(tǒng)，如壓縮機(jī)和渦輪的氣路退化、油液狀態(tài)的變化以及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能退化等。該方法要求有足夠的傳感器信息來(lái)評(píng)估系統(tǒng)/分系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)以及確定相應(yīng)的不確定性水平。然后，通過(guò)將系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)同已知的故障模式進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖2是該方法的示意圖。

2.2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的故障預(yù)測(cè)

此類方法利用A N N的非線性轉(zhuǎn)化特征，及其智能學(xué)習(xí)機(jī)制，來(lái)建立監(jiān)測(cè)到的故障現(xiàn)象與產(chǎn)品故障損傷狀態(tài)之間的聯(lián)系。利用已知的“異常特征—故障損傷”退化軌跡，或通過(guò)故障注入(seeded fau lt)建立與特征分析結(jié)果關(guān)聯(lián)的退化軌跡，對(duì)A NN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依據(jù)當(dāng)前產(chǎn)品特征對(duì)產(chǎn)品的故障損傷狀態(tài)進(jìn)行判斷。由于ANN具有自適應(yīng)特征，因此可以利用非顯式特征信息來(lái)進(jìn)行“訓(xùn)練/學(xué)習(xí)”與故障損傷狀態(tài)判斷。圖3是該方法的示意圖。

圖3 基于ANN的故障預(yù)測(cè)

2.2.3 基于系統(tǒng)模型的故障預(yù)測(cè)

此方法利用建立被觀測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型(包括退化過(guò)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)特性，進(jìn)行故障模式確認(rèn)、故障診斷和故障預(yù)測(cè)(圖4)。

圖4 基于系統(tǒng)模型的故障預(yù)測(cè)

2.2.4 基于使用環(huán)境的故障預(yù)測(cè)

由美國(guó)馬里蘭大學(xué)提出的電子產(chǎn)品“壽命消耗監(jiān)控(LCM)”方法論采信的是環(huán)境信息，基于電子產(chǎn)品的失效物理模型，通過(guò)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)而推斷產(chǎn)品的剩余壽命。它的基礎(chǔ)是對(duì)產(chǎn)品對(duì)象失效模式、失效機(jī)理的透徹了解，并建立量化的失效物理模型。

2.2.5 基于損傷標(biāo)尺的故障預(yù)測(cè)

所謂損傷標(biāo)尺(p recu rso r)，是針對(duì)一種或多種故障機(jī)理，以被監(jiān)控產(chǎn)品相同的工藝過(guò)程制造出來(lái)的、預(yù)期壽命比被監(jiān)控對(duì)象短的產(chǎn)品?；趯?duì)被監(jiān)控對(duì)象特定失效機(jī)理的認(rèn)識(shí)，損傷標(biāo)尺可以做到定量設(shè)計(jì)。通過(guò)一系列不同健壯程度的損傷標(biāo)尺，可以實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品損傷過(guò)程的連續(xù)定量監(jiān)控。

2.3 PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和自動(dòng)推理決策技術(shù)

該部分技術(shù)應(yīng)用直接支持PH M系統(tǒng)的管理能力。給出診斷/預(yù)測(cè)結(jié)果的置信區(qū)間對(duì)于決策才更有意義。為了提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)推理的準(zhǔn)確性，并能確定推理結(jié)果的置信度，可以利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)。數(shù)據(jù)(或信息/知識(shí))融合是指通過(guò)協(xié)作或者競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程來(lái)獲得更準(zhǔn)確的推論結(jié)果。

故障診斷與預(yù)測(cè)中的數(shù)據(jù)融合可以在3個(gè)層次進(jìn)行：（1）傳感器層融合，沒(méi)有信息丟失，但傳輸與計(jì)算量大；（2）特征層融合，特征提取時(shí)有信息丟失；（3）推理層融合。典型的數(shù)據(jù)融合過(guò)程包括在特征層融合時(shí)采信傳感器層的關(guān)鍵原始數(shù)據(jù)，推理層融合時(shí)采信相似產(chǎn)品可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)知識(shí)。數(shù)據(jù)融合時(shí)要考慮的主要問(wèn)題是各種來(lái)源的信息的可信程度/精確度是不一樣的，不恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)融合也會(huì)導(dǎo)致故障診斷與預(yù)測(cè)的置信度降低。常用的數(shù)據(jù)融合方法有權(quán)重/表決、貝葉斯推理、Dem p ster-Sh afer、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯等方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

PHM技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了故障診斷、故障預(yù)測(cè)、系統(tǒng)集成三個(gè)日益完善的階段，在部件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)層次、在機(jī)械產(chǎn)品和電子產(chǎn)品兩個(gè)領(lǐng)域經(jīng)歷了不同的發(fā)展歷程。雖然各種PHM系統(tǒng)已逐步開(kāi)始得到應(yīng)用，但還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到工程實(shí)用化的程度。如目前還僅是在部分關(guān)鍵的系統(tǒng)和部件中應(yīng)用并且對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)尤其是電子產(chǎn)品的故障機(jī)理了解還不深入，有些還僅是故障的檢測(cè)，還不具備故障頂測(cè)的能力此外，如何正確有效地評(píng)估系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并做出優(yōu)化的維修決策等都需要大量的研究工作。

[1]張寶珍，曾天翔．PHM：實(shí)現(xiàn)F-35經(jīng)濟(jì)可承受性目標(biāo)的關(guān)鍵使能技術(shù)[J].航空維修與工程.2005(6)

[2]馬颯颯，陳國(guó)順，方興橋．復(fù)雜裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)初探[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2010，18(1).

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[4]孫博，康銳，謝勁松．故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù).2007，29(10).

故障預(yù)測(cè)；健康管理；PHM

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.105