電子設(shè)備故障預(yù)測與健康管理技術(shù)發(fā)展新動態(tài)

呂克洪，程先哲，李華康，張勇，邱靜，劉冠軍

國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院 裝備綜合保障技術(shù)重點實驗室，長沙 410073

當今世界，新技術(shù)變革方興未艾，極大地改變著裝備形態(tài)，也推動了裝備保障方式的變革，產(chǎn)生了自主維修保障、增強型狀態(tài)基維修等新型保障模式。這些保障模式的基礎(chǔ)是故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)技術(shù)。PHM代表了裝備狀態(tài)監(jiān)控、診斷等原有技術(shù)適應(yīng)信息化發(fā)展的趨勢，代表了裝備保障朝著自主化、綜合化、一體化、精確化方向發(fā)展的趨勢，是未來發(fā)展的必由之路。各類高新技術(shù)裝備中，電子設(shè)備是必不可少的重要組成部分，如飛機的航電、飛控等系統(tǒng)中包含了大量的電子設(shè)備。隨著PHM技術(shù)的發(fā)展，圍繞電子設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理問題，近20年來，國內(nèi)外開展了大量的技術(shù)研究工作，取得了一定的進展[1-8]。但從工程實踐看，除電池等一些具有明顯退化征兆的電子設(shè)備外，多數(shù)電子設(shè)備PHM技術(shù)基本停留在方法階段，工程應(yīng)用效果不佳。究其原因，與具有較明顯退化狀態(tài)及征兆信息的機械類設(shè)備不同，電子設(shè)備故障從表現(xiàn)形式上多為突發(fā)性，且無明顯外在征兆。曾經(jīng)在一段時間，電子設(shè)備的退化是否存在耗損性退化規(guī)律、無明顯外在征兆信息情況下怎么評估與預(yù)測等問題成為該領(lǐng)域的疑惑點，這正是電子設(shè)備PHM技術(shù)的難點所在，甚至導(dǎo)致一些人認為電子設(shè)備不能進行健康評估與預(yù)測。

本文針對該問題，梳理了電子設(shè)備PHM技術(shù)的基本概念和內(nèi)涵，介紹了電子設(shè)備PHM技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了當前復(fù)雜電子設(shè)備PHM技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和對策。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合未來復(fù)雜電子設(shè)備新特點及該領(lǐng)域最新研究進展，提出了電子設(shè)備PHM技術(shù)發(fā)展的新方向。

1 電子設(shè)備PHM技術(shù)相關(guān)概念及內(nèi)涵

近年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對電子設(shè)備PHM技術(shù)開展了大量研究[1-8]，其中涉及到很多的概念和術(shù)語。由于目前沒有統(tǒng)一標準對這些概念和術(shù)語進行界定，導(dǎo)致部分概念和術(shù)語混淆使用。為此，本文對電子設(shè)備PHM領(lǐng)域容易混淆的部分關(guān)鍵概念/術(shù)語及其內(nèi)涵進行梳理如下。

1.1 損傷與退化

在電子設(shè)備PHM領(lǐng)域中，“損傷”和“退化”兩個術(shù)語比較多見，一般來說它們都可以用來描述電子設(shè)備偏離正常情況的某種狀態(tài)，但是也有區(qū)別?！皳p傷”一般描述電子設(shè)備各層級(如器件、功能電路等)物理層面上的某種內(nèi)在損壞程度(如焊點疲勞損傷、器件靜電損傷等)。“退化”則一般與電子設(shè)備的功能和性能聯(lián)系在一起，通常描述電子設(shè)備各層級(如器件、功能電路、設(shè)備等)完成某種功能的能力衰退程度(如性能退化等)。因此，從某種意義上講，電子設(shè)備損傷可能是電子設(shè)備退化的某種原因，例如功率芯片的靜電損傷會導(dǎo)致芯片功率輸出退化等。

1.2 故障預(yù)測與剩余壽命預(yù)測

眾所周知，“故障預(yù)測”與“剩余壽命預(yù)測”是PHM的核心和基礎(chǔ)，均可以描述設(shè)備健康狀態(tài)的未來變化情況，但從本質(zhì)上講，這兩個術(shù)語有本質(zhì)區(qū)別。按照GJB3385的定義，故障預(yù)測是指“根據(jù)測試數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)或設(shè)備潛在故障的過程”。也就是說故障預(yù)測是指根據(jù)設(shè)備當前測試數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)等信息，基于某個特定故障的演化規(guī)律，預(yù)測性地推斷設(shè)備未來發(fā)生該故障的時間。剩余壽命預(yù)測是指依據(jù)設(shè)備的當前測試數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)等信息，采用合適的壽命預(yù)報模型, 確定設(shè)備的剩余使用壽命[3]。從區(qū)別來講，故障預(yù)測針對的對象是設(shè)備特定的某個故障，而剩余使用壽命預(yù)測針對的對象是設(shè)備本身整體完成規(guī)定功能的能力。它們之間屬于局部和整體之間的關(guān)系。例如，當電子設(shè)備某個故障嚴酷度低，且該故障的發(fā)生并不影響電子設(shè)備的使用壽命時，該故障的預(yù)測結(jié)果則不能代表電子設(shè)備的剩余壽命預(yù)測結(jié)果。當電子設(shè)備的某個故障與其使用壽命密切相關(guān)(如關(guān)鍵故障、單點故障等)，或者電子設(shè)備僅有一種故障模式時，該故障的預(yù)測結(jié)果則可以代表電子設(shè)備的剩余使用壽命預(yù)測結(jié)果。一般來說，由于電子設(shè)備的故障模式眾多，其壽命是其眾多故障模式的綜合反映，因此，電子設(shè)備的剩余壽命預(yù)測結(jié)果應(yīng)該是其眾多故障預(yù)測結(jié)果的綜合體現(xiàn)，不能混為一談。

1.3 損傷狀態(tài)、退化狀態(tài)、健康狀態(tài)與使用狀態(tài)

在電子設(shè)備PHM領(lǐng)域中，另一個比較常用的術(shù)語是“狀態(tài)”一詞，由于不同學(xué)者針對的角度不同，導(dǎo)致對電子設(shè)備“狀態(tài)”的使用也有很大區(qū)別，目前該領(lǐng)域應(yīng)用較多的主要包括：損傷狀態(tài)、退化狀態(tài)、健康狀態(tài)與使用狀態(tài)等，在1.1節(jié)中對“損傷”和“退化”兩個術(shù)語內(nèi)涵分析基礎(chǔ)上，損傷狀態(tài)和退化狀態(tài)的區(qū)別也就顯而易見。損傷狀態(tài)是指電子設(shè)備內(nèi)在的物理層面上的某種損壞程度。退化狀態(tài)是指電子設(shè)備外在的完成某種功能的能力衰退程度。通常來說，電子設(shè)備的退化狀態(tài)與健康狀態(tài)是相對應(yīng)的，即隨著電子設(shè)備退化狀態(tài)的逐漸增加，其健康狀態(tài)是越來越差的。

無論是損傷狀態(tài)、退化狀態(tài)還是健康狀態(tài)，都描述的是電子設(shè)備本身固有的健康衰退情況。由于電子設(shè)備的工作環(huán)境(使用環(huán)境)各不相同且時常變化，健康狀態(tài)很好的電子設(shè)備在惡劣環(huán)境中的剩余使用壽命可能很短，而健康狀態(tài)較差的電子設(shè)備在較好的環(huán)境中剩余壽命可能很長，因此，損傷狀態(tài)、退化狀態(tài)和健康狀態(tài)還不能獨立描述電子設(shè)備在使用環(huán)境中繼續(xù)完成規(guī)定功能的能力。此時，可將電子設(shè)備的健康狀態(tài)與使用環(huán)境相結(jié)合分析，采用“使用狀態(tài)”來描述電子設(shè)備在未來工作環(huán)境中完成規(guī)定功能的能力。具體地，不同類型“狀態(tài)”間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 各種“狀態(tài)”間的關(guān)系Fig.1 Relationship between various “States”

2 電子設(shè)備PHM技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 電子設(shè)備健康耗損性規(guī)律

由于電子設(shè)備的故障表現(xiàn)多為突發(fā)性、隨機性，電子設(shè)備的退化是否存在系列化狀態(tài)變化、規(guī)律如何等，研究界曾經(jīng)認識不夠清晰，這在一定程度上導(dǎo)致電子設(shè)備PHM研究本源性不強。近年來，經(jīng)深入機理分析與大量試驗研究，國際上對電子設(shè)備耗損性規(guī)律和系列性健康狀態(tài)是否存在的問題有了初步認識：雖然電子設(shè)備故障表現(xiàn)為突發(fā)性，但其內(nèi)部器件/部件等存在隨溫度、濕度、振動和工作應(yīng)力而耗損的狀態(tài)退化過程，即電子設(shè)備在服役過程中存在耗損性的系列健康狀態(tài)，這也為電子設(shè)備健康管理提供了理論依據(jù)。

在失效物理研究領(lǐng)域，電子設(shè)備的電子器件(如功率器件、半導(dǎo)體器件等)退化機理研究已經(jīng)取得了較大的進展，同時建立了許多具有實際應(yīng)用價值的失效物理模型。例如比較常見的熱載流子退化模型、經(jīng)時擊穿模型、靜電損傷模型等[9]。這些失效物理模型相當于描述了這些電子器件在各種應(yīng)力作用下的退化規(guī)律。另外，在電子設(shè)備的一些具有特定退化特征的功能單元和機械連接單元的退化機理方面，學(xué)術(shù)和工程界也開展了一定的研究。例如，電池單元的退化機理與規(guī)律研究取得較好的進展，Liu等[10]和Susilo等[11]分別對鋰電池的退化機理及狀態(tài)評估展開了研究。在電路板焊點、連接器、PCB板等機械連接單元的退化機理研究方面也取得了一定進展，Jiang等[12]分析評估了不同溫度應(yīng)力下的焊點損傷，Kwon等[13]對焊點連接件展開了退化規(guī)律研究。但總體上說，目前電子設(shè)備健康耗損性規(guī)律研究主要集中在一些典型電子元器件或功能單元的退化機理和規(guī)律方面，對于電子設(shè)備整體的退化機理研究較少，耗損性規(guī)律尚不明晰。

2.2 電子設(shè)備故障預(yù)測方法

目前，在PHM技術(shù)領(lǐng)域，故障預(yù)測方法的研究較多，依據(jù)預(yù)測采用的數(shù)據(jù)源以及模型的不同，故障預(yù)測的方法分類也較多，基于數(shù)據(jù)、基于模型等分類方法可以見文獻[1-8]。北京航空航天大學(xué)曾聲奎等[1]很早就提出了故障診斷與預(yù)測的認知模型，在該模型的基礎(chǔ)上，將故障診斷與預(yù)測方法分為：基于故障狀態(tài)信息、基于異?，F(xiàn)象信息、基于使用環(huán)境信息、基于損傷標尺、數(shù)據(jù)融合及綜合診斷等5類故障診斷與預(yù)測方法[1]，該分類比較清楚地給出了故障診斷與故障預(yù)測方法發(fā)展的完整圖像。本文在上述5類方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子設(shè)備無明顯故障征兆的特點，梳理當前電子設(shè)備的故障預(yù)測方法主要集中在以下4個方面。

1) 基于損傷標尺的故障預(yù)測方法

損傷標尺是針對一種或多種故障機理，以被監(jiān)控電子設(shè)備相同的工藝過程制造出來的，預(yù)期壽命比被監(jiān)控對象短的產(chǎn)品。學(xué)術(shù)界也稱之為Canary、預(yù)警裝置、Precursor等[1,14]。損傷標尺的基礎(chǔ)是對被監(jiān)控電子設(shè)備特定失效機理的清楚認識(如已經(jīng)建立失效物理模型等)，基于特定的失效機理，損傷標尺可以做到定量設(shè)計，并可以在電子設(shè)備的電子元器件內(nèi)和電路板級等實現(xiàn)故障預(yù)測。目前針對特定的失效機理，已有包含損傷標尺的電子元器件商業(yè)化產(chǎn)品，而且可以做到在主器件剩余20%壽命時失效[1]。因此，基于損傷標尺的電子設(shè)備故障預(yù)測方法的精度較高。近年來，基于損傷標尺的故障預(yù)測方法的研究工作仍在持續(xù)開展，例如，Chauhan等[15]和Hirohata等[16]分別采用損傷標尺法對菊花鏈式電路焊點的失效展開了故障預(yù)測研究。Battipede等[17]采用基于模型分析的方法構(gòu)造損傷標尺，對機電伺服系統(tǒng)的故障進行了預(yù)測。但總體來說，由于失效機理已經(jīng)明確且有失效物理模型支撐的元器件相對較少，而且損傷標尺需要在元器件生產(chǎn)過程中進行設(shè)計和制造，同時還需要對損傷標尺與監(jiān)控對象兩者的失效機理及應(yīng)力因素等方面的相似度進行精確掌控，該方法實施難度大，當前應(yīng)用范圍較小。

2) 基于狀態(tài)信息的故障預(yù)測方法

電子設(shè)備一般由若干的功能電路/單元等組成，這些電路/單元的輸出狀態(tài)信息部分能夠反映電子設(shè)備的健康狀態(tài)。因此，可以直接采用電子設(shè)備的功能及性能等狀態(tài)信息實現(xiàn)電子設(shè)備的故障預(yù)測[1]。例如，Kirkland等[18]利用采集的電性能退化信息，實現(xiàn)對電子設(shè)備典型故障的預(yù)測。許麗佳[19]基于紋波電壓等狀態(tài)信息對雷達發(fā)射機故障進行預(yù)測。Yang等[20]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了電機狀態(tài)信息與其剩余壽命之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以動態(tài)健康指數(shù)為基礎(chǔ)開展故障預(yù)測研究，并在電機上進行了實驗驗證。Mosallam等[21]針對電池狀態(tài)信息采用離散貝葉斯濾波器開展了剩余壽命預(yù)測研究。Poon等[22]使用廣義梯度下降算法來估計開關(guān)功率電子系統(tǒng)中的實時參數(shù)(例如，電容、電感、寄生電阻)，進而將這些參數(shù)用于3 kW太陽能光伏交錯式升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的故障預(yù)測。但是，由于電子設(shè)備故障普遍具有突發(fā)性的特點，大部分的電子設(shè)備的功能及性能等狀態(tài)信息還不能有效反映電子設(shè)備的退化，即使部分狀態(tài)信息(如半導(dǎo)體功率管的閾值電流等)可以較明顯反映故障的演化過程，這些參數(shù)也往往需要一定的測試條件，直接在線獲取這類狀態(tài)信息比較困難，這也直接導(dǎo)致目前基于狀態(tài)信息的故障預(yù)測方法在電子設(shè)備PHM的工程實際中難以大范圍實施。

3) 基于環(huán)境/工作應(yīng)力監(jiān)測與失效模型的故障預(yù)測方法

由于電子設(shè)備所承受的環(huán)境/工作應(yīng)力信息在工程是比較容易監(jiān)測得到的，同時基于這些應(yīng)力作用下的失效物理模型，有可能實現(xiàn)電子設(shè)備的故障預(yù)測與健康評估?；谠摷夹g(shù)原理，美國馬里蘭大學(xué)CALCE中心較早地提出了電子設(shè)備“壽命消耗監(jiān)控(Life Consumption Monitoring，LCM)”方法論[23]。LCM方法通過對環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力的監(jiān)測，結(jié)合電子設(shè)備的失效物理模型進行累積損傷計算和典型故障的預(yù)測，進而推斷產(chǎn)品的剩余壽命。近年來，呂克洪[9]基于時間應(yīng)力和失效物理模型開展了焊點、功率管等典型電子器件的故障預(yù)測。Renwick等[24]通過監(jiān)測電應(yīng)力得到了電容器件的狀態(tài)退化規(guī)律并進行故障預(yù)測分析。Rana等[25]建立了不同電子元器件的物理失效模型，并基于模型開展了壽命預(yù)測研究。整體來說，該方法采集的是電子設(shè)備的外圍環(huán)境/工作應(yīng)力信息，工程中便于實現(xiàn)，但該方法同時涉及到累積損傷計算和較好的失效物理模型等多個環(huán)節(jié)，不確定性較大，故障預(yù)測精度和準確度相對較低。

4) 基于數(shù)據(jù)融合的故障預(yù)測方法

由于電子系統(tǒng)的復(fù)雜性、故障表現(xiàn)的隨機性和突變性，近年來，有學(xué)者提出了將基于數(shù)據(jù)融合的方法應(yīng)用于電子設(shè)備故障診斷及預(yù)測領(lǐng)域。例如，Liao和K?ttig[26]將基于模型的方法和基于數(shù)據(jù)的方法進行融合開展剩余壽命預(yù)測研究，運用豐富的歷史數(shù)據(jù)修正物理模型中權(quán)重因子，彌合了數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測和基于模型的預(yù)測之間的差距。所提出的框架成功應(yīng)用于鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測，并且與經(jīng)典粒子濾波器方法相比實現(xiàn)了明顯更好的準確性。Vasan等[27]采用電路輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)估計回歸模型參數(shù)，考慮元件性能退化的不確定性，引入隨機因子以概率分布的形式對模擬電路故障進行了預(yù)測，給出了相應(yīng)的置信度，該方法主要用于可以得到大量輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)的模擬電路。Xu等[28]對電控裝置的多維信息進行綜合分析，開展了不同工況下的剩余壽命預(yù)測研究，取得了一定效果。但是該方法需要大量能有效表征電子設(shè)備退化狀態(tài)的特征參數(shù)數(shù)據(jù)，這方面仍是困擾電子設(shè)備PHM技術(shù)的難點，因此，該方法目前在預(yù)測電子設(shè)備故障時準確性仍然較低，而且還具有一定的隨機性。

2.3 電子設(shè)備狀態(tài)評估技術(shù)

為了對電子設(shè)備的健康進行管理決策，電子設(shè)備的狀態(tài)評估是必要環(huán)節(jié)。由于電子設(shè)備狀態(tài)描述的復(fù)雜性，相對故障預(yù)測方法而言，關(guān)于狀態(tài)評估的研究相對較少，目前已有的電子設(shè)備狀態(tài)評估技術(shù)主要體現(xiàn)在基于數(shù)據(jù)、基于模型、基于健康指數(shù)3個方面。

1) 基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估方法

基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估方法是指在無先驗知識的情況下對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，基于數(shù)據(jù)模型展開狀態(tài)評估。例如，Cui等[29]在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)上提出了一種新穎的無監(jiān)督數(shù)據(jù)驅(qū)動方法用于電子設(shè)備系統(tǒng)級狀態(tài)評估，將電子系統(tǒng)健康狀態(tài)評估視為與數(shù)據(jù)集中或親和力水平相關(guān)的問題，最終基于數(shù)據(jù)得到電子設(shè)備健康狀態(tài)退化的痕跡。Hu等[30]針對風(fēng)電轉(zhuǎn)換器IGBT模塊基板焊料疲勞故障，建立了基于殼體溫度差的基板焊料疲勞評估方法，以實際風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)換器IGBT模塊為例進行了狀態(tài)評估，為健康狀態(tài)評估提供了一種新的思路。Vasan和Pecht[31]通過提取電子系統(tǒng)中故障組件的響應(yīng)參數(shù)而非元件自身狀態(tài)參數(shù)，并采用基于核的機器學(xué)習(xí)算法進行訓(xùn)練，來提高電子系統(tǒng)狀態(tài)評估的準確性。

2) 基于模型的狀態(tài)評估方法

基于模型的狀態(tài)評估方法是通過構(gòu)造電子設(shè)備退化模型來對電子設(shè)備狀態(tài)進行評估，主要包括物理模型和過程模型兩種。例如，薛東風(fēng)和葉繼坤[32]融合了核有監(jiān)督非相關(guān)鄰域保持投影算法及隱馬爾可夫模型對地空導(dǎo)彈電子設(shè)備展開狀態(tài)評估研究。Zhao等[33]針對存在軟故障和硬故障競爭風(fēng)險的系統(tǒng)采用非平穩(wěn)伽馬過程建立系統(tǒng)狀態(tài)退化模型，通過對退化軌跡及監(jiān)控時間維度的離散化處理來評估電子系統(tǒng)健康狀態(tài)，減少了算法計算量。

3) 基于健康指數(shù)的狀態(tài)評估方法

基于健康指數(shù)的狀態(tài)評估方法是在構(gòu)造電子設(shè)備健康指數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對健康指數(shù)進行監(jiān)測進而實現(xiàn)電子設(shè)備狀態(tài)評估。例如，Vasan和Pecht[31]提出了一種以電路為中心的電子系統(tǒng)健康評估方法，將電子設(shè)備拆分為若干關(guān)鍵電路，通過對關(guān)鍵電路中節(jié)點參數(shù)的監(jiān)控來綜合表征系統(tǒng)整體健康狀態(tài)。和麟等[34]通過對電子設(shè)備檢測多參數(shù)之間的馬氏距離進行計算分析，以減少電子設(shè)備健康狀態(tài)評估方法的虛警。Montanari等[35]針對電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)評估提出了健康指標的定義，將其健康指標設(shè)定為工作時長的函數(shù)，并結(jié)合退化模型進行評估。沈親沐[36]和李乾[37]采用累積插入損耗增益等特征對電連接器的使用狀態(tài)進行評估，取得了較好的效果。

總體來說，雖然當前電子設(shè)備的狀態(tài)評估方法已有一定的進展，但仍然未取得能用于工程實際的實質(zhì)性突破，其根本原因在于電子設(shè)備沒有合適的特征參數(shù)來對其狀態(tài)進行表征，且用于狀態(tài)評估的特征參數(shù)難以獲取。

2.4 電子設(shè)備健康管理

在PHM技術(shù)領(lǐng)域中，健康管理的概念范疇可大可小。從廣義的概念范疇看，健康管理是一個大的概念，它包括了設(shè)備的故障診斷、故障預(yù)測、狀態(tài)評估、維修決策管理等多個方面。但從狹義的范疇看，健康管理主要是指維修決策管理。例如，依據(jù)美軍的定義，健康管理是指依據(jù)裝備故障診斷、故障預(yù)測等信息，結(jié)合可利用的維修資源和維修操作人員等信息，對裝備的維修行為做出合適的決策。因此，從狹義概念上講，電子設(shè)備的健康管理是指采用“預(yù)先”維修、保養(yǎng)的方法，在獲取電子設(shè)備故障預(yù)測信息和健康狀態(tài)后，結(jié)合相關(guān)的維修保障資源信息，在電子設(shè)備真正發(fā)生故障前采取措施，實現(xiàn)對故障的被動反應(yīng)到主動的預(yù)防。

由于目前整個電子設(shè)備PHM技術(shù)領(lǐng)域，學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點還是在故障預(yù)測技術(shù)方面，而狹義的電子設(shè)備健康管理技術(shù)方面的研究還相對較少。具體地，Wang與Pecht[38]將電子系統(tǒng)故障預(yù)測中的損傷標尺方法與預(yù)防性維修策略相結(jié)合，應(yīng)用更新回報理論與蒙特卡洛仿真的方法，分析了不同維修模型下的單位時間成本，對維修決策具有指導(dǎo)作用。Scanff[39]、Feldman[40]和Vichare[41]等應(yīng)用隨機模型，結(jié)合電子設(shè)備壽命消耗監(jiān)控等故障預(yù)測方法獲取信息，對直升機的航電系統(tǒng)壽命周期成本進行了分析，優(yōu)化了安全邊界和預(yù)測距離。徐玉國等[14]基于電子設(shè)備損傷標尺的故障預(yù)測信息，在完美換件維修的假設(shè)下，以單位時間成本、平均使用可用度與平均效費比為指標，提出了一種電子設(shè)備預(yù)測維修優(yōu)化決策模型。年夫順[42]提出健康管理任務(wù)主要在于研究監(jiān)測數(shù)據(jù)變化和走勢，評估設(shè)備實際運行狀況，建立設(shè)備全壽命周期健康檔案，為設(shè)備維修保障決策提供依據(jù)。韓國泰[43]指出航電 PHM 是一個復(fù)雜的信息管理系統(tǒng)，需要運用現(xiàn)代信息技術(shù)對飛機的安全和維修進行精確管理。宋磊[44]借鑒云計算技術(shù)架構(gòu)，運用軟件開放式設(shè)計思想，設(shè)計了一種基于云服務(wù)的 PHM 體系結(jié)構(gòu)，對流程進行了設(shè)計優(yōu)化。綜上分析，目前電子設(shè)備健康管理技術(shù)研究主要集中于健康管理系統(tǒng)的總體構(gòu)架層面，對具體的電子設(shè)備健康管理決策方法研究還比較少。

3 電子設(shè)備PHM技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及其對策

雖然目前電子設(shè)備PHM技術(shù)的學(xué)術(shù)性研究已較多，但除電池等具有特定退化規(guī)律的功能單元的PHM技術(shù)有一定實質(zhì)性的進展外，電子設(shè)備尤其是復(fù)雜電子設(shè)備的PHM技術(shù)多為跟蹤國外研究、借鑒機械類研究或基于數(shù)據(jù)的黑箱式研究等，基本停留在方法階段，從應(yīng)用效果和技術(shù)原理上分析，實際上無有效方法。也就是說，當前復(fù)雜電子設(shè)備的PHM技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 電子設(shè)備健康耗損性規(guī)律不明確

電子設(shè)備健康耗損性規(guī)律是對其進行故障預(yù)測與健康管理的基礎(chǔ)。電子設(shè)備包含了大量電子元器件和機械連接組件。在不同的環(huán)境和工作應(yīng)力作用下，各電子元器件和機械連接組件的健康退化機理也各不相同，而目前已經(jīng)建立的退化/失效物理模型僅適用于電子設(shè)備中的少數(shù)器件和組件，大部分的電子元器件和機械連接組件的退化/失效物理模型還不完善甚至缺乏。因此，作為由各類電子元器件和眾多機械連接組件縱橫交錯而構(gòu)成的電子設(shè)備整體而言，其退化/失效物理模型就更難以定量和準確描述，其健康耗損性規(guī)律就更難以獲得，這也是目前電子設(shè)備PHM技術(shù)進展緩慢的重要原因之一。

2) 電子設(shè)備健康狀態(tài)難以表征

機械類設(shè)備的退化通?？梢酝ㄟ^被測對象的振動等特征信號來對其健康狀態(tài)進行表征。而電子設(shè)備與機械類設(shè)備不同，它是由電路板、功能電路、電子元器件等逐層級組合構(gòu)成，其健康狀態(tài)是各層級組成單元健康狀態(tài)的綜合體現(xiàn)。目前電子設(shè)備僅有少量電子元器件的健康狀態(tài)可以采用其輸出電信號的變化進行表征，大部分電子元器件的退化無明顯征兆，這也直接導(dǎo)致電子設(shè)備的功能電路級、電路板級甚至設(shè)備級的退化狀態(tài)難以直接觀測。當電子設(shè)備發(fā)生故障時，其電信號往往突然發(fā)生變化，且發(fā)生間隔時間很短。正因為如此，一些學(xué)者把電子設(shè)備的故障稱為突發(fā)性故障，認為難以預(yù)測。也就是說，目前還沒有合適的可觀測的外在征兆來刻畫電子設(shè)備從正常到故障的衰退過程，即電子設(shè)備的健康狀態(tài)難以表征，這是電子設(shè)備PHM技術(shù)的一個關(guān)鍵難點。

3) 復(fù)雜電子設(shè)備PHM特征參數(shù)難以獲取

當前的電子設(shè)備越來越復(fù)雜，密集程度越來越高，即使電子設(shè)備的部分電子元器件的健康狀態(tài)可以采用其輸出電信號的變化進行表征(即內(nèi)部具有可用于電子設(shè)備PHM的電信號特征參數(shù)，如功率器件、半導(dǎo)體器件等)，但由于當前的復(fù)雜電子設(shè)備設(shè)計時，基本沒有綜合考慮電子設(shè)備PHM需求，沒有預(yù)先設(shè)計這些特征參數(shù)的測試點或測試接口，導(dǎo)致復(fù)雜電子設(shè)備這些可用于PHM的特征參數(shù)在工程中也難以進行捕捉和獲取。

4) 電子設(shè)備故障發(fā)生具有較強隨機性

由于電子設(shè)備元器件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時各類器件在設(shè)計和工藝過程中總存在一定的設(shè)計和質(zhì)量缺陷。在隨機的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力的綜合作用下，電子設(shè)備器件的各類缺陷被隨機激發(fā)，所表現(xiàn)出來的故障就具有較強的隨機性，這也給電子設(shè)備從健康到逐漸耗損的退化過程疊加了隨機性，導(dǎo)致電子設(shè)備PHM具有很大的不確定性，這也是當前電子設(shè)備PHM面臨的又一挑戰(zhàn)。

針對上述電子設(shè)備面臨的各項挑戰(zhàn)，結(jié)合未來復(fù)雜電子設(shè)備新特點及該領(lǐng)域最新研究進展，本文提出如圖2所示的基本對策，以期對復(fù)雜電子設(shè)備PHM技術(shù)發(fā)展新方向提供參考。

圖2 電子設(shè)備PHM技術(shù)挑戰(zhàn)、對策與發(fā)展新方向Fig.2 Challenges, countermeasures and new devel-opment of PHM for electronic equipment

具體地，針對電子設(shè)備健康耗損性規(guī)律不明確、電子設(shè)備健康狀態(tài)難以表征的難題，需要尋找能夠觀測且能反映電子設(shè)備退化狀態(tài)的新特征，進而以該特征為基礎(chǔ)，研究分析電子設(shè)備的健康耗損性規(guī)律和健康狀態(tài)表征技術(shù)。近年來研究表明：電子設(shè)備的間歇故障特征就可以很好地反映電子設(shè)備的退化情況，采用間歇故障特征有可能較好地表征電子設(shè)備健康狀態(tài)。針對復(fù)雜電子設(shè)備PHM特征參數(shù)難以獲取的問題，需要在電子設(shè)備設(shè)計之初就要充分考慮PHM的測試需求。結(jié)合電子設(shè)備測試性設(shè)計相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和電子設(shè)備的健康管理需求，新近發(fā)展的面向PHM的復(fù)雜電子設(shè)備測試性設(shè)計技術(shù)可以很好解決電子設(shè)備PHM特征參數(shù)難獲取的技術(shù)難題。針對復(fù)雜電子設(shè)備故障具有一定隨機性，導(dǎo)致PHM不確定性大問題，一方面需要提高電子設(shè)備的可靠性，減少設(shè)計和制造缺陷，另一方面可以以間歇故障特征為主，充分利用狀態(tài)信息特征、環(huán)境應(yīng)力特征等多源信息，綜合分析評估電子設(shè)備的健康狀態(tài)，即基于多源特征的電子設(shè)備健康狀態(tài)評估技術(shù)是未來PHM技術(shù)發(fā)展的又一個新方向。

4 電子設(shè)備PHM技術(shù)發(fā)展新方向

4.1 基于間歇故障特征的電子設(shè)備健康狀態(tài)表征技術(shù)

間歇故障是一類持續(xù)時間短、可反復(fù)出現(xiàn)、未經(jīng)處理可自行消失的非永久故障。國內(nèi)外工程實踐表明，間歇故障是電子設(shè)備服役中后期的一種主要故障類型。近年來，通過國內(nèi)外的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備的間歇故障往往是其永久故障的前兆，其特征可以有效對電子設(shè)備健康狀態(tài)進行表征和評估，如圖3所示。

圖3 電子設(shè)備間歇故障特征隨使用時間的變化Fig.3 Variation of intermittent fault characteristics of electronic equipment with usage time

尤其近年來，電子設(shè)備間歇故障確定性檢測技術(shù)已經(jīng)獲得了突破，并取得了重大進展[45]，基于間歇故障特征的電子設(shè)備健康狀態(tài)表征技術(shù)逐漸引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的重視。例如Correcher等[46]均認為電子設(shè)備老化是導(dǎo)致間歇故障的主要原因，并且指出間歇故障是電子設(shè)備永久故障的前兆。Abreu等[47]研究了間歇故障概率的計算方法。國內(nèi)方面，周東華等[48-51]針對動態(tài)系統(tǒng)的間歇故障診斷問題進行了深入的研究，以間歇故障的成因、幅值特性和不同時刻發(fā)生故障之間的相關(guān)性等為依據(jù), 對間歇故障進行了分類，提出了一種魯棒診斷方法，并對多種間歇故障診斷方法的優(yōu)劣性進行了闡述。Liang等[52]對互連網(wǎng)絡(luò)的間歇故障診斷技術(shù)進行了研究，對互連網(wǎng)絡(luò)中的間歇故障可診斷性進行了詳細分析。國防科技大學(xué)沈親沐[36]、李乾[37]研究了電子設(shè)備電連接器的間歇故障振動隨機特性、復(fù)現(xiàn)、健康狀態(tài)表征等問題，取得了一定的進展。

從目前研究現(xiàn)狀來看，電子設(shè)備的間歇故障的檢測與診斷問題逐漸被專家學(xué)者所關(guān)注，利用間歇故障特征來表征電子設(shè)備的健康狀態(tài)從原理上逐漸被認識，已成為電子設(shè)備PHM技術(shù)發(fā)展的新方向。但該技術(shù)還處于研究起步階段，有待進一步研究和突破，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1) 對間歇故障特征與電子設(shè)備健康狀態(tài)的關(guān)系認識還很簡單。如簡單認為間歇故障次數(shù)越多、退化狀態(tài)越嚴重。通過深入分析，該認識很可能是錯誤的；或者間歇故障幅值越大、退化狀態(tài)越嚴重，但該認識也是不全面的。

2) 缺乏對基于間歇故障特征的健康狀態(tài)表征模型的深入研究。目前對間歇故障特征的應(yīng)用仍停留在定性層面，缺乏理論模型對間歇故障與電子設(shè)備退化的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行定量描述，通常是采集間歇故障次數(shù)或者幅值，通過簡單的對應(yīng)關(guān)系來表征電子設(shè)備的當前健康狀態(tài)。

因此，基于間歇故障特征的電子設(shè)備健康狀態(tài)表征技術(shù)研究還基本處于起步階段，尚需要進行深入的研究。

4.2 面向PHM的復(fù)雜電子設(shè)備測試性設(shè)計技術(shù)

由于復(fù)雜電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，工程領(lǐng)域一般都要求其自身具備故障的自檢測和隔離能力，這也是電子設(shè)備測試性設(shè)計的基本要求(測試必須滿足故障檢測率、故障隔離率等指標要求)。然而，針對電子設(shè)備PHM技術(shù)的核心——故障預(yù)測的測試需求，當前的電子設(shè)備設(shè)計時基本還未考慮，也就是說電子設(shè)備中沒有預(yù)先設(shè)計各類故障預(yù)測特征參數(shù)的測試點或測試接口，直接導(dǎo)致復(fù)雜電子設(shè)備PHM的特征參數(shù)難以獲取。近年來，結(jié)合測試性技術(shù)與PHM技術(shù)的發(fā)展，面向PHM的復(fù)雜電子設(shè)備測試性設(shè)計技術(shù)逐漸得到重視[53]，該技術(shù)在電子設(shè)備設(shè)計之初，通過系統(tǒng)分析電子設(shè)備的PHM測試需求，并通過優(yōu)化分析，對電子設(shè)備全壽命周期內(nèi)的PHM所需的測試參數(shù)、測試資源、測試時機等進行系統(tǒng)規(guī)劃，并與復(fù)雜電子設(shè)備的功能開展并行設(shè)計，以解決電子設(shè)備在全壽命健康管理過程中“測什么、何時測、怎么測”的技術(shù)難題，如圖4所示。

圖4 面向PHM的復(fù)雜電子設(shè)備測試性設(shè)計技術(shù)Fig.4 Testability design technology for PHM of complex electronic equipment

目前，面向PHM的復(fù)雜電子設(shè)備測試性設(shè)計技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外開展了一定的研究，并取得了一定進展。例如，NASA從2005年起，持續(xù)開展了面向PHM的傳感器優(yōu)化配置技術(shù)研究[54]。在QSI公司的TEAMS軟件和DSI公司的Express軟件中，已將部分測試性理念融入到了裝備故障預(yù)測與健康評估過程中。國內(nèi)方面，王寶龍和黃考利[55]建立了面向全壽命周期的電子裝備測試性廣義模型。張亮和張鳳鳴[56]研究了PHM中的傳感器優(yōu)化配置問題。國防科技大學(xué)楊述明[57]和譚曉棟[58]開展了面向裝備健康狀態(tài)評估的測試性設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，從面向PHM的測試性指標體系、廣義測試性模型、方案優(yōu)化設(shè)計等方面系統(tǒng)的提出了相應(yīng)的解決方案。隨著PHM技術(shù)的發(fā)展，面向PHM的電子設(shè)備測試性設(shè)計技術(shù)仍將處于探索階段，還有許多相關(guān)技術(shù)有待進一步研究突破。主要體現(xiàn)在：面向PHM的電子設(shè)備機內(nèi)測試(Built-In Test, BIT)設(shè)計方法(如電子設(shè)備間歇故障特征的BIT方法等)、電子設(shè)備健康評估推理策略以及面向PHM的測試性設(shè)計驗證等。

4.3 基于多源特征的電子設(shè)備健康狀態(tài)評估技術(shù)

為了減少由于電子設(shè)備可靠性、設(shè)計制造缺陷、環(huán)境/工作應(yīng)力、預(yù)測模型和方法等給故障預(yù)測與健康狀態(tài)評估帶來的隨機性影響，充分利用電子設(shè)備能獲取的各種信息和數(shù)據(jù)是十分必要的。正如前文電子設(shè)備故障預(yù)測方法、狀態(tài)評估方法研究現(xiàn)狀所述，目前電子設(shè)備在多源特征的故障預(yù)測與健康評估方法已有一定的研究。但信息的多源可能是“雙刃劍”，有效信息的增多將提高PHM能力，關(guān)聯(lián)性相對較弱信息的增加有可能降低有效信息作用而降低PHM能力。

從可以利用的數(shù)據(jù)源角度分析，電子設(shè)備健康狀態(tài)評估能夠采用的多源特征信息如圖5所示，主要包括以下幾個方面：① 電子設(shè)備的可靠性信息(如故障率、平均壽命分布等)；② 由電子設(shè)備BIT、外部測試設(shè)備等采集的狀態(tài)信息；③ 電子設(shè)備的間歇故障特征信息；④ 電子設(shè)備所承受的環(huán)境應(yīng)力/工作應(yīng)力歷程信息；⑤ 電子設(shè)備歷史數(shù)據(jù)信息；⑥ 電子設(shè)備其他相關(guān)的信息(如同類型設(shè)備的數(shù)據(jù)信息等)。

上述各種可利用的信息及數(shù)據(jù)中，間歇故障特征信息能有效表征電子設(shè)備健康狀態(tài)(起到主要表征作用)，狀態(tài)信息也有一定的作用(與設(shè)備類型相關(guān))，其他信息可以起到一定的輔助作用。因此，在具有上述多源特征情況下，電子設(shè)備健康狀態(tài)評估的核心和難點在于多源特征信息怎么權(quán)重與正確融合評估，否則次要信息過多將會影響評估的準確性。但在未來，隨著數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)處理、人工智能、信息融合等先進數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展，先進的融合技術(shù)有望充分發(fā)揮間歇故障特征健康狀態(tài)的表征能力，同時有效融合其他輔助性信息，將可能有效提高電子設(shè)備的健康狀態(tài)評估能力。

圖5 電子設(shè)備健康狀態(tài)評估的多源特征Fig.5 Multi-source characteristics for health state assessment of electronic equipment

5 結(jié) 論

電子設(shè)備是各類高新技術(shù)裝備的重要組成部分，近20年來，國內(nèi)外紛紛從學(xué)術(shù)上和工程上開展了大量電子設(shè)備PHM技術(shù)的研究工作，取得了一定的進展。本文梳理了電子設(shè)備PHM涉及的幾個易于混淆的關(guān)鍵概念和內(nèi)涵，對電子設(shè)備的健康耗損性規(guī)律、故障預(yù)測方法、狀態(tài)評估方法等的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行深入分析。在此基礎(chǔ)上，分析了電子設(shè)備PHM技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并給出了相應(yīng)的對策，結(jié)合未來復(fù)雜電子設(shè)備新特點及該領(lǐng)域的最新研究進展，從基于間歇故障特征的電子設(shè)備健康狀態(tài)表征、面向PHM的測試性設(shè)計等方面，提出了電子設(shè)備PHM技術(shù)發(fā)展的新方向。希望本文能夠為電子設(shè)備PHM相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供一些參考和借鑒。