故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

陶書弘，呂瑞

（1.中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所；2.航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所，北京 100095）

隨著自動化技術(shù)以及信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，不同類型的復(fù)雜系統(tǒng)集成度以及復(fù)雜度不斷提高，系統(tǒng)本身的維修保障相關(guān)問題顯得越發(fā)突出，對于整個系統(tǒng)的可靠度、經(jīng)濟性、安全性以及穩(wěn)定性等相關(guān)要求也在隨之提高。PHM技術(shù)也正是在這一環(huán)境衍生出來的，這一項技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)完全普及于航天航空，基于目前的技術(shù)現(xiàn)狀，仍然有非常巨大的發(fā)展?jié)摿?。對此，探討PHM 技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具備顯著實踐性價值。

1 PHM 技術(shù)

PHM 技術(shù)主要是指借助最少的傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)中不同信息數(shù)據(jù)的采集，并借助不同的智能化推算方式實現(xiàn)對系統(tǒng)本身的健康型評估。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障之前，可以對故障實現(xiàn)有效的預(yù)測，并結(jié)合不同的字眼信息提供相關(guān)的維修保障支持，從而達到系統(tǒng)維修需求的全面預(yù)測和分析。PHM 技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要涉及7 個模塊，分別為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)與處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、信息預(yù)測、決策支持、人機接口。整個體系結(jié)構(gòu)并不存在任何界限，相反，則存在大量的數(shù)據(jù)交叉性反饋。

PHM 技術(shù)在設(shè)備維修方面的主要價值在于下面幾點。

（1）PHM 技術(shù)屬于推動裝備維修保障的關(guān)鍵，同時，也是落實維修處理的基礎(chǔ)。當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備的維修方式仍然是以事后與定期維修模式為主，這一種維修模式必然會帶來許多的負面影響，從而導(dǎo)致盲目性的維修或者是失修的問題。（

2）發(fā)展。PHM 技術(shù)可以顯著提升維修的效率以及備戰(zhàn)的完好率，從而降低維系保障的費用可靠性。PHM 技術(shù)可以借助強大的狀態(tài)監(jiān)控以及故障預(yù)測的功能，提供預(yù)先性的決策，從而降低維修的頻率以及時間，提升設(shè)備的維修保障效率以及完備率。

（3）應(yīng)用。PHM 技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效地降低風(fēng)險問題，并提升人物的成功率，借助對裝備的狀態(tài)健康情況的評估，可以實時狀況具體運行狀況，并及時處理其中的各種問題，從而顯著降低任務(wù)執(zhí)行過程中的故障，提升遂行的整體能力。

（4）PHM 技術(shù)可以實現(xiàn)統(tǒng)一性的資源調(diào)度，并實現(xiàn)不同部門的高效率平臺建設(shè)。在健康評估與故障預(yù)測方面，可以借助PHM 技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)支持系統(tǒng)的決策，并協(xié)同不同的部門實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，最大程度地簡化工作流程，從而解決傳統(tǒng)維修模式所存在的分散、低效率、成本高的問題。

2 PHM 技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

PHM 技術(shù)的發(fā)展過程屬于人們認(rèn)知并應(yīng)用自然規(guī)律的重要體現(xiàn)過程，也就是從故障、異常事件的被動化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)防、預(yù)先分析、綜合管理的過程。按照PHM 技術(shù)的發(fā)展技術(shù)，其主要歷程在于下面幾點：

（1）可靠性階段。PHM 技術(shù)的起源最初在20 世紀(jì)中期，在第二次世界大戰(zhàn)中，許多的復(fù)雜性武器暴露出了低水平問題，此時，人們所應(yīng)用的方式便是將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用在可靠性的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，并在這一基礎(chǔ)上不斷地改進整體系統(tǒng)的可靠性，從而提升系統(tǒng)本身的性能與作用，滿足系統(tǒng)在極端環(huán)境之下合理應(yīng)用的需求?？煽啃员闶沁@一極端的代表特征。

（2）故障分析。伴隨著航天系統(tǒng)的應(yīng)用越發(fā)復(fù)雜和精細化，所表現(xiàn)出來的問題風(fēng)險因素也在不斷地增多，其中，設(shè)計不充分、制造水平較差、維修差錯問題以及非計劃性的事件等都是導(dǎo)致故障問題發(fā)生的主要原因，這也促使人們開始意識到新的檢測系統(tǒng)，并實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的判斷，從而做好故障的及時響應(yīng)。伴隨著診斷故障源以及故障因素的技術(shù)不斷發(fā)展，最終呈現(xiàn)出了故障的預(yù)測性分析技術(shù)，這一項技術(shù)主要是借助故障預(yù)測模型、智能化模型的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化記錄，并借助評估、預(yù)測的方式實現(xiàn)對部件未來可能的狀態(tài)分析，并對剩余的使用壽命進行評估。

（3）系統(tǒng)監(jiān)控。在20 世紀(jì)末，飛行器的健康監(jiān)控逐漸成為NASA 內(nèi)部管理重要模式，其主要是借助適當(dāng)選擇并應(yīng)用傳感器、軟件實現(xiàn)對太空交通工具的健康狀態(tài)進行監(jiān)測。這一應(yīng)用也是第一次將健康這一詞匯作為機械設(shè)備運行狀態(tài)的描述詞匯。在這一階段中，其主要特征在于人們開始應(yīng)用比較先進的傳感器技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的工作莊田檢測，同時為系統(tǒng)的安全運行提供支持，這也為后續(xù)的實用性發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（4）健康管理。在提出健康監(jiān)控理論后，人們開始意識到僅僅是借助監(jiān)控并不能保障設(shè)備的安全，其中的關(guān)鍵性難問題在于如何將采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理后作為措施的制定依據(jù)。對此，管理這一詞匯逐漸替代了監(jiān)控，這也是首次將維修決策與健康管理結(jié)合在儀器，健康系統(tǒng)相關(guān)理論也成為航天航空領(lǐng)域的實用詞匯。

（5）故障預(yù)測和健康管理。在20 世紀(jì)末，NASA 開始引入綜合性的系統(tǒng)健康管理概念，這一概念主要是借助綜合的動機目的，從而解決系統(tǒng)級/不同分級系統(tǒng)的區(qū)分性問題。在以往的不同系統(tǒng)中，主要是在各自的領(lǐng)域中解決各種故障問題，并沒有從一個系統(tǒng)化的角度上實現(xiàn)綜合、全面性的考慮。對此，這一階段的重點在于系統(tǒng)化的角度考慮，充分應(yīng)用PHM 技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的保障。在20 世紀(jì)末，美國開始開展關(guān)于F35 聯(lián)合攻擊機的研究，同時，也為PHM 技術(shù)的發(fā)展與普及奠定了基礎(chǔ)，在進入21 世紀(jì)后，在不同國家研究者的共同努力以及國家的支持之下，不同領(lǐng)域中均衍生出了相應(yīng)的PHM 技術(shù)體系，這也為PHM 技術(shù)的實踐性應(yīng)用以及經(jīng)濟效益、社會效益的影響推動到了社會前列。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

國外目前PHM 技術(shù)的研究主要是以軍事領(lǐng)域為主，美國的不同研究開發(fā)還有許多相似技術(shù)，其中，PHM 技術(shù)的應(yīng)用仍然屬于重點，目前，已經(jīng)成功應(yīng)用在了多家航空公司中，適用機型已經(jīng)涉及A340、B777、B747、A320 等飛機。

以我國的PHM 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀為主，我國和世界國家相比在PHM 技術(shù)這一領(lǐng)域存在明顯的延緩性發(fā)展特征，起步時間較晚。隨著近年來，我國對技術(shù)研究的高度重視，PHM 技術(shù)得到了明顯的發(fā)展。北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等多個高校、研究院都開展了相關(guān)的研究工作，北航的可靠性工程研究比較早的應(yīng)用PHM 技術(shù)，并結(jié)合了相關(guān)的領(lǐng)域，如飛機、無人機以及航天器等進行了算法、智能化模型、管理調(diào)度等多方面的探索性研究，同時，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混合模型以及時間序列等進行了案例分析，并通過不同類型的方式判斷了其中的優(yōu)缺陷以及局限性，借助不同案例的研究實現(xiàn)相應(yīng)的嘗試、拓展以及深入分析。我國在PHM 技術(shù)的應(yīng)用主要是以民航系統(tǒng)為主，應(yīng)用在了飛機、發(fā)動機的性能檢測方面，但是，和硬件系統(tǒng)結(jié)合的應(yīng)用成果研究并不多。另外，國內(nèi)在不同領(lǐng)域上對于PHM 技術(shù)也有一定的研究，其中空軍工程大學(xué)的相關(guān)研究者針對我國的新一代作戰(zhàn)飛機的維修保障需求以及技術(shù)特征進行了研究，針對機載的PHM 技術(shù)體系進行了方案對比，并提出了基于模塊、單元層的PHM 技術(shù)、子系統(tǒng)、區(qū)域級以及平臺及四個集成化的層次體系結(jié)構(gòu)。同時，另一院校了進行了額相關(guān)研究，借助反艦?zāi)懙谰S修保障的有效性以及可行性進行了研究，同時，提出了關(guān)于保障維修的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然國內(nèi)并沒有關(guān)于PHM 技術(shù)的廣泛性應(yīng)用，實踐應(yīng)用與工程實用化的程度也存在差異，例如，當(dāng)前并沒有部分關(guān)鍵系統(tǒng)與部件的應(yīng)用，所以整個系統(tǒng)的集成化效果并不理想。大多數(shù)的系統(tǒng)在故障預(yù)測以及健康管理方面存在明顯的脫節(jié)現(xiàn)象，所以很難充分發(fā)揮PHM 技術(shù)的優(yōu)勢。針對大多數(shù)系統(tǒng)而言，對于電子設(shè)備的故障機理研究也不夠深入，其中大多數(shù)僅出于故障檢測發(fā)展階段，并不具備故障的預(yù)測功能。除此之外，如何準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并作出針對性的優(yōu)化決策，仍然是今后的重點研究方向。

3 結(jié)語

綜上所述，PHM 技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)得到了明顯的發(fā)展。伴隨著近年來，PHM 技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)普及，我國國防科技工業(yè)對于PHM 技術(shù)的應(yīng)用需求表現(xiàn)得越發(fā)強烈。在今后，需要進一步提高PHM 技術(shù)的研發(fā)，首先，是做好先進傳感器技術(shù)的研究，開發(fā)需要持續(xù)想著低能耗、高可靠性、高精度的方向發(fā)展；其次，是需要從部件到系統(tǒng)、電子到機械的失效機理研究，準(zhǔn)確地掌握環(huán)境條件以及系統(tǒng)化運行的模型建設(shè)，更好地判斷故障的時間特征；再次是結(jié)合傳感器技術(shù)，做好信號處理的技術(shù)研究，不斷地研究高信噪比的健康監(jiān)控路徑，提升故障的預(yù)測以及探測水平；最后，是做好智能化技術(shù)的融入，借助推理、大數(shù)據(jù)計算方式提高故障診斷和預(yù)測判斷。