綜合系統(tǒng)健康管理關(guān)鍵技術(shù)與研究路徑

黃藍(lán) 王景霖 林澤力 沈勇

摘要：本文介紹了綜合系統(tǒng)健康管理（ISHM）的基本概念與內(nèi)涵，從系統(tǒng)發(fā)展的需求分析角度，剖析了綜合系統(tǒng)健康管理的基本功能與關(guān)鍵技術(shù)，分析了當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題，最后提出了綜合系統(tǒng)健康管理技術(shù)的研究思路及其在航空領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展路徑。

關(guān)鍵詞：綜合系統(tǒng)；健康管理；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展路徑

中圖分類號：V240.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.002

隨著新技術(shù)、新方法的持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展，以測試、診斷、維護(hù)、壽命預(yù)測與健康管理等為主要手段的現(xiàn)代裝備綜合保障技術(shù)越來越受到國內(nèi)外關(guān)注。航空裝備保障需求與以往存在很大差別，以前的保障需求是被動的，需要根據(jù)裝備的保障計劃實(shí)施被動式的維修和備件，當(dāng)前航空裝備保障正朝著依據(jù)健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、精確定位的方向發(fā)展，具備主動式、智能化等特點(diǎn)[1]，因此，“精準(zhǔn)、動態(tài)、實(shí)時、機(jī)動”是當(dāng)今航空裝備保障的主題。健康管理技術(shù)就是為了滿足保障技術(shù)發(fā)展而開展的一項(xiàng)重要技術(shù)研究，加強(qiáng)了基于健康監(jiān)測與管理的復(fù)雜裝備的運(yùn)行維護(hù)和保障，大大提升了裝備質(zhì)量管理的效能[2]。

1基本概念和內(nèi)涵

綜合系統(tǒng)健康管理（integrated system health management， ISHM）的定義為系統(tǒng)的設(shè)計、分析、制造、驗(yàn)證和使用中所采用的、防止故障和最大限度地減少故障影響的過程、方法和技術(shù)[3]。ISHM是一門綜合學(xué)科，不僅包括先進(jìn)的傳感技術(shù)、故障診斷與健康管理（PHM）算法、可靠性理論、冗余管理和正規(guī)的確認(rèn)方法等，還包括系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和工程、質(zhì)量設(shè)計與管理、知識搜集和獲取、測試性和維修性以及人為因素等學(xué)科。

健康管理的出現(xiàn)是以“裝備”為服務(wù)對象，包括航空器、武器裝備以及其他領(lǐng)域的設(shè)備設(shè)施等，開展以子系統(tǒng)、關(guān)鍵部件為對象的故障診斷、評估及預(yù)測等系列活動，目的是通過獲取相應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對子系統(tǒng)乃至整個裝備的綜合健康狀態(tài)監(jiān)測、診斷、評估及預(yù)測，為提升裝備運(yùn)行安全提供決策基礎(chǔ)。ISHM技術(shù)的發(fā)展是人們探索自然事物及規(guī)律的一個典型過程[4]，即在對事物發(fā)展過程的認(rèn)知中從異常狀態(tài)的被動認(rèn)識到主動檢測，再到事先預(yù)知和綜合管理，是以信息感知為基礎(chǔ)，診斷、預(yù)測為途徑，智能算法為核心的決策過程和執(zhí)行過程[5]。

2發(fā)展推動力與需求分析

由于復(fù)雜的運(yùn)行工況和極端環(huán)境的變化會促使航空裝備重要部件的缺陷與損傷，同時又存在人為因素的不確定性，極有可能引發(fā)重大事故發(fā)生，所以采取技術(shù)手段提高航空裝備的可靠、安全運(yùn)營水平，是實(shí)現(xiàn)航空武器裝備高質(zhì)量發(fā)展的必然途徑，其中尤為重要的工作是在裝備運(yùn)行環(huán)境下，對其重要功能部件或系統(tǒng)實(shí)施健康管理，通過狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控與智能決策來避免引發(fā)災(zāi)難性事故的故障發(fā)生，這也是ISHM技術(shù)被學(xué)術(shù)界及工業(yè)界爭相研究的主要原因。因此，基于作戰(zhàn)需求評估、視情維護(hù)需求、可靠性分析等三大健康管理要素，ISHM能夠很好地實(shí)現(xiàn)裝備戰(zhàn)備需求這一目標(biāo)[6]。在航空裝備上，安全性效益是第一位的，但所帶來的經(jīng)濟(jì)性效益也同樣不容忽視。

國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，綜合系統(tǒng)健康管理方案的實(shí)施，可以提高飛機(jī)運(yùn)行可靠度和安全水平，盡可能地減少運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，增加飛機(jī)可用性。在這一重要技術(shù)領(lǐng)域中，走在前列的如美國的波音公司，在其波音787型號上，設(shè)計并研發(fā)了ISHM系統(tǒng)，有助于快速隔離故障件，減少返工時間，與波音767相比，降低了約58%對無故障發(fā)現(xiàn)（NFF）的移除率；美國的另一家公司——霍尼韋爾公司，其設(shè)計與研制的綜合健康管理（IVHM）系統(tǒng)在推向航空市場后，使得航空飛行任務(wù)終止率下降了30%，減少了20%維護(hù)測試飛行，同時減少了5%～10%的計劃維修[7]。由于綜合健康管理（IVHM）的重要作用，北約的部分國家也將其應(yīng)用到飛機(jī)的綜合保障中，將大修成本降低30%，總維護(hù)成本降低35%～40%，中間檢查間隔延長50%[8]。

隨著ISHM在我國工業(yè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的重視度逐步提升，關(guān)于如何針對現(xiàn)代裝備進(jìn)行工程應(yīng)用，對裝備設(shè)計者和使用者來說都是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1國外發(fā)展情況

健康管理技術(shù)起源于20世紀(jì)50—60年代。由于航空航天領(lǐng)域極端的環(huán)境和使用條件造成裝備系統(tǒng)故障頻發(fā)，促使環(huán)境試驗(yàn)和系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證以及質(zhì)量方法等技術(shù)的誕生[9]。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空裝備系統(tǒng)的復(fù)雜程度隨之增加，但由于設(shè)計、制造、維修和非計劃事件等環(huán)節(jié)存在各種不確定性因素，使得裝備故障率增加，在這一背景下針對系統(tǒng)狀態(tài)檢測、異常預(yù)防以及關(guān)鍵故障響應(yīng)的新方法應(yīng)運(yùn)而生，即隨后出現(xiàn)的故障診斷與預(yù)測技術(shù)。

20世紀(jì)80—90年代，隨著航空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜性的提高，故障判別的難度也在提升，故障發(fā)生率迅速提升，需要尋求新技術(shù)或方法來發(fā)展健康管理系統(tǒng)，從而完成對系統(tǒng)異常行為的預(yù)判成為迫切需求。此時，綜合診斷開始在美國國防部和三軍中推廣開來，并在隱身戰(zhàn)機(jī)、主戰(zhàn)坦克以及攻擊型核潛艇的研制中被采用。

1993年，美國空軍正式啟動“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)”（JSF，后命名為F-35）計劃，并強(qiáng)調(diào)該機(jī)型的使用和保障費(fèi)用比過去機(jī)種減少了50%。這一技術(shù)指標(biāo)的提出，使得F-35戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目成為健康管理技術(shù)發(fā)展的里程碑，并在美國空軍其他型號裝備的研制過程中得到了繼承。

此后美國國家航空航天局（NASA）引入了類似的術(shù)語，即綜合系統(tǒng)健康管理（ISHM）。其宗旨在于解決系統(tǒng)級與子系統(tǒng)被隔離開的問題。以往在解決子系統(tǒng)的故障診斷問題都沒有從系統(tǒng)級的角度加以綜合考慮。通過從系統(tǒng)級角度綜合考慮子系統(tǒng)的耦合交聯(lián)問題，能夠解決過去在子系統(tǒng)上存在的故障虛警與漏報的問題。

21世紀(jì)以來，隨著人工智能等新方法、新技術(shù)的深入研究與發(fā)展，ISHM技術(shù)越來越朝著綜合化、智能化的方向發(fā)展，形成了綜合系統(tǒng)健康工程和管理（ISHEM）學(xué)科，融合了智能傳感器、冗余管理、智能診斷和預(yù)測算法、概率可靠性理論等知識，綜合系統(tǒng)健康管理正日益成為航空裝備使用過程中必不可少的部分。

3.2國內(nèi)發(fā)展情況

國內(nèi)ISHM研究最早可以追溯到20世紀(jì)80年代。1987年，中國振動工程學(xué)會故障診斷專業(yè)委員會成立，標(biāo)志著國內(nèi)開始將振動監(jiān)測、故障診斷技術(shù)作為監(jiān)測裝備的重要技術(shù)手段，經(jīng)過近30年的發(fā)展，對基于振動分析的飛機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)動部件狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、預(yù)測及健康管理技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動作用，引導(dǎo)了國內(nèi)一大批高校、科研院所及專家學(xué)者，將目光投入到綜合系統(tǒng)健康管理學(xué)科研究中，開展了飛機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)電、航電系統(tǒng)或關(guān)鍵部件的故障診斷、預(yù)測及健康管理技術(shù)研究。

在技術(shù)研究方面，國內(nèi)高校開展了相關(guān)基礎(chǔ)方法研究，以北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等為代表的國內(nèi)高校，以航天器、飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)為研究對象，開展了健康管理架構(gòu)體系、特征提取方法、診斷與預(yù)測方法等基礎(chǔ)研究，取得了一定的研究成果。在工程應(yīng)用方面，以中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司為主體，高校和科研院所共同參與開展了系列應(yīng)用探索，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。這一時期的主要成果有某大型運(yùn)輸機(jī)中央維護(hù)系統(tǒng)（CMS）頂層定義與系統(tǒng)架構(gòu)、某型無人機(jī)PHM系統(tǒng)方案、某新型通用直升機(jī)HUMS系統(tǒng)、某型戰(zhàn)斗機(jī)PHM體系架構(gòu)與驗(yàn)證方法等[10]。

航空工業(yè)機(jī)載系統(tǒng)公司在機(jī)載系統(tǒng)診斷、預(yù)測及健康管理工程應(yīng)用方面開展了大量的研究，航電系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測試（BIT）設(shè)計、支線飛機(jī)機(jī)載維護(hù)軟件開發(fā)、發(fā)動機(jī)健康診斷單元硬件架構(gòu)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)、油液監(jiān)測傳感技術(shù)等領(lǐng)域取得了一定成果。航空工業(yè)測控所完成了以故障診斷與健康管理技術(shù)為核心、以直升機(jī)和飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)為主要對象的系統(tǒng)級產(chǎn)品研制，以航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托，開展了大量基礎(chǔ)技術(shù)、共性技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)研究，某型直升機(jī)HUMS系統(tǒng)裝機(jī)實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首創(chuàng)，在工程應(yīng)用領(lǐng)域走在了國內(nèi)前列。

國內(nèi)ISHM技術(shù)的研究起步較晚，經(jīng)過全行業(yè)的共同努力，在特征提取方法、診斷與預(yù)測方法等技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)到國外同等水平，但是在系統(tǒng)需求分析、應(yīng)用場景設(shè)計、故障機(jī)理探索、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累、仿真建模工具、對象與方法的結(jié)合應(yīng)用等方面與國外相比差距依然明顯。

4綜合系統(tǒng)健康管理體系框架與關(guān)鍵技術(shù)

ISHM系統(tǒng)不僅僅是對故障診斷與健康管理系統(tǒng)的繼承，同時也對故障診斷與健康管理系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充和發(fā)展，并在裝備不同層級之間實(shí)現(xiàn)不同層次健康管理目標(biāo)，且能為裝備系統(tǒng)帶來部分能力的提升，如基于歷史數(shù)據(jù)分析的視情維護(hù)、系統(tǒng)失效前的及時告警、降低維修頻次與維修成本以及低故障發(fā)生率。圖1為基于ISHM系統(tǒng)云服務(wù)的客戶支援及維護(hù)保障使用場景，圖2為集成系統(tǒng)健康管理解決方案。

縱觀和ISHM相關(guān)的科技文獻(xiàn)論述，以及國際標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)的主旨和規(guī)范，都明確地表明ISHM與傳統(tǒng)維護(hù)方法最大的區(qū)別和特點(diǎn)在于ISHM著重于系統(tǒng)狀態(tài)變化的感知，而不是等到失效癥狀凸顯后才采取維護(hù)措施。換言之，ISHM的精髓是在失效時間歷程上，將偵測對影響健康指標(biāo)的根本因子的狀態(tài)變化的工作時間點(diǎn)盡量提前，并主動采取維護(hù)措施。ISHM的另一項(xiàng)重要任務(wù)，則是能夠根據(jù)狀態(tài)變化的趨勢，判讀系統(tǒng)目前的健康指數(shù)，同時預(yù)測系統(tǒng)的有用剩余壽命。例如，通過數(shù)字孿生（digital twin）技術(shù)，利用當(dāng)前監(jiān)測信息和過去的大數(shù)據(jù)信息，結(jié)合未來可能的演繹（更新和推斷的虛擬原型），能夠預(yù)測設(shè)備剩余壽命?？梢姡⒁惶淄暾尚械募上到y(tǒng)健康管理ISHM方案（見圖2），是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。ISHM解決方案包含五大基本功能模塊，代表了五類關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域：建模與仿真（MSM）、論證與推理（RIM）、信號與感知（SOM）、試驗(yàn)與驗(yàn)證（TVM）和集成與配置（IIM），具體說明如下：（1）MSM：提供功能和失效數(shù)學(xué)模型，以及仿真分析，以確定研究對象的健康參考狀態(tài)和健康指標(biāo)；（2）RIM：提供智能式專家系統(tǒng)分析工具，從系統(tǒng)狀態(tài)信號中快速萃取、處理、分類和量化健康指標(biāo)的等級與影響因素的嚴(yán)酷度；（3）SOM：提供量測和監(jiān)視健康參數(shù)的傳感器或傳感器選型信息，進(jìn)行傳感器布局優(yōu)化分析；（4）TVM：建立為驗(yàn)證系統(tǒng)健康狀態(tài)的試驗(yàn)平臺，提供包含軟件與單元級、部件級和系統(tǒng)級的硬件設(shè)施構(gòu)建方案；（5）IIM：借助數(shù)字孿生及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提供系統(tǒng)軟硬件布局優(yōu)化技術(shù)，合理地將健康管理系統(tǒng)安裝在飛行器和地面維護(hù)中心，并建立兩者的通信協(xié)議。

5我國航空綜合系統(tǒng)健康管理發(fā)展的現(xiàn)存問題思考

ISHM涉及學(xué)科較廣，雖然國內(nèi)科研院所和工業(yè)界都開展了大量研究工作，并取得了一定的研究成果，但從型號應(yīng)用的效果來看，與國外的差距還較為明顯。具體表現(xiàn)在5個方面：

（1）基礎(chǔ)技術(shù)不牢，故障機(jī)理、故障模式、退化模式研究不透徹

國內(nèi)健康管理技術(shù)從學(xué)術(shù)研究開始，以高校隊(duì)伍為主工業(yè)界為輔，所研究部件多集中于退化規(guī)律比較容易捕獲的機(jī)械部件，以及測試性基礎(chǔ)較好的航電系統(tǒng)。

機(jī)械部件故障發(fā)生機(jī)理、數(shù)學(xué)理論和分析手段相對其他對象更為成熟，驗(yàn)證條件相對完整，算法結(jié)合條件更好，易出成果，此類對象的診斷預(yù)測的問題往往被反復(fù)研究、重復(fù)研究，也正因如此，在以旋轉(zhuǎn)機(jī)械為核心構(gòu)件的直升機(jī)上，直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）成為國內(nèi)最早定型的系統(tǒng)級健康管理產(chǎn)品。

相比旋轉(zhuǎn)機(jī)械，涉及液壓、電氣等復(fù)雜交聯(lián)關(guān)系的機(jī)電類系統(tǒng)也得到了大量的研究與驗(yàn)證。其故障發(fā)生機(jī)理、傳播關(guān)系、演化規(guī)律和監(jiān)測方法等研究基礎(chǔ)較為薄弱，缺少系統(tǒng)試驗(yàn)條件，沒有歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)性能退化知識積累，研究焦點(diǎn)集中于方法和理論研究，仿真模型精度偏低、結(jié)果導(dǎo)向性較強(qiáng)，對工程應(yīng)用的支撐價值不高。

（2）算法模型成果離散化、片面化，與工程應(yīng)用脫節(jié)

ISHM所用的算法包括信號預(yù)處理、特征提取與降維、故障診斷、閾值設(shè)置、健康評估、趨勢分析和壽命預(yù)測等。國內(nèi)相關(guān)研究單位分別針對上述算法開展了側(cè)重性研究。此做法有利于集中人力、資金和資源條件深化研究層次，但對于綜合系統(tǒng)而言，卻無法形成技術(shù)集成與統(tǒng)一的平臺?，F(xiàn)有成果往往只針對某特定對象是有效的，不具備普適性，呈現(xiàn)出離散化、片面化的特點(diǎn)，與工程應(yīng)用的需求之間還有不小的差距。

（3）缺少工程數(shù)據(jù)和專業(yè)仿真軟件，工程應(yīng)用進(jìn)展緩慢

健康管理系統(tǒng)不同于一般工業(yè)產(chǎn)品，其裝機(jī)應(yīng)用需要長期的熟化過程，要通過數(shù)值仿真、物理仿真、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，對系統(tǒng)架構(gòu)和算法模型進(jìn)行逐級驗(yàn)證，以確保在上機(jī)服役之前，檢測率、虛警率、診斷和預(yù)測的精度等各項(xiàng)主要指標(biāo)都在合理范圍內(nèi)。目前國內(nèi)各類系統(tǒng)架構(gòu)和模型大多基于數(shù)值仿真和物理仿真進(jìn)行驗(yàn)證，技術(shù)成熟度達(dá)不到型號應(yīng)用的要求，究其原因主要有兩個：缺少工程實(shí)際數(shù)據(jù)和專業(yè)仿真軟件。

國內(nèi)工程數(shù)據(jù)主要來源于地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。地面試驗(yàn)的目的是解決飛機(jī)系統(tǒng)或部件的功能和性能指標(biāo)驗(yàn)證，測點(diǎn)位置、類型、數(shù)采設(shè)置和試驗(yàn)工況以滿足軍檢為主，并且試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障很少，難以滿足監(jiān)測和診斷預(yù)測的模型輸入要求。飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)受限于測試性設(shè)計，在健康管理系統(tǒng)所需的許多監(jiān)測點(diǎn)上沒有安裝傳感器，且試飛過程的故障更加稀少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)價值含量較低。

故障建模與仿真軟件是集基礎(chǔ)故障知識、軟件開發(fā)平臺和數(shù)學(xué)理論模型為一體的高附加值產(chǎn)品，是健康管理系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)所必須的輔助工具。故障建模與仿真軟件開發(fā)是健康管理技術(shù)型號應(yīng)用面臨的一項(xiàng)“卡脖子”工程。我國目前航空領(lǐng)域所用的仿真軟件，幾乎完全被國外壟斷。

（4）試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境不完備

健康管理系統(tǒng)驗(yàn)證包括對健康管理關(guān)鍵技術(shù)、診斷預(yù)測模型、診斷預(yù)測知識庫的驗(yàn)證，以及對健康管理系統(tǒng)成員級/區(qū)域級/飛機(jī)級功能的驗(yàn)證。在健康管理技術(shù)走向工程應(yīng)用的過程中，國外飛機(jī)制造商、產(chǎn)品供應(yīng)商、政府和軍方以及知名高校先后籌建了一批驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)，且已形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和指導(dǎo)規(guī)范，在系統(tǒng)裝機(jī)應(yīng)用上起到了重要推動作用。

我國航空系統(tǒng)健康管理的架構(gòu)驗(yàn)證不充分，一方面成員級缺少仿真與試驗(yàn)手段，另一方面整個健康管理體系架構(gòu)的合理性和有效性，沒有進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，沒有解決后續(xù)系統(tǒng)集成的問題，容易造成反復(fù)更改。

健康管理設(shè)計、開發(fā)與驗(yàn)證是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，需要解決各類健康管理建模工具之間的數(shù)據(jù)交換接口、健康管理圖形化建模、推理機(jī)、集成數(shù)據(jù)庫、健康管理模型網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計及驗(yàn)證評估等關(guān)鍵技術(shù)，針對不同物理對象，需要一定的技術(shù)驗(yàn)證手段進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善以滿足工程要求。

（5）維修/維護(hù)決策研究不足，與現(xiàn)存維護(hù)體系結(jié)合不夠

當(dāng)前國內(nèi)飛機(jī)維修/維護(hù)保障機(jī)制基本還是采用定時維修的策略，與國外相比，在單機(jī)維護(hù)上表現(xiàn)為維護(hù)間隔短、維護(hù)時間長、維護(hù)費(fèi)用高、經(jīng)驗(yàn)依賴強(qiáng)、維護(hù)準(zhǔn)備時間長等特點(diǎn)。隨著我國新一代飛機(jī)的交付數(shù)量越來越多，訓(xùn)練任務(wù)越來越密集，飛機(jī)維修單位面臨著巨大的壓力，除了工作量增加之外，還體現(xiàn)在兩個方面：一是在安全要求不降低的情況下，對于降低維修成本提出了更高的要求；另一方面，對于維修后的飛機(jī)或系統(tǒng)，提出了可靠度或可用度提升評估的要求。

國內(nèi)健康管理研究單位與維修廠之間的需求溝通不夠充分，在視情維修方面基本處在起步階段，既不了解現(xiàn)有維修體系流程，也不掌握維修廠的設(shè)備和人員技術(shù)水平。更為遺憾的是，維修廠過去幾十年的寶貴維修經(jīng)驗(yàn)知識、文檔信息、測試數(shù)據(jù)、故障零件都沒有得到充分利用。將來飛機(jī)健康管理系統(tǒng)列裝以后所面臨的維修和維護(hù)問題沒有得到全面梳理，飛機(jī)維修體制變革缺少有效的技術(shù)推動。

6我國航空綜合系統(tǒng)健康管理的發(fā)展路徑思考

國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明，綜合系統(tǒng)健康管理的實(shí)現(xiàn)需要在長期的工程實(shí)踐中得到完善和發(fā)展，所涉及的諸多關(guān)鍵技術(shù)尚待攻關(guān)，因此，當(dāng)前推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展既存在挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇[11]。綜合以上對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與差距的分析，提出健康管理技術(shù)的發(fā)展路徑。

（1）制定總體科學(xué)發(fā)展規(guī)劃

借鑒美國的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，建立符合我國國情的科學(xué)發(fā)展規(guī)劃，規(guī)劃要立足技術(shù)現(xiàn)狀，遵循發(fā)展規(guī)律，制定科學(xué)的頂層路線和技術(shù)里程碑，有組織、有計劃、有步驟地支持重點(diǎn)院校和科研單位開展基礎(chǔ)技術(shù)預(yù)先研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究、演示驗(yàn)證研究、性能驗(yàn)證與評價技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用研究。

（2）建立和完善相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

近年來國內(nèi)健康管理發(fā)展迅速，各標(biāo)準(zhǔn)化組織在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面已經(jīng)做了大量工作，具備一定的基礎(chǔ)，但由于缺乏基礎(chǔ)積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，許多問題還未暴露充分，實(shí)際工程數(shù)據(jù)獲取困難，驗(yàn)證評價體系不完善，直接影響了健康管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的制定，截止到目前國內(nèi)尚沒有一套完整的航空健康管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的制定可以借鑒國外已有先例，但完全參考國外標(biāo)準(zhǔn)是行不通的，技術(shù)本身在不停發(fā)展，我國航空裝備的性能水平、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、保障體系也與國外有很大差別，必須要立足自主創(chuàng)新，發(fā)展具有我國特色的、面向未來新一代航空裝備的健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系，為全面開展綜合系統(tǒng)健康管理技術(shù)研究與設(shè)計應(yīng)用提供指導(dǎo)。

（3）加強(qiáng)國產(chǎn)自主輔助軟件工具和驗(yàn)證系統(tǒng)的研發(fā)

綜合系統(tǒng)健康管理涉及測試性、可靠性、安全性、維修性、保障性、經(jīng)濟(jì)性等諸多專業(yè)和領(lǐng)域，各領(lǐng)域的輔助設(shè)計工具為健康管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有力保障，但對健康管理的需求而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。國外核心軟件對我國仍然處于禁運(yùn)狀態(tài)，少量非禁運(yùn)軟件的功能并不完備，且售價和更新費(fèi)用非常高，為了滿足我國未來綜合系統(tǒng)健康管理的自主發(fā)展需要，應(yīng)大力加強(qiáng)相關(guān)軟件工具的研發(fā)。

開發(fā)自主版權(quán)的建模仿真軟件，首先必須有政府層面的宏觀支持，組織做好行業(yè)軟件的發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃，從最急迫的需求出發(fā)，把健康管理仿真軟件擺在首位，解決“卡脖子”的問題。其次，要利用好外部資源，加強(qiáng)技術(shù)引進(jìn)，解決當(dāng)前利益與持續(xù)發(fā)展的問題。再次，從源頭上創(chuàng)新機(jī)制體制吸收更多的初創(chuàng)公司參與軟件研發(fā)，解放生產(chǎn)力，讓軟件開發(fā)人才與企業(yè)共成長，充分關(guān)注相關(guān)者利益，按科研和市場規(guī)律辦事。

同時，為提升健康管理技術(shù)的應(yīng)用水平，必須建立相關(guān)驗(yàn)證環(huán)境，開發(fā)驗(yàn)證與評價工具，建立驗(yàn)證規(guī)范，解決型號應(yīng)用前的“最后一公里”問題。驗(yàn)證環(huán)境的構(gòu)建與建模仿真軟件的開發(fā)是相輔相成的關(guān)系，軟件開發(fā)的實(shí)質(zhì)是故障基礎(chǔ)知識的軟件化表達(dá)，試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境是故障基礎(chǔ)研究的必備條件，而建模仿真是驗(yàn)證環(huán)境中必不可少的工具手段，因此推進(jìn)輔助軟件工具開發(fā)與驗(yàn)證環(huán)境協(xié)同發(fā)展是必要之舉。

（4）建立通暢的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，加強(qiáng)核心數(shù)據(jù)的保護(hù)和利用

飛機(jī)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)是健康管理技術(shù)發(fā)展的重要資源，綜合健康管理的相關(guān)算法模型的開發(fā)和驗(yàn)證需要足夠的數(shù)據(jù)樣本，特別是故障樣本數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的飛機(jī)全生命周期數(shù)據(jù)存儲分散，沒有形成統(tǒng)一的信息化管理方案，極易造成數(shù)據(jù)混亂和遺失。建議由裝備部門牽頭，專業(yè)測試單位作為支撐，建立飛機(jī)從設(shè)計研發(fā)、試飛驗(yàn)證到使用過程的全狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取機(jī)制和通暢的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，提升數(shù)據(jù)完整性和利用價值，打破生產(chǎn)關(guān)系落后的束縛，保護(hù)飛機(jī)核心數(shù)據(jù)，為提升現(xiàn)役裝備的維修水平和未來裝備的健康管理設(shè)計水平提供寶貴的數(shù)據(jù)資源。

（5）加強(qiáng)人工智能等新方法的應(yīng)用

隨著航空技術(shù)的提升，新一代飛機(jī)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)上都有了較大的提升，系統(tǒng)之間交聯(lián)耦合更為復(fù)雜，造成失效的因素較多，影響也千差萬別；而基于單故障類別和單參數(shù)的故障診斷和預(yù)測方法已經(jīng)難以滿足新一代戰(zhàn)機(jī)故障診斷與健康管理的需求，無法全面地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)退化過程和失效模式的模擬，因此結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和人工智能的健康管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。通過大量機(jī)載傳感器獲取飛機(jī)整機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、總線數(shù)據(jù)、地面維護(hù)等數(shù)據(jù)，為新型故障預(yù)測與健康管理提供了夯實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2017年初，美國在《2016—2045年新興科技趨勢報告》中明確提出了20項(xiàng)最值得關(guān)注的新興技術(shù)，其中就包括人工智能、云計算、量子計算、大數(shù)據(jù)分析等[12]。上述極具軍事應(yīng)用前景的新興技術(shù)，將對軍事裝備的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。航空裝備健康管理的實(shí)現(xiàn)不僅依賴于故障診斷與預(yù)測等基礎(chǔ)技術(shù)的支撐，同時也要兼顧新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，因此要緊跟科技發(fā)展趨勢，合理規(guī)劃發(fā)展路線，在裝備綜合檢測、故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)評估及健康管理能力等領(lǐng)域突破關(guān)鍵技術(shù)，最終具備跨裝備平臺的綜合檢測與故障診斷能力。

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（責(zé)任編輯王昕）

作者簡介

黃藍(lán)（1963-）男，研究員。主要研究方向：航空故障診斷與健康管理技術(shù)。

Tel：021-67619666-1604E-mail：alan.h@139.com

王景霖（1984-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：航空裝備故障診斷與健康管理技術(shù)研究。

Tel：021-67619666-1301E-mail：scenelin@163.com

Key Technologies and Research Paths of Integrated System Health Management

Huang Lan1，2，*，Wang Jinglin1，2，Lin Zeli1，2，Shen Yong1，2

1. AVIC Shanghai Aero Measurement Controlling Research Institute，Shanghai 201601，China

2. Aeronautical Science and Technology Key Laboratory of Fault Diagnosis and Health Management Technology，Shanghai 201601，China

Abstract： The paper introduces the basic concept and connotation of ISHM. From the perspective of system development demand analysis， the paper analyzes the basic functions and key technologies of ISHM. And the paper analyzes the current development status and major problems at home and abroad. Finally， the paper proposes the research ideas of the ISHM technology and the development path of technology application in the aviation field.

Key Words： integrate system； health management； key technology； development path