一種面向現(xiàn)役裝備的PHM 設(shè)計(jì)方法

倪向東 孔凡泉

（1、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230088 2、孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230088）

故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)（PHM）由美軍最早提出并深度研究與推廣應(yīng)用的，已成為新一代飛機(jī)、艦船和車(chē)輛等裝備研制保障的重要組成部分[1]。PHM 能夠提升裝備健康狀態(tài)監(jiān)控能力，實(shí)現(xiàn)提前規(guī)劃維修和決策保障，降低維護(hù)保障費(fèi)用。國(guó)內(nèi)裝備研制與維護(hù)對(duì)PHM 越來(lái)越重視，尤其是大量的現(xiàn)役裝備。常規(guī)PHM 設(shè)計(jì)是與裝備研制同步進(jìn)行的，包括BIT 設(shè)計(jì)、傳感器布局、數(shù)據(jù)采集處理、故障診斷與壽命預(yù)測(cè)和維修建議等[2-4]。對(duì)于現(xiàn)役裝備PHM 而言，由于傳感器已經(jīng)定型，很難新增，只能基于已有系統(tǒng)設(shè)計(jì)。幸運(yùn)的是，現(xiàn)役裝備具備BIT，同時(shí)歷史故障信息積累充分，設(shè)備故障規(guī)律基本清晰，具備基于歷史數(shù)據(jù)PHM設(shè)計(jì)條件。

1 PHM 技術(shù)簡(jiǎn)述

PHM 是指采用各類(lèi)傳感器信息、專(zhuān)家知識(shí)及維修保障信息，借助各種智能算法與推理模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)、判別以及管理。相較于傳統(tǒng)基于事件的事后維修或基于時(shí)間的定期檢修技術(shù)，PHM 能夠?qū)崿F(xiàn)低虛警率的故障隔離檢測(cè)，智能任務(wù)規(guī)劃及基于設(shè)備狀態(tài)的智能維護(hù)。

故障預(yù)測(cè)是PHM 的核心，其基本原理就是分析和構(gòu)建故障規(guī)律模型，通過(guò)狀態(tài)檢測(cè)提前發(fā)現(xiàn)可能的故障。按照技術(shù)路線，故障預(yù)測(cè)技術(shù)可分為3 大類(lèi)：基于模型、基于知識(shí)、和基于數(shù)據(jù)。本文提出的面向現(xiàn)役裝備的PHM 設(shè)計(jì)方法實(shí)質(zhì)上是基于數(shù)據(jù)的故障檢測(cè)方法。

2 基于歷史數(shù)據(jù)的PHM 設(shè)計(jì)

基于歷史數(shù)據(jù)的PHM 設(shè)計(jì)是對(duì)BIT 檢測(cè)數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)的深層處理，主要內(nèi)容包括：面向單傳感器的心跳檢測(cè)、基于結(jié)構(gòu)樹(shù)的狀態(tài)評(píng)價(jià)和基于失效系數(shù)的故障預(yù)測(cè)。

2.1 面向單傳感器的心跳檢測(cè)

對(duì)單次任務(wù)單一傳感器的BIT 檢測(cè)數(shù)據(jù)，按照物理規(guī)律或者統(tǒng)計(jì)規(guī)律定義異常門(mén)限，采用“心跳”模式檢測(cè)當(dāng)前數(shù)據(jù)是否異常，記錄異常次數(shù)和有效檢測(cè)總數(shù)。定義第k 個(gè)傳感器檢測(cè)狀態(tài)為qk，將qk不為1 設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記為“異常”。

式中，ki為異常次數(shù)，ks為有效檢測(cè)總數(shù)。

如果不同傳感器之間的存在邏輯關(guān)系，還要對(duì)初始檢測(cè)狀態(tài)值進(jìn)行修正。統(tǒng)計(jì)存在邏輯關(guān)系傳感器同時(shí)異常的次數(shù)，記為k’,那么修正后的檢測(cè)狀態(tài)值為qk’。

2.2 基于結(jié)構(gòu)樹(shù)的狀態(tài)評(píng)價(jià)

按照裝備結(jié)構(gòu)樹(shù)定義系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)層級(jí)表，如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)樹(shù)示意圖

（1）定義第m 個(gè)設(shè)備的第n 個(gè)子設(shè)備狀態(tài)值為Qmn，若該器件有傳感器，則取傳感器檢測(cè)狀態(tài)值；若無(wú)傳感器可計(jì)為1；

（2）利用子節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)值計(jì)算父節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)值，評(píng)級(jí)模型如下。

（3）按照上述模型由底層向上逐級(jí)計(jì)算即可得到全系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.3 基于失效系數(shù)的故障預(yù)測(cè)

定義設(shè)備失效系數(shù)為故障前一次設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)值。統(tǒng)計(jì)計(jì)算同類(lèi)設(shè)備一定數(shù)量的失效系數(shù)隊(duì)列，剔除明顯奇異值后，計(jì)算隊(duì)列的標(biāo)準(zhǔn)差作為故障預(yù)測(cè)門(mén)限。對(duì)正常設(shè)備監(jiān)測(cè)時(shí)，如果實(shí)時(shí)狀態(tài)值達(dá)到故障預(yù)測(cè)門(mén)限，即可實(shí)施提前維修。

式中，m 為統(tǒng)計(jì)總數(shù)，xi為第i 次失效系數(shù)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

使用文中方法在某型號(hào)雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。該接收機(jī)BIT 信息包括光鏈路、2 個(gè)電源、4 個(gè)通道和溫度等組成。其中光鏈路為關(guān)重狀態(tài)，電源與通道存在邏輯關(guān)系。一次任務(wù)BIT 采樣信息如圖2 所示，狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果如表1 所示。

表1 設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)信息

圖2 單任務(wù)BIT 信息

統(tǒng)計(jì)30 件同批次該型號(hào)接收機(jī)故障信息，分析失效系數(shù)如圖3 所示，剔除2 個(gè)明顯奇異值后，計(jì)算故障預(yù)測(cè)門(mén)限值為80.61%。當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)值達(dá)到門(mén)限時(shí)，即實(shí)施提前維修，有效提升了任務(wù)完成率。

圖3 失效系數(shù)估計(jì)

結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了PHM 技術(shù)內(nèi)容和特點(diǎn)，提出了一種面向現(xiàn)役裝備的PHM 實(shí)用設(shè)計(jì)方法，并在某型號(hào)雷達(dá)接收機(jī)上進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)?；跉v史數(shù)據(jù)的PHM 設(shè)計(jì)方法有效可行，具備工程應(yīng)用價(jià)值。