故障預(yù)測(cè)與健康管理體系結(jié)構(gòu)綜述

丁秋月 和堯 董超

摘要：隨著裝備系統(tǒng)復(fù)雜化、綜合化、智能化、自動(dòng)化、精密化的不斷發(fā)展提高，其可靠性、維修性、測(cè)試保障性、安全性以及全壽命周期管理的問(wèn)題越來(lái)越受到重視，傳統(tǒng)的事后故障維修診斷不利于裝備的維修和后勤保障，因而故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)應(yīng)用而生。本文闡述PHM系統(tǒng)框架，明確不同PHM體系下的工作流程，實(shí)例分析了PHM體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，最后歸納總結(jié)出實(shí)現(xiàn)PHM的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：故障預(yù)測(cè)與健康管理;PHM系統(tǒng)框架;PHM關(guān)鍵技術(shù)

Keywords：prognostics and health management;PHM system framework;PHM key technology

0引言

現(xiàn)代裝備設(shè)計(jì)采用更多的新材料、新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，用以減輕裝備重量、滿足極限載荷、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能等要求，是科學(xué)技術(shù)、裝備效率、后勤保障能力的大比拼。面對(duì)新裝備，其后勤維修保障尤為重要。早期裝備采用傳統(tǒng)的基于浴盆曲線故障模型的定期全面翻修為主的預(yù)防維修思想，這種通過(guò)按使用時(shí)間進(jìn)行的預(yù)防性維修工作，工作量大、周期長(zhǎng)，不能充分發(fā)揮裝備的使用效能，難以適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)裝備的維修保障要求，同時(shí)維修耗時(shí)費(fèi)力還成本高。視情維修在軍用裝備中的成功應(yīng)用，使之逐漸向民用裝備發(fā)展，其所具備的預(yù)測(cè)故障發(fā)生和對(duì)健康狀態(tài)的管理催生了故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)的產(chǎn)生。PHM是美國(guó)針對(duì)自身龐大而先進(jìn)的裝備提出的一種先進(jìn)維修保障技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備的狀態(tài)監(jiān)控、故障綜合診斷、故障預(yù)測(cè)、健康管理和壽命預(yù)測(cè)等[1]。

本文闡述標(biāo)準(zhǔn)PHM技術(shù)系統(tǒng)框架，給出基于不同類型裝備可選實(shí)施的3種PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后給出裝備設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用，并論述了PHM的關(guān)鍵技術(shù)。

1 PHM系統(tǒng)框架

1.1 PHM體系的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

視情維修開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)（Open System Architecture for Condition-Based Maintenance，OSA-CBM）最為典型[2]，是綜合了不同類型的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)而來(lái)的，如直升機(jī)健康與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Health and Usage Monitoring System，HUMS）、海軍綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)（In- tegrated Condition Assessment System，ICAS）、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Engine Monitoring System，EMS）、航天器集成健康管理系統(tǒng)（Integrated Vehicle Health Management System，IVHMS）、綜合診斷預(yù)測(cè)系統(tǒng)（Integrated Diagnostics and Prognostics System，IDPS）等，如圖1所示。

OSA-CBM體系結(jié)構(gòu)由美國(guó)波音公司設(shè)計(jì)總結(jié)發(fā)起，匯集了工業(yè)制造、商業(yè)制造、軍事、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及科研研究院等眾多組織機(jī)構(gòu)聯(lián)合研究討論制定，該體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)已在美軍軍民領(lǐng)域的各種現(xiàn)代裝備上進(jìn)行了初步的應(yīng)用和相關(guān)的驗(yàn)證。

OSA-CBM體系結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集和傳輸、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)、自動(dòng)推理決策及接口等7個(gè)部分組成。

1）數(shù)據(jù)采集與傳輸。采用光纖傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)、智能傳感器等先進(jìn)的傳感器技術(shù)，進(jìn)行收集表征裝備的機(jī)械、電子、電氣和液壓部件的狀態(tài)信息，作為PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并進(jìn)行相應(yīng)的D/A或A/D轉(zhuǎn)換后實(shí)施傳輸。

2）數(shù)據(jù)處理。對(duì)傳感器采集和輸送來(lái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括：由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真而進(jìn)行的數(shù)據(jù)清理和恢復(fù)技術(shù)，為找出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為辨別裝備故障模式的特征提取技術(shù)，為進(jìn)行裝備健康狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等。

3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)。接受傳感器、數(shù)據(jù)處理和其他監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的失效判據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警或警告信息。

4）健康評(píng)估。依據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的情況和其他信息進(jìn)行系統(tǒng)健康評(píng)估，在形成故障診斷記錄的同時(shí)確定故障發(fā)生的可能性以及時(shí)間趨勢(shì)。

5）故障預(yù)測(cè)。利用前述處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)、剩余壽命預(yù)測(cè)等。

6）自動(dòng)推理決策。通過(guò)系統(tǒng)自身的計(jì)算分析功能，給出更換部件、維護(hù)等保障活動(dòng)的建議和方法措施。

7）接口。實(shí)現(xiàn)人—機(jī)、機(jī)—機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流，最重要的是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，保證數(shù)據(jù)信息傳遞的準(zhǔn)確和高效。

1.2 PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)類型及選擇

PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述其構(gòu)成要素及其相互之間的關(guān)系，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅影響系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，而且決定其行為特性與功能實(shí)現(xiàn)特性。建立某個(gè)裝備的PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，依據(jù)裝備的結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜情況進(jìn)行選擇，不同類型裝備的PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會(huì)不同。主要有3種類型：集中式體系結(jié)構(gòu)、分布式體系結(jié)構(gòu)和分層融合式體系結(jié)構(gòu)[3-5]。

1）集中式體系結(jié)構(gòu)

集中式體系結(jié)構(gòu)中的中央故障管理控制器完成全權(quán)限的數(shù)據(jù)處理、故障預(yù)測(cè)和健康管理等任務(wù)。該體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理是裝備的部件工作狀態(tài)參數(shù)由傳感器傳輸至中央故障管理控制器進(jìn)行處理和分析，最終得出裝備的狀態(tài)情況和維修決策，如圖2所示。

集中式體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單，信息傳輸路徑明確，但要求中央故障管理控制器的功能強(qiáng)大，能夠?qū)鞲衅魈綔y(cè)到的各種信息進(jìn)行融合和數(shù)據(jù)分析處理，最終形成決策，因而該體系結(jié)構(gòu)適用于裝備系統(tǒng)不復(fù)雜、簡(jiǎn)單小型的組成結(jié)構(gòu)。

2）分布式體系結(jié)構(gòu)

分布式體系結(jié)構(gòu)中各子系統(tǒng)擁有各自獨(dú)立的故障管理控制器，各子系統(tǒng)故障管理控制器接收本系統(tǒng)的部件傳感信息，獨(dú)立完成預(yù)測(cè)與健康管理任務(wù)，最終進(jìn)行綜合顯示，如圖3所示。

分布式體系結(jié)構(gòu)中各子系統(tǒng)的運(yùn)行模式相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的集中式體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用在裝備系統(tǒng)繁多但系統(tǒng)功能可明顯區(qū)別的場(chǎng)合，從而可以實(shí)現(xiàn)分類處理而最終融合顯示。然而最終決策缺乏系統(tǒng)級(jí)的綜合，其形成的維修決策缺乏直接實(shí)際意義，僅有助于維護(hù)參考。

3）分層融合式體系結(jié)構(gòu)

分層融合式體系結(jié)構(gòu)是集中式體系結(jié)構(gòu)和分布式體系結(jié)構(gòu)的綜合，基礎(chǔ)信息由傳感器傳入相對(duì)應(yīng)的功能模塊下的故障管理控制器進(jìn)行預(yù)先處理，形成處理后的重要信息流，傳輸至裝備綜合故障管理控制器進(jìn)行全局診斷和分析，最終形成基于裝備各系統(tǒng)狀態(tài)的綜合診斷信息和維修決策信息顯示，如圖4所示。

分層融合式體系結(jié)構(gòu)的建立針對(duì)的是現(xiàn)代裝備大型復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，由于系統(tǒng)間關(guān)系聯(lián)系緊密無(wú)法區(qū)別開(kāi)來(lái)，故障發(fā)生的原因由多重系統(tǒng)原因造成，某種情況下虛假的警告也會(huì)產(chǎn)生干擾。因而，對(duì)全局信息的綜合分析處理就尤為重要，通過(guò)預(yù)先的數(shù)據(jù)處理，剔除不重要的信息，將關(guān)鍵重要信息傳遞給綜合故障管理控制器，不僅可提高效率，還使故障診斷和維修決策更為準(zhǔn)確和具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

4）PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)類型的選擇

PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的選擇受多種因素影響，可根據(jù)應(yīng)用目的性原則、裝備適用性原則、運(yùn)行保障高效性原則，結(jié)合使用環(huán)境、裝備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用目的等綜合信息進(jìn)行選擇。一般而言，對(duì)于一次性工作、小型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的裝備，由于PHM主要用于狀態(tài)評(píng)估以判斷是否可用，可選用集中式體系結(jié)構(gòu);對(duì)于斷續(xù)工作、大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求PHM為其進(jìn)行故障預(yù)測(cè)進(jìn)而幫助選擇維修時(shí)機(jī)的裝備，可選用分布式體系結(jié)構(gòu);對(duì)于大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且要求持續(xù)工作的裝備，因?yàn)橐獙?duì)裝備實(shí)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以避免事故的發(fā)生，所以分布融合式體系結(jié)構(gòu)更為適合。無(wú)論選擇何種形式，都應(yīng)盡量選擇技術(shù)成就高、經(jīng)濟(jì)性好且對(duì)軟硬件要求低的結(jié)構(gòu)形式。

2 PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 典型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性要求高、維修保障性差、維護(hù)成本高，傳統(tǒng)的機(jī)械控制或機(jī)械液壓控制發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)型的預(yù)防為主的維修方式不利于充分使用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效能，PHM技術(shù)的引入，極大地提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性和安全性，使得維修方式從定時(shí)維修轉(zhuǎn)向視情維修為主，同時(shí)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控[6]。

F135渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)普惠公司為F-35飛機(jī)設(shè)計(jì)的，采用PHM系統(tǒng)，具備最先進(jìn)的智能狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、壽命預(yù)測(cè)能力，如圖5所示。

受制于當(dāng)時(shí)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平，傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)手段，故障診斷和壽命預(yù)測(cè)幾乎都是依靠有經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制采用機(jī)械或機(jī)械液壓控制技術(shù)，這些方式都不利于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮其綜合使用效能。隨著傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等的不斷完善和進(jìn)步，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸引入這些新興科技成果，如全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）技術(shù)，基于智能計(jì)算機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器感受飛行員的操縱指令和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)（空氣流量、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等）及外界參數(shù)，并將所有信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，傳遞給FADEC中央處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后給出控制指令，操縱伺服作動(dòng)器或電靜液作動(dòng)器控制發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，該系統(tǒng)還可監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的輸入、輸出及計(jì)算機(jī)自身的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到控制系統(tǒng)的任何異常后，會(huì)根據(jù)具體情況選擇最為合適的控制方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)在失效安全模式下工作，同時(shí)將所監(jiān)測(cè)到的異常信息存儲(chǔ)在自身的存儲(chǔ)器（CMDR）中，或?qū)⑿畔l(fā)送至飛機(jī)駕駛艙儀表板進(jìn)行告警，機(jī)組可以根據(jù)告警信息采取相應(yīng)的措施，飛機(jī)返回地面后，維修人員可提取存儲(chǔ)的故障數(shù)據(jù)用于排故。

F-135的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全權(quán)限數(shù)字電子控制的需要，精確的燃油調(diào)節(jié)控制降低了油耗消耗率，節(jié)約了成本，電子計(jì)算機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控告警功能減輕了飛行員的駕駛負(fù)擔(dān)，同時(shí)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)綜合診斷，不僅有利于維修人員快速精準(zhǔn)地進(jìn)行維修，而且有助于發(fā)揮飛機(jī)的綜合效能，所具有的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測(cè)功能極大地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的預(yù)測(cè)精度，不僅有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，而且最大程度降低了飛機(jī)發(fā)生事故的概率，減少了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2.2 先進(jìn)直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層融合式結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用智能推理技術(shù)，綜合多種類型的推理機(jī)軟件，從復(fù)雜的直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)部件一步步的綜合應(yīng)用到故障預(yù)測(cè)與健康管理，實(shí)現(xiàn)了視情維修，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)和告警的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)故障發(fā)生后的修正措施實(shí)施閉環(huán)管理，直至故障徹底解決達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全模式，如圖6所示。直升機(jī)機(jī)電平臺(tái)PHM系統(tǒng)將給出直升機(jī)維護(hù)的決策建議，指導(dǎo)地面維護(hù)人員進(jìn)行視情維修，幫助直升機(jī)營(yíng)運(yùn)人降低成本，有利地保證了直升機(jī)工作的安全和效率，有利于發(fā)揮直升機(jī)應(yīng)具有的工作效能[7]。

3 PHM技術(shù)的關(guān)鍵

PHM系統(tǒng)一般需要四個(gè)關(guān)鍵功能組成要素：狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康管理，如圖7所示。四個(gè)要素缺一不可，通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控，了解當(dāng)前環(huán)境和工作條件下裝備的狀態(tài)并明確事故征候和異常;機(jī)載軟硬件進(jìn)行分析和計(jì)算，得出故障診斷;通過(guò)對(duì)征候的分析，進(jìn)而理解其原因和活動(dòng)過(guò)程，通過(guò)預(yù)置于計(jì)算機(jī)軟件中的預(yù)測(cè)模型方法進(jìn)行故障預(yù)測(cè);確定故障起因、故障位置和發(fā)生時(shí)間，指導(dǎo)實(shí)施裝備的健康管理，解決后繼續(xù)監(jiān)測(cè)，以評(píng)估實(shí)施效果而改進(jìn)系統(tǒng)，完善PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使之更加有效和成熟。

現(xiàn)代裝備逐漸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，為了取代傳統(tǒng)的高密度、低強(qiáng)度材料，復(fù)合材料的使用極大地促進(jìn)和發(fā)揮了裝備的使用效能。面對(duì)新型材料的失效，傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)將無(wú)法達(dá)成探測(cè)目的，即傳感器的設(shè)計(jì)需要隨著材料的變化而不斷改進(jìn)。如何設(shè)計(jì)傳感器采集數(shù)據(jù)、采集什么數(shù)據(jù)來(lái)反饋裝備故障壽命情況，又是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，需要在實(shí)踐中經(jīng)過(guò)不斷地積累和總結(jié)。計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)內(nèi)容將更加復(fù)雜，從基礎(chǔ)元件或部件系統(tǒng)的傳感器信息監(jiān)測(cè)、提取、傳遞到數(shù)據(jù)集成的分析和綜合診斷，只有每一個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)和正確完成才能得到正確可靠的結(jié)論，如何從眾多的數(shù)據(jù)信息中提取出有利于故障預(yù)測(cè)和健康管理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，就是PHM實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

PHM技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)由最初的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)逐步傳遞信息流，到各個(gè)部分完成相關(guān)功能并傳遞下去，每一個(gè)部分都是開(kāi)放的，不僅便于維護(hù)安裝，同時(shí)模塊化的開(kāi)放設(shè)計(jì)便于集成當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)成果，使得系統(tǒng)的整體性能更加優(yōu)越，同時(shí)還便于用戶使用和管理。該體系結(jié)構(gòu)最主要的作用是實(shí)現(xiàn)了裝備的視情維修，較傳統(tǒng)的定期檢修而言，不僅大大降低了維修的人力和成本，同時(shí)還有利于提早發(fā)現(xiàn)裝備的故障，這一功能正是當(dāng)前復(fù)雜裝備的保障所需。

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的裝備將采用PHM技術(shù)進(jìn)行全壽命周期的管理，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理將極大地減少維護(hù)成本，保證裝備的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[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）：20-23.

[2]周圣林.OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)適用性分析和航空應(yīng)用探討[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2012（3）：38-41.

[3]陳青，張觀海，劉琪.飛機(jī)預(yù)測(cè)與健康管理體系結(jié)構(gòu)淺析[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2011，（02）：51-58.

[4]景博，湯巍，黃以鋒等.故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)綜述[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28（12）：1301-1307.

[5]王錕，王潔，馮剛等.復(fù)雜裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理體系結(jié)構(gòu)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（7）：1740-1743.

[6] 邱立軍.故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在航空裝備領(lǐng)域的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2012，03：54-56.

[7] 郭震中，黃偉華，姚有文，陸志肖.直升機(jī)機(jī)電綜合管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].直升機(jī)技術(shù)，2011，（03）：63-68.

作者簡(jiǎn)介

丁秋月，工程師，研究方向?yàn)榘踩茖W(xué)理論及技術(shù)等。

和堯，工程師，研究方向?yàn)榘踩茖W(xué)理論及技術(shù)等

董超，碩士研究生，主要從事民用航空器維修和安全管理工作。