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、自動化、精密化的不斷發(fā)展提高，其可靠性、維修性、測試保障性、安全性以及全壽命周期管理的問題越來越受到重視，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，實例分析了PHM體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，最后歸納總結(jié)出實現(xiàn)PHM的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：故障預(yù)測與健康管理;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，這種通過按使用時間進行的預(yù)防性維修工作，工作量大、周期長，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，同時維修耗時費力還成本高。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)測故障發(fā)生和對健康狀態(tài)的管理催生了故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)的產(chǎn)生。PHM是美國針對自身龐大而先進的裝備提出的一種先進維修保障技術(shù)，可實現(xiàn)對裝備的狀態(tài)監(jiān)控、故障綜合診斷、故障預(yù)測、健康管理和壽命預(yù)測等[1]。

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

1 PHM系統(tǒng)框架

1.1 PHM體系的標準結(jié)構(gòu)

視情維修開放體系結(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)計而來的，如直升機健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)（Health and Usage Monitoring System，HUMS）、海軍綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（In- tegrated Condition Assessment System，ICAS）、飛機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）、發(fā)動機監(jiān)測系統(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)由美國波音公司設(shè)計總結(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)、計算機技術(shù)及科研研究院等眾多組織機構(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)代裝備上進行了初步的應(yīng)用和相關(guān)的驗證。

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、健康評估、故障預(yù)測、自動推理決策及接口等7個部分組成。

1）數(shù)據(jù)采集與傳輸。采用光纖傳感器、微機電系統(tǒng)、智能傳感器等先進的傳感器技術(shù)，進行收集表征裝備的機械、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)，并進行相應(yīng)的D/A或A/D轉(zhuǎn)換后實施傳輸。

2）數(shù)據(jù)處理。對傳感器采集和輸送來的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行處理，包括：由于監(jiān)測數(shù)據(jù)失真而進行的數(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)，為進行裝備健康狀態(tài)評估和故障預(yù)測的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等。

3）狀態(tài)監(jiān)測。接受傳感器、數(shù)據(jù)處理和其他監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，通過與標準設(shè)定的失效判據(jù)進行比較，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，同時發(fā)出相應(yīng)的報警或警告信息。

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

5）故障預(yù)測。利用前述處理的數(shù)據(jù)進行狀態(tài)評估、故障預(yù)測、剩余壽命預(yù)測等。

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

7）接口。實現(xiàn)人—機、機—機之間的數(shù)據(jù)交流，最重要的是實現(xiàn)人機對話，保證數(shù)據(jù)信息傳遞的準確和高效。

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現(xiàn)特性。建立某個裝備的PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，依據(jù)裝備的結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜情況進行選擇，不同類型裝備的PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會不同。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)測和健康管理等任務(wù)。該體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計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大，能夠?qū)鞲衅魈綔y到的各種信息進行融合和數(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，獨立完成預(yù)測與健康管理任務(wù)，最終進行綜合顯示，如圖3所示。

分布式體系結(jié)構(gòu)中各子系統(tǒng)的運行模式相當(dāng)于一個獨立的集中式體系結(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)別的場合，從而可以實現(xiàn)分類處理而最終融合顯示。然而最終決策缺乏系統(tǒng)級的綜合，其形成的維修決策缺乏直接實際意義，僅有助于維護參考。

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應(yīng)的功能模塊下的故障管理控制器進行預(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)的建立針對的是現(xiàn)代裝備大型復(fù)雜的機電系統(tǒng)，由于系統(tǒng)間關(guān)系聯(lián)系緊密無法區(qū)別開來，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產(chǎn)生干擾。因而，對全局信息的綜合分析處理就尤為重要，通過預(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確和具有實際指導(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、運行保障高效性原則，結(jié)合使用環(huán)境、裝備結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用目的等綜合信息進行選擇。一般而言，對于一次性工作、小型、結(jié)構(gòu)簡單的裝備，由于PHM主要用于狀態(tài)評估以判斷是否可用，可選用集中式體系結(jié)構(gòu);對于斷續(xù)工作、大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求PHM為其進行故障預(yù)測進而幫助選擇維修時機的裝備，可選用分布式體系結(jié)構(gòu);對于大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且要求持續(xù)工作的裝備，因為要對裝備實行狀態(tài)監(jiān)測以避免事故的發(fā)生，所以分布融合式體系結(jié)構(gòu)更為適合。無論選擇何種形式，都應(yīng)盡量選擇技術(shù)成就高、經(jīng)濟性好且對軟硬件要求低的結(jié)構(gòu)形式。

2 PHM系統(tǒng)設(shè)計實例

2.1 典型先進航空發(fā)動機的PHM系統(tǒng)設(shè)計

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

F135渦輪風(fēng)扇發(fā)動機是美國普惠公司為F-35飛機設(shè)計的，采用PHM系統(tǒng)，具備最先進的智能狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、壽命預(yù)測能力，如圖5所示。

受制于當(dāng)時電子計算機技術(shù)的發(fā)展水平，傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機幾乎沒有發(fā)動機監(jiān)測手段，故障診斷和壽命預(yù)測幾乎都是依靠有經(jīng)驗的工程師來進行，發(fā)動機的控制采用機械或機械液壓控制技術(shù)，這些方式都不利于發(fā)動機發(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)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)等的不斷完善和進步，先進航空發(fā)動機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)，基于智能計算機的發(fā)動機控制系統(tǒng)通過傳感器感受飛行員的操縱指令和發(fā)動機參數(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，傳遞給FADEC中央處理計算機進行綜合數(shù)據(jù)處理，計算機經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后給出控制指令，操縱伺服作動器或電靜液作動器控制發(fā)動機。同時，該系統(tǒng)還可監(jiān)測控制系統(tǒng)的輸入、輸出及計算機自身的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測到控制系統(tǒng)的任何異常后，會根據(jù)具體情況選擇最為合適的控制方式，使發(fā)動機在失效安全模式下工作，同時將所監(jiān)測到的異常信息存儲在自身的存儲器（CMDR）中，或?qū)⑿畔l(fā)送至飛機駕駛艙儀表板進行告警，機組可以根據(jù)告警信息采取相應(yīng)的措施，飛機返回地面后，維修人員可提取存儲的故障數(shù)據(jù)用于排故。

F-135的PHM系統(tǒng)設(shè)計可以滿足對發(fā)動機進行全權(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，電子計算機的自動監(jiān)控告警功能減輕了飛行員的駕駛負擔(dān)，同時，該型發(fā)動機可進行發(fā)動機綜合診斷，不僅有利于維修人員快速精準地進行維修，而且有助于發(fā)揮飛機的綜合效能，所具有的發(fā)動機壽命預(yù)測功能極大地提高了發(fā)動機壽命的預(yù)測精度，不僅有助于及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，而且最大程度降低了飛機發(fā)生事故的概率，減少了人員傷亡和財產(chǎn)損失。

2.2 先進直升機機電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)設(shè)計

直升機機電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)設(shè)計采用分層融合式結(jié)構(gòu)，同時利用智能推理技術(shù)，綜合多種類型的推理機軟件，從復(fù)雜的直升機機電系統(tǒng)部件一步步的綜合應(yīng)用到故障預(yù)測與健康管理，實現(xiàn)了視情維修，該系統(tǒng)可實現(xiàn)故障預(yù)測和告警的實時監(jiān)控，對故障發(fā)生后的修正措施實施閉環(huán)管理，直至故障徹底解決達到系統(tǒng)設(shè)計的安全模式，如圖6所示。直升機機電平臺PHM系統(tǒng)將給出直升機維護的決策建議，指導(dǎo)地面維護人員進行視情維修，幫助直升機營運人降低成本，有利地保證了直升機工作的安全和效率，有利于發(fā)揮直升機應(yīng)具有的工作效能[7]。

3 PHM技術(shù)的關(guān)鍵

PHM系統(tǒng)一般需要四個關(guān)鍵功能組成要素：狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)測、健康管理，如圖7所示。四個要素缺一不可，通過狀態(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;機載軟硬件進行分析和計算，得出故障診斷;通過對征候的分析，進而理解其原因和活動過程，通過預(yù)置于計算機軟件中的預(yù)測模型方法進行故障預(yù)測;確定故障起因、故障位置和發(fā)生時間，指導(dǎo)實施裝備的健康管理，解決后繼續(xù)監(jiān)測，以評估實施效果而改進系統(tǒng)，完善PHM系統(tǒng)設(shè)計，使之更加有效和成熟。

現(xiàn)代裝備逐漸進行輕量化設(shè)計，為了取代傳統(tǒng)的高密度、低強度材料，復(fù)合材料的使用極大地促進和發(fā)揮了裝備的使用效能。面對新型材料的失效，傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計將無法達成探測目的，即傳感器的設(shè)計需要隨著材料的變化而不斷改進。如何設(shè)計傳感器采集數(shù)據(jù)、采集什么數(shù)據(jù)來反饋裝備故障壽命情況，又是一個很大的挑戰(zhàn)，需要在實踐中經(jīng)過不斷地積累和總結(jié)。計算機處理的數(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、提取、傳遞到數(shù)據(jù)集成的分析和綜合診斷，只有每一個過程的實現(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)測和健康管理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，就是PHM實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語

PHM技術(shù)功能的實現(xiàn)由最初的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過逐步傳遞信息流，到各個部分完成相關(guān)功能并傳遞下去，每一個部分都是開放的，不僅便于維護安裝，同時模塊化的開放設(shè)計便于集成當(dāng)今各個領(lǐng)域的先進技術(shù)成果，使得系統(tǒng)的整體性能更加優(yōu)越，同時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)的不斷進步，越來越多的裝備將采用PHM技術(shù)進行全壽命周期的管理，進行故障預(yù)測和健康管理將極大地減少維護成本，保證裝備的安全運行。

參考文獻

[1]張寶珍，曾天翔.PHM：實現(xiàn)F-35經(jīng)濟可承受性目標的關(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標準適用性分析和航空應(yīng)用探討[J].航空標準化與質(zhì)量，2012（3）：38-41.

[3]陳青，張觀海，劉琪.飛機預(yù)測與健康管理體系結(jié)構(gòu)淺析[J].飛機設(shè)計，2011，（02）：51-58.

[4]景博，湯巍，黃以鋒等.故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)相關(guān)標準綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報，2014，28（12）：1301-1307.

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

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

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

作者簡介

丁秋月，工程師，研究方向為安全科學(xué)理論及技術(shù)等。

和堯，工程師，研究方向為安全科學(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。