武光磊

人需要做健康管理，那你聽說過給裝備做健康管理嗎？

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，航空、航天、船舶、兵器等各個領(lǐng)域系統(tǒng)的復(fù)雜性、綜合化、智能化程度不斷提高，其研制、生產(chǎn)尤其是維護和保障的成本也越來越高。因此，復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷和可靠性逐漸成為科學家關(guān)注的焦點?；趶?fù)雜系統(tǒng)通用質(zhì)量特性和經(jīng)濟性考慮，以預(yù)測技術(shù)為核心的故障預(yù)測和健康管理PHM（Prognostics and Health Management）技術(shù)應(yīng)運而生。

目前，PHM在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，但PHM技術(shù)在國內(nèi)相對來說還是一個比較新穎的概念，研究起步較晚。北京理工大學特別副研究員伊梟劍正是國內(nèi)研究PHM的中堅力量之一。在他看來，裝備的健康管理不僅是提高裝備維修決策科學性的重要依據(jù)，也是提高裝備全壽命管理效益的重要手段，更是提升部隊裝備保障能力和戰(zhàn)斗力的重要基礎(chǔ)。這值得他繼續(xù)為之奮斗下一個10年。

十年磨劍

伊梟劍從一開始就認準了自己的研究興趣——兵器科學。2010年9月，他順利考入北京理工大學機電學院兵器科學與技術(shù)專業(yè)，攻讀博士學位，至此拉開了他研究兵器科學的序幕。隨著研究的深入和科研能力的積累，他把目光鎖定在了裝備健康管理這一研究方向上，并邁出了堅實的步伐。

2015年，伊梟劍申請到了國家留學基金管理委員會的聯(lián)合培養(yǎng)博士項目，前往加拿大渥太華大學學習一年。在國外，他親身感受到了國內(nèi)裝備可靠性研究與國外的差距。“國外裝備可靠性研究起步比較早，我在加拿大的導(dǎo)師從1980年就開始做這方面的研究了?！?/p>

20世紀70年代起，故障診斷、故障預(yù)測、基于狀態(tài)的維修、發(fā)動機監(jiān)控、健康管理等系統(tǒng)逐漸在工程項目中探索應(yīng)用。工程實踐表明，故障預(yù)測與健康管理技術(shù)利用先進的傳感器技術(shù)，獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)信息和故障信息，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理等算法，根據(jù)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境因素，對系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測，同時對系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行評估，結(jié)合地面維修資源情況，給出維修決策，以實現(xiàn)關(guān)鍵部件的實情維修。

PHM的概念和技術(shù)很快出現(xiàn)在軍用裝備中，美國、英國、加拿大、荷蘭、新加坡、南非和以色列等國已將PHM技術(shù)應(yīng)用到直升機上，出現(xiàn)了被稱作“健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)”（HUMS）的集成應(yīng)用平臺。

面對與國外研究相差20年的差距，伊梟劍暗暗下定決心，要做中國自己的PHM技術(shù)應(yīng)用平臺，壯大國內(nèi)的PHM研究?！耙郧暗年P(guān)鍵問題是裝備性能問題，現(xiàn)在的關(guān)鍵問題是裝備的可靠性問題?！币虼?，當中國裝備的整體性能達到世界先進水平后，就需要考慮裝備健康管理和全壽命周期的問題了。

“我可以說是從學生時代專業(yè)和方向就沒有變過，一直在做裝備可靠性研究，多年來的科研鋪墊和技術(shù)儲備都是我現(xiàn)在工作方向的根基。”目前，伊梟劍正承擔某輪式裝甲車系列改進健康管理系統(tǒng)的研制，這是我國裝甲裝備領(lǐng)域首套面向中型合成營的健康管理系統(tǒng)?！霸谕七M健康管理系統(tǒng)型號的過程當中，我們需要給不同的部門去論證搭載健康管理系統(tǒng)的必要性。我記得一年就開了50多次研討會，評審會幾乎每周都開一次?！?/p>

在伊梟劍看來，美國目前在其軍事裝備中大力推廣PHM的技術(shù)應(yīng)用，并將其廣泛安裝到第三代軍事裝備上已近10年，如果中國還是要在下一代裝備上才去列裝PHM技術(shù)，那么彼此之間的差距只會越來越大。所以他大膽提出在目前的裝備上全面推進健康管理系統(tǒng)，只要邁出了第一步，就能把差距一點一點縮小。

主動出擊

傳統(tǒng)的維修為什么會被淘汰，是因為其在裝備出現(xiàn)了明顯劣化后才實施。而PHM則力求實現(xiàn)智能化預(yù)測與決策，通過智能模型預(yù)測將要發(fā)生的故障并在故障發(fā)生前提供需要更換的零部件信息，以達到降低故障率和節(jié)省保障費用的目的。簡而言之，PHM是對復(fù)雜系統(tǒng)傳統(tǒng)使用的機內(nèi)測試（build-in test，BIT）和狀態(tài)（健康）監(jiān)控能力的進一步擴展，它是從狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變引入了對系統(tǒng)未來可靠性的預(yù)測能力，借助這種能力識別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和供應(yīng)保障，降低使用與保障費用，提高裝備系統(tǒng)的安全性、完好性和任務(wù)成功性，以較少的維修投入，實現(xiàn)基于狀態(tài)的維修或視情維修（condition-based maintenance，CBM）和自主式保障。

當今世界新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正在孕育興起，具有軍事應(yīng)用前景的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等戰(zhàn)略性新興技術(shù)的集中出現(xiàn)，將從根本上影響軍事領(lǐng)域。伊梟劍說：“目前我們已經(jīng)開始大范圍地進行研究，PHM技術(shù)要成為未來裝備上必須搭載的技術(shù)?！?/p>

在PHM技術(shù)基礎(chǔ)科研方面，伊梟劍作為項目負責人或技術(shù)負責人主持國家自然科學基金、博士后基金、國家科技重大專項、國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)、國防科工局基礎(chǔ)科研和裝備發(fā)展部共性基礎(chǔ)等十余項國家級項目;在PHM技術(shù)工程應(yīng)用方面，他作為項目負責人或技術(shù)負責人主持論證了地面突擊、空降和無人裝備健康管理系統(tǒng)，并主持研制了某輪式裝甲車系列改進健康管理系統(tǒng)。

光是在2017年一年，伊梟劍總共發(fā)表了15篇EI、SCI。但是面對如此豐碩的成果，他說自己只是比別人更善于總結(jié)罷了。他說：“我做的這些項目實際上都圍繞著一個主線來申請。盡管看起來似乎很多，但每個項目都有自己的特點，不同的關(guān)注點，最終每個項目的結(jié)果可以串聯(lián)起來。”

對于技術(shù)的研究和應(yīng)用，伊梟劍也有自己的思考，比如像前沿的技術(shù)點，他會選擇用國家自然基金去申報;而專項的技術(shù)，則會申請國家重點研發(fā)計劃項目;如果技術(shù)成熟，已經(jīng)具備了一定的應(yīng)用條件，他會將相關(guān)技術(shù)推廣到型號裝備中。如此清晰有條理的安排，似乎也印證伊梟劍的科研之路一直走得很順利，所有的成果和進步都來自基礎(chǔ)的積累。

不止十年

站在“十四五”的開局之年，伊梟劍的心里也有著自己的目標?！拔覀兿Ｍ凇奈迤陂g，將北京理工大學系統(tǒng)可靠性研究中心升級為產(chǎn)學研用的聯(lián)合體，打造一個為國家安全服務(wù)的新型研發(fā)機構(gòu)?！?/p>

伊梟劍的下一步計劃，是在完成手上主持的項目的后續(xù)驗收后，著手啟動新項目，繼續(xù)圍繞PHM技術(shù)開展實體系統(tǒng)的研究。“目前整個研制的周期很長，非常費時費力，我們了解到數(shù)字孿生的概念，希望將其應(yīng)用于研究?！?/p>

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。這種仿真過程對于伊梟劍的研究是非常適用的，如果能夠完美地映射出實體裝備的整個生命周期，則可以提高PHM技術(shù)在實際裝備上的應(yīng)用。

“北京理工大學的理念始終著眼于國家重大戰(zhàn)略需求，既然國家在裝備領(lǐng)域確實需要我們進行相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，那么我們就有責任承擔起相關(guān)的科研攻關(guān)工作?！北本├砉ご髮W的校訓(xùn)“德以明理、學以精工”在伊梟劍身上得到了印證，探索科學知識，掌握裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，解決國防問題，這就是他在科學的世界里探索的初衷。不只是在下一個10年，而是在今后無數(shù)個10年中，直至實現(xiàn)為止。