故障预测与健康管理

故障预测与健康管理（PHM）

故障预测与健康管理（PHM）技术作为实现武器装备基于状态的维修（CBM）、自主式保障、感知与响应后勤等新思想、新方案的关键技术，受到美英等军事强国的高度重视和推广应用。PHM系统正在成为新一代的飞机、舰船和车辆等系统设计和使用中的一个重要组成部分。它包括两层含义，一是故障预测，即预先诊断部件或系统完成其功能的状态，确定部件正常工作的时间长度；二是健康管理，即根据诊断/预测信息、可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策的能力。实际上，PHM技术现已广泛应用于机械结构产品中，比如核电站设备、制动装置、发动机、传动装置等。而将PHM技术应用于电子产品则是近年来国外科技研发的重要发展趋势之一。目前国外对电子产品PHM技术的研发主要集中于军用电子产品，重点包括两部分内容：一是产品寿命周期原位监测中的传感系统与传感技术，二是残余寿命预测的故障诊断模型与算法。前者集中于开发无线微型传感器，以取代尺寸较大且需要有线传输数据的传统传感器。后者致力于探索各种不同类型的诊断模型与算法，为军用电子产品故障预测能力提供理论基础。

国外参与PHM相关技术研发的单位非常广泛，如美国国防部和三军的有关机构；NASA；波音、洛克希德·马丁、格鲁门、ARINC、霍尼韦尔、罗克韦尔、雷神、通用电气、普惠、BAE系统公司、史密斯航宇公司、古德里奇公司和泰瑞达公司等跨国公司；康涅狄格大学、田纳西大学、华盛顿大学、加州工学院、麻省理工学院、佐治亚理工学院、斯坦福大学、马里兰大学等著名院校；智能自动化公司、Impact技术公司、质量技术系统公司（QSI）、Giordano自动化公司等软件公司；荷兰PHM联盟（DPC）、Sandia国家实验室（SNL）、美国国防工业协会（NDIA）系统工程委员会、美"联合大学综合诊断研究中心"、美测试与诊断联盟（TDC）等协会和联盟。其中，研发电子产品PHM技术的单位首推马里兰CALCE 电子产品和系统中心，其水平处于世界领先地位。目前国外采用的电子产品故障预测方法可以归纳为以下三类。

1、通过监测失效征兆来预测故障

2、通过设置预警电路（Canary Devices）来预测故障

3、通过建立累积损伤模型来预测故障

除上述三种方法外，国外研发机构也在努力探索使用新方法。比如，史密斯航宇集团在飞机和直升机子系统中综合利用奇异值分解、主成分分析和神经网络进行非线性多元分析和异常状况检测；美国国家航空航天局在航天飞机中使用故障检测算法（包括高斯混合模型、隐马尔可夫模型、卡尔曼滤波、虚拟传感器等）来检测产品异常状态；范德比尔特大学在航宇产品中使用前馈信号（泰勒级数展开）来预测故障。

虽然国外研发机构对军用电子产品PHM技术表现出浓厚兴趣，而且发展迅速，但就目前来看，电子产品PHM技术还远未成熟，至少在以下方面面临巨大挑战。

1、残余使用寿命预测中的不确定性

2、间歇失效的预测

3、电子产品寿命周期数据的原位监测

4、对PHM技术投资回报率的评估

5、确定系统性能的门限值

6、建立电子产品的基于物理的损伤模型

7、PHM技术与传统电子产品的集成

在电子产品中实施PHM技术的其中一个挑战是将该技术集成到传统电子产品中。传统的电子产品，尽管经常表现为竞争力差而且与现代产品的兼容性差，但由于其替代产品没有研发出来，所以仍在使用。在传统的电子产品中，比如老龄飞机的航电系统，失效模式与失效机理往往不清楚。另外，缺乏传统系统的应用专家，致使PHM算法中的故障预测建模不成熟和不充分。

将PHM技术集成到传统系统中的另外一个挑战是，难于用兼容方式综合各种技术。PHM系统包括传感器、电子设备、计算机和软件，大部分是商业货架产品（COTS）。这些商业货架产品常常对操作环境、输入参数和使用条件具有特殊要求。一个PHM系统在综合到电子产品中时，需要首先克服与它自己子系统的集成障碍。

美国国防工业协会（NDIA）2006年4月13日公布了NDIA电子产品预测技术工作组最终报告草案。该报告针对电子产品PHM技术研发现状与问题确定了四个领域的开发需求。这四项需求分别是：1）工具-预测系统设计工具、技术评价工具、实施的经济性分析工具以及维修过程集成工具等。2）电子预测技术-工作环境传感器、器件操作体制传感器、软件预测等。3）模型-失效物理、设计验证、维修过程评价、环境影响、电子预测对系统级功能性能的影响等。4）硬件-用于工作环境和事件的检测与记录的硬件，以解决有用寿命的损失测量。PC板电子预测信号感应、电缆和互联故障检测用的纳米传感器。

最终报告草案最后给出了电子产品预测技术实施路线图计划，即从上述具体开发需求出发，在四个基本领域（工具、预测技术、模型和硬件）实施大量广泛的科研项目。这些电子预测开发项目时间范围从2年到5年不等，研发内容从基本的科学技术工作到最终的验证与确认。项目每个阶段预期持续18-24个月。准备进行验证与确认的技术取该时间范围的下限，而处于科技开发水平的技术取该时间范围的上限。该任务路线图分阶段实施，以适应项目的互相关性。伴随着电子预测部署能力的验证与确认和螺旋式开发，该路线图计划准备用8

年左右时间完成。

在军用电子产品领域应用PHM技术已成为国外科技研发的重要发展趋势。国外工业部门与国防部门对该技术的研发主要应用于飞机/直升机、武器系统、发动机和计算机系统。国外大学和研究机构对PHM技术的研发主要集中于对电子产品正常性能偏离的检测上。目前PHM技术研发的最大障碍是对于残余寿命周期预测的不确定性的评估，以及对电子产品间歇失效的检测。因此，国外专家建议研发机构将资金投入移向这些领域，以便尽快使PHM 技术进入实用阶段。

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