装备预测与健康管理体系结构及关键技术

Abstract: T he m ean ing and potentia l benefits of P rognost ics andH ealth M anagem ent ( PHM ) in reducing the m aintenance costs o f equ ipm ent are introduced in this paper. T he open progress and applicat ion o f the PHM system are analyzed, and a new kind of architecture based on PHM system is proposed fo r electronic equ ipm ent d iagnosis and prognosis. In addition, several key com ponen ts of the PHM, e g. fau lt m ode, effect and critica lity analysis, optim um sensor localization, fault diagnosis and prognostics are illustrated in de tai.l K ey w ord s: prognost ics and health m anagem en;t open progress; fault d iagnosis and prognostics; sensor lo ca lization
( 1. 军 械工程学院军械技术研究所 2. 训练部, 河北 石家庄 050003)
摘要: 结合预测与健康管理技术 ( PHM ) 在降低装备保 障维修费用 方面的明 显优势, 介 绍了预测 与健康 管理技
术的内涵及特点, 分析了 PHM 系统的开放式流程, 并将该开放式流程应用于 装备的故障 诊断和预 测中, 提出一
合所有可获得的数据资源, 将故障源准确隔离到单 个 LRU, 以缩短系统修复时间。 3) 缩小后勤保障规 模。 PHM 可以在减少测试和保障设备、减少人力和 备件等方而发挥作用, 使装备的后勤保障规模缩小。 4)触发系统重构以满足使用可靠性。 PHM 可以保 证系统 选择其 最佳任 务构型。 5) 推动视 情维 修。 PHM 便于消除计划维修, 代之以满足使用与保障费 用目标所必需的视情 维修。 6) 提供先进的 现场诊 断及测试。 PHM 通过对系统当前和未来状态的准 确、及时的分析, 从而减少所需的装置, 降低了维修 人员的培训费用。
收稿日期: 2009 11 04; 修回日期: 2009 12 25 作者简介: 刘晓芹 ( 1982! ) , 女, 博士研究生.
尤其是电子装备的故障机理分析还不深入, 有些还 仅能进行故障检测, 还不具备故障预测的能力。我 国对 PHM 的研究刚刚起步, 北京航空航天大学可靠 性工程研究所和中国航空工业发展研究中心较早地 对 PHM 技术进行了分类和综述 [ 4- 6 ] 。
各种数据信息, 借助各种 智能推理算法 ( 如物理模
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军械工程学院学报
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型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等 ) 来 评估系统自身的健康状态, 在系统故障发生前对其 故障进行预测, 并结合各种可利用的资源信息提供 一 系列的维修 保障措施 以实现系统 的视情维 修 [ 2, 7] 。 PHM 是新 一代武器 系统的 维修和 管理技 术, 也是一种全面的故障检测、隔离和预测以及状态 管理技术。
引入 PHM 不是为了直接消除故障, 而是为了了 解和预计故障何时将发生, 实现故障前维修。其技 术特点及优势如下: 1) 提高装备的使用率。 PHM 使 后勤保障系统的运行能力能够充分发挥, 并可以预 计和延期维 护活 动。 2) 降低 系统寿 命周期 费用。 PHM 可以消除虚警及不必要的拆卸, 可以开发和融
感器配置以及故障诊断及预测推理模块。 2 1 FMECA 模块
FMECA 分析是通过对装备各组成单元潜在故 障模式、故障原因及其对装备功能的影响进行分析, 并把每个潜在故障模式按其严酷程度进行分类, 以 采取相应的预防改进 措施, 以 提高系统的可靠 性。 其内容包括: 1) 识别故障模式和它们的影响 ! ! ! 故 障模式及影响分析 ( FM EA, failure m ode effects anal ysis); 2) 根据故障模式的严酷度和发生概率, 对故 障模式 分级 ! ! ! 危害性 分析 ( CA, criticality ana ly sis) 。其最终目的是通过 FMECA 分析, 发现系统的 薄弱环节和关键部件, 通过加装传感器或者其他监 测手段对其进行监测, 及时掌握其运行状态, 并进行 故障诊断和故障预测, 从而实现装备的健康管理。
种基于 PHM 的预测与健康管理体系框架。在此基础上, 对诊断与预测技术 以及传感器配置 算法等关 键技术进行
了详细阐述, 介绍了采用的诊断 和预测模型及算法。
关键词: 预测与健康管理; 开放式流程; 故障诊断 与预测; 传感器配置
中图分类号: E92; TP277
文献标识码: A
K ey Technology and A rchitecture of Prognostics and H ealth M anagem ent for Equipm ent
对于导弹装备电子系统, 影响装备健康状态的 因素很多, 本文的 PHM 框架模型中 FMECA 模块的 目标包括分析在该导弹装备电子系统健康管理中起 重要作用的因素, 包括故障征兆、故障原因、故障模 式及其严酷度和发生概率、检测方法等内容 , [ 10] 对 这些内容进行综合分析, 给出系统危险程度的评判 标准。 2 2 传感器配置优化模块
第 3期
刘晓芹等: 装备预测与健康管理体系结构及关键技术
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想和功能是一致的。另外, 装备机内测试技术的不 断完善, 也为 OSA CBM 流程在装备 中的应用奠定 了基础。
OSA CBM 开放式流程在具体的应用中还应考 虑实际需求将各个模块具体化。在考虑针对某型导 弹装备中电子系统的状态监测与故障维修中, 有以 下 3 个方面需求: 1) 对于状态监测, 如何设定系统 健康状态的阈值, 即系统危险程度的评判标准是什 么; 2)对于这种大型的复杂系 统, 传感器开销是较 大的问题, 如何在满足系统可诊断性等性质下对传 感器进行优化配置; 3) 如何在系统故障诊断的基础 上进行后续阶段的故障预测。为了解决上面 3个问 题, 将前面介绍的 PHM 开放流程中各个模块应用到 的技术具体化, 用 FMECA ( fau lt m ode, effect and crit ica lity ana lysis) 对系统进行分析, 得到系统危险程度 的评判标准, 采用一种新的传感器配置策略对系统 用到的传感器进行配置优化, 采用基于隐马尔可夫 模型的故障诊断与预测方法进行系统的故障诊断与 预测, 构成服务于该导弹电子系统的 PHM 实例。图 2给出了该导弹装备中电子系统 PHM 框架模型。
传感器优化配置的任务是进行测试点、传感器 的最优配置, 以期获得测试点、传感器配置成本与可 诊断性要求 (如故障隔离率、故障检测率等 ) 之间的 最佳平衡。基于此, 笔者以指定传感器位置、类型和 传感器数量为目的, 根据可诊断性能指标要求, 设计 传感器配置优化模型。
将图 2中的模型进行缩放以对详细分析传感器 配置优化模块 ( 如图 3所示 )。图 3 中灰色方框中
PHM 技术实现了装备总拥有成本的最小化, 提 高了故障覆盖率、降低了系统虚警, 在复杂装备系统 应用中日益显出强大的生命力。目前, PHM 已成为 美国 国防 部 采购 武 器 系统 的 一 项要 求。研 究表 明 [ 6] , PHM 是一项能够显著降低使用和保障费用, 提高装备安全性和可用性的综合性技术, 值得推广 和深入研究。
PHM 流程各模块的处理动作可在图 1中看出,
这里不再赘述。需要说明的是, 该流程中各模块之 间并没有明显的界限, 存在着数据信息的交叉反馈。 例如可以根据故障诊断与预测模块的结果调整状态 监测的阈值, 也可根据诊断和预测的性能调整分类 器的参数达到最佳效果。
2 某导弹装备电子系统 PHM 体系模型
1 2 PHM 的开放式流程 随着 PHM 技术在航空航天、国防军事以及工业
各领域中的应用, 出现了不同类型的 PHM 系统, 其 基本 思 想 是类 似 的。视 情 维 修的 开 放 体系 结 构
( open system arch itecture for cond it ion based m a inte nance, OSA CBM ) 综 合了这些 PHM 系统共同 的设 计思想以及应用技术和方法 [ 8- 9] , 形成了由 7个部 分构成的 PHM 开放式流程 ( 图 1)。
从 OSA CBM 中的 PHM 开放式流程可以看出: 装备预测与健康管理是一个复杂而又艰巨的任务, 是许多复杂模块和关键技术的集成, 各模块都担当
着不容忽视的重要作用, 其目的是为了完成装备健 康状态的全方位实时监测、故障检测和隔离以及故
障预测, 为实现系统重构提供信息, 从而实现事前维 修和自主式维修保障, 预防故障的发生。
该模型中各分系统中各个组件的状态信息经传 感器组合进行数据采集, 预处理后进入知识库, 知识 库中还融合了系统性质分析之后的 PHM 需要达到 的目标信息, 利用这些信息可以对系统用到的传感 器进行优化配置, 在满足系统 PHM 目标的情况下使 得传感器开销最小, 结合传感器采集的数据与 PHM 目标信息可对系统状态进行诊断并对故障进行定位 与预测, 其结果通过视 情维修模块传 到人机接口。 整个框架模型中用到了许多成熟的技术 ( 如数据采 集及预处理等 ) , 下面从模块的功能目标方面简要 介绍该 PHM 框架模型的 3个主要模块: FM ECA, 传
随着武器装备系统复杂性、综合化、智能化程度 的不断增加, 系统 五性 ( 可靠性、维修性、测试性、 保障性和安全性 ) 和全寿命周期费用问题越来越受 到军队装备研制及维修人员的重视。近 10年来, 综 合诊断、预测与健康管理技术已经成为欧美等国提 高复杂系统五 五性 和降低寿命周期费用的关键 技术 [ 1] 。虽然各 种预测与健康管理 系统已逐步开 始得到应用, 如 美军 在联 合攻 击战 斗机 JSF ( joint strike fighter)中提出的预测与健康管理 ( prognostics and hea lth m anagem en,t PHM )系统 [ 2 - 3] 等, 但还远没 有达到工程实用化的程度, 目前还仅是在部分关键 的系统和部件中应用, 并且这些系统对大多数系统
L IU X iao q in1, HUANG K ao li1, T IAN N a2, L IAN G uang yao1
( 1. O rdnance T echno logy Research Institu te 2. T ra in ing D epartment, O rdnance Eng inee ring Co llege, Shijiazhuang 050003, China)
第 22卷第 3期 2010年 6月
军械工程学院学报 Journa l o f O rdnance Eng ineering College
V ol 22 N o 3 Jun. 2010
文章编号: 1008- 2956( 2010) 03- 0001- 05
装备预测与健康管理体系结构及关键技术
刘晓芹1, 黄考利 1, 田娜 2, 连光耀 1
实践表明: 装备不同的故障部位和故障原因引 发的故障征兆也不同, 即故障征兆和故障原因、部位 间存在某种线性或非线性的映射关系。因此, 通过 对故障征兆的采集、分析, 利 用它们之间的 映射关 系, 就能在故障发生前, 对可能发生故障的原因和部 位进行预测, 这与 OSA CBM 开放式流程的 核心思
笔者在分析现有 PHM 开放式流程的基础上, 结 合装备故障诊断与预测的实际需求, 用具体的诊断 与预测技术以及传感器配置算法将 PHM 开放式流程 实例化, 进行了 PHM 在实际装备中应用的初步尝试。
1 PHM 及其开放式流程
1 1 PHM 的内涵与特点 PHM 是指利用尽可能少的传 感器采集系统的