電子產品健康監控和故障預測技術分析

重慶前衛科技集團有限公司 吳賢亮

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電子產品健康監控和故障預測技術分析

重慶前衛科技集團有限公司 吳賢亮

【摘要】本文分析了當前PHM系統運用的主要的技術，如健康監控和故障預測技術、數據預處理技術、數據的傳輸技術等，其為監測電子產品的運行狀態并預測故障提供了依據。

【關鍵詞】電子產品；健康監控；故障預測

0 引言

不同類型的故障預測與健康管理（prognostic and health management，PHM）系統被應用在不同的行業（國防軍事、航空航天、工業），其主要的思想是相通的，但是最大的不同之處在于不同的行業采用的具體的方法與技術是不相同的。PHM系統共同的應用技術、方法和設計思想是一種開放體系的綜合結構（open system architecture for condition-based maintenance ， OSA- CBM ），其目的是為了對具體的PHM 系統進行指導。

1 電子產品PHM體系結構

由于OSA-CBM在電子監控系統中具有代表性，所以，在創建電子產品 PHM 系統時，可以參考OSA-CBM系統。電子產品 PHM體系結構由圖1所示。

圖1 電子產品 PHM系統

2 PHM系統的應用技術和方法

2.1 數據采集和傳感器應用技術

當繁瑣的系統要進行PHM時，第一步應該確定能夠直接表現健康/故障狀況的參數因素，或者是采用間接邏輯推理的方法判斷復雜系統健康/故障狀況所要求的參數信息，其為PHM系統數據的根本所在，并且PHM 系統的效果直接受到傳感器技術的應用的影響。另一方面，需要進行監測的環境、性能以及工作參數是這部分技術應用時需要重點考慮的對象，以此來決定傳感器的信息（安裝的位置、帶寬和精度、類型等）。該部分往往偏重于應用現有的成熟的技術，且經濟性與適用性是應用時需要特別留意的指標。

就目前而言，可以使用的傳感器的類型多種多樣，如普通類型的傳感器就有：振動、沖擊和溫度傳感器等。除此之外，還有一部分特殊用途的傳感器，如：腐蝕、聲學發射、壓電、光纖傳感器等等。選用什么類型的傳感器可以由實際的情況來決定，往往可以參考對應的使用要求以及工程實踐。由于測量技術和微電子技術飛速發展，各種先進的傳感器技術（智能傳感器、微電子機械系統（Micro-electro-mechanical systems ， MEMS）、內建傳感器等）被大量應用在一些系統的研發過程中。以上這些具有精度等級高、適用的范圍廣、智能化等優點的先進的傳感器在PHM系統中得到廣泛的使用。

2.2 數據預處理技術

因為不同的數據類型滿足不同的狀態監測、健康評估和故障預測方法，所以必須對得到的一手數據進行不同的預處理操作，使得預處理過后的數據符合后續處理的標準；與此同時，給數據的儲存以及傳輸帶來方便。數據的預處理主要有去除噪音、高通濾波、數據壓縮、信號自相關以及數據的模數轉換等。

要使數據滿足不同的要求就必須采用不同的數據處理技術和方式，例如：當識別和隔離故障時，就必須采取特征提取技術；當去除多余的原始數據時，就必須對數據進行簡化，從而有利于數據的更深層次的處理；當將連續的數據信息轉化為離散的數據信息時，就必須采用循環計數的方法。

2.3 狀態監測、健康評估和故障預測方法

從某種程度上來講，監測、健康評估和故障預測都是一種推理過程，PHM系統的核心部分由它們組成。創建PHM系統時，應該由系統的實際狀況運用一種或者多種方法與技術。基于案例、規則以及模型等的邏輯推理算法與“閾值”判斷法都被稱作狀態監測和健康評估法。預測故障的功能作為PHM系統最明顯的特征，可利用各種不同的數據信息（如目前的工作條件與環境、使用的情況、監測的數據、歷史經驗以及以前的試驗數據等），以及在不同的推理技術（例如人工智能、物理模型和數學模型等）的幫助下，估計系統或者部件的使用期限和將來的健康狀態的過程。同時，基于人工智能（artificial intelligence ， A I）的預測、基于物理模型的預測以及基于特征統計/進化趨勢的預測等也是PHM系統主要采用的故障預測算技術。

2.4 數據傳輸技術

利用傳感器采集的大量數據信息必須運用一定的方式，才能夠將其傳送給PHM系統的其它部分。無線與有線傳輸是當今社會采用的兩種不同的數據的傳輸方式，運用網絡如Ethernet LAN（local area network）、Internet和有線數據總線等傳輸數據的方式被稱為是有線數據傳輸。相對來講，有線數據傳輸技術目前發展較為完善，而且大部分能夠遵循網絡協議（如UDP /IP、TCP /IP）、通訊規則等。在蜂窩電話技術和射頻（radio frequency ， RF）特別是藍牙（Blue-tooth）技術的基礎上，在PHM系統中實現數據的無線傳輸越來越成為該領域內研究的焦點。當前，一系列的分布式放置的傳感器組件組成了無線數據傳輸系統，數據通訊靠組件內部的無線調制解調器來進行，其中由采集數據的電路、執行器、無線傳輸器、微處理器、參數傳感器和電池組等組成傳感器組件，使得傳感器組件自身就可以對數據進行采集與處理操作。

3 電子產品 PHM的具體方法

在實際應用過程中，電子產品中的故障難于被檢測，是因為電子產品的缺陷可能是微米尺寸或者是納米尺寸級別的。因此電子產品在進行PHM時，通常采用監測性能參數、預測故障模型的剩余壽命這兩類方法。

監測性能參數：監測可以表現電子產品健康或者故障狀況的性能參數（例如電壓、電阻、電流等），以達到對電子產品狀態的監測目的；

預測故障模型的剩余壽命：在電子產品故障物理（physics of fail-ure， PoF） 模型已知的情況下，為了利用損傷累積模型評估電子產品剩余壽命，從而可以查看電子產品的工作情況，就應該對電子產品的工作的條件（例如振動、溫度等）進行監測。

4 結語

隨著相關技術的發展，PHM系統得到了比較普遍的運用，然而就目前來看，其工程實用化的程度還不夠，如只是檢測主要的部件與系統才會進行PHM。而且，若不了解電子產品發生故障的原理，是僅僅能夠檢測故障的，而不能夠對復雜系統的故障進行預測。因此，怎樣才可以精確地對系統的運行狀態進行評估，決策出完整的修理方案等方面依舊需要我們去探索與研究。

參考文獻

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［3］馬靜華，謝勁松，康銳，呂瑞.電子產品健康監控和故障預測的流程和案例［A］.中國航空學會可靠性工程委員會第10屆學術年會論文集［C］.2006-07.

作者簡介：

吳賢亮（1978－），男，湖南邵陽人，工程師。