系統健康管理理論研究及應用設想

沈功田劉 淵

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2. 武漢理工大學 物流工程學院 武漢 430063）

系統健康管理理論研究及應用設想

沈功田1劉 淵2

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2. 武漢理工大學 物流工程學院 武漢 430063）

健康管理是保證各種系統高效、安全、可靠運行的有效手段。本文從理解系統的含義出發，采用系統論的觀點，在分析人的健康管理的基礎上，提出了人工可干預系統健康管理的理論，并給出了系統健康管理理論的適用對象、目的、主要過程和內容以及主要的方法和手段；指出開展系統的健康管理，其關鍵是建立科學的系統健康指標、制定切實可行的健康管理方案并加以實施；最后針對機械系統、生態系統和社會系統的特點，提出了健康管理理論指導下的應用設想。

健康管理 系統 機械系統 生態系統 社會系統

當前，我國正處于全面建成小康社會的關鍵時期，各行各業、各條戰線捷報頻傳，經濟保持中高速增長、結構調整進展有序、部分科技成果處于國際領跑狀態。另一方面，在我國發展中也面臨著不少的困難和問題，給社會和諧穩定造成了巨大的負面影響。如：瓦斯爆炸時有發生，生產安全不容樂觀；嚴重霧霾天氣沒有得到有效控制，在一些地方屢屢發生；上海外灘擁擠踩踏事件、“東方之星”號客輪翻沉、天津港火災爆炸和湖北荊州商場電梯“吃人”等社會公共安全事件輪番上演。這些事故影響因素眾多，且相互之間關系復雜，其健康管理是一項系統工程，所以我們應該象對人的健康管理一樣，從系統的角度出發對其進行監管和防控。

本文根據人的健康管理理念，提出系統健康管理概念，并在常見的幾種系統中對此理念的應用進行了初步的探討，一是為了探索長遠、有效的手段對惡性事件進行治理，防止其發生，二是希望引起更多專家和學者的關注，能打破學科、專業的壁壘束縛，共同參與到系統健康管理的研究當中來。

1 系統的含義

簡明牛津詞典把系統定義為：復雜整體，有聯系的事物或者部分，組成有形或者無形事物的合體。Random House College詞典定義為：“形成簡單或復雜事物的局部或分支的集合或組合體”。Le Petit Robert詞典定義為：“由有機體構成的集合”。漢語大辭典中定義為：自成體系的組織，同類事物按一定秩序和內部聯系組合成的整體。由這些定義，我們可獲取系統的基本含義是：一組個體連接成的有機整體。

我國著名學者錢學森認為：系統是由相互作用相互依賴的若干組成部分結合而成的，具有特定功能的有機整體，而且這個有機整體又是它從屬的更大系統的組成部分。

按照人類對系統是否施加影響、系統與環境的關系、組成系統的內容和要素的性質、系統的運動狀態等原則對其進行分類，通常我們所說的系統可劃分為以下三類：

1）自然系統：系統內的個體按自然法則存在或演變，產生或形成一種群體的自然現象與特征。例如：天體系統、生態平衡系統、生命機體系統、物質微觀結構系統以及社會系統等等，既有人工可部分干預自然系統也有不可干預自然系統。

2）人工系統：系統內的個體根據人為的、預先編排好的規則或計劃好的方向運作，以實現或完成系統內各個體不能單獨實現的功能、性能與結果。例如：生產系統、交通系統、電力系統、機械、機電一體化系統、計算機系統、教育系統、醫療系統、企業管理系統等等，此類系統的特點是人工可完全干預。

3）復合系統：是自然系統和人工系統的組合。例如：水庫大壩系統、導航系統、交通管理系統和人—機系統等等。

本文的研究對象是指人工可干預系統，包括人工可干預自然系統、人工系統和復合系統。

2 人工可干預系統健康管理的概念

2.1 人的健康管理概念和內涵

人的健康[1]是指一個人在身體、精神和社會等方面都處于良好的狀態。健康包括兩個方面的內容：一是主要臟器無疾病，身體形態發育良好，體形均勻，人體各系統具有良好的生理功能，有較強的身體活動能力和勞動能力，這是對健康最基本的要求；二是對疾病的抵抗能力較強，能夠適應環境變化，各種生理刺激以及致病因素對身體的作用。傳統的健康觀是“無病即健康”，現代人的健康觀是整體健康，世界衛生組織提出“健康不僅是軀體沒有疾病，還要具備心理健康、社會適應良好和有道德”。因此，現代人的健康內容包括：軀體健康、心理健康、心靈健康、社會健康、智力健康、道德健康、環境健康等。

健康管理是一種對個人及人群的健康危險因素進行全面管理的過程[2-3]。陳建勛等[4]認為健康管理是健康管理循環的不斷運行。即對健康危險因素的檢查監測（發現健康問題）→評價（認識健康問題）→干預（解決健康問題）→再監測→再評價→再干預……，其中健康危險因素干預（解決健康問題）是核心。

2.2 生態系統健康管理的概念和內涵

生態系統健康目前尚無普遍認同的定義，不同學者從各自的學科背景進行了不同的表述，但總的來說可以概括為：生態系統健康是指系統內的物資循環和能量流動未受到損害，關鍵生態組分和有機組織保存完整且缺乏疾病，對長期或突發的自然或人為擾動能保持著彈性和穩定性，整體功能表現出多樣性、復雜性、活力和相應的生產率，其發展終極是生態整合性[5]。

關于生態系統健康管理的內涵，美國生態學會生態系統管理特別委員會指出[6]：生態系統健康管理是具有明確的驅動目標，且管理活動是可持續的，由制定的保障措施確保實施，并在對生態系統的組成、結構、功能、生態間相互作用和生態發展過程進行充分熟悉之后開展研究和檢測，以不斷優化和完善管理的適合性。并進一步指出生態系統健康管理必須包含以下幾個方面：1）可持續性；2）可監測性；3）建立適合生態系統功能的模型用以指導管理實踐；4）復雜性和相關性；5）系統健康管理的動態發展特征；6）動態空間尺度和時間框架；7）人類的活動是生態系統的一部分；8）人類對生態系統的管理能動性。

2.3 系統健康管理的概念和內涵

綜合以上，我們認為系統健康是指一個系統應該滿足穩定性和可持續性，沒有疾病（故障）、內部穩定、各要素相互平衡，在時間上具有維持其組織機構、自我調節、對抗破壞和自恢復能力，結構上各個體保持相互獨立又相互依存，功能上表現出完整性，具有一定的健壯性和魯棒性。不同的領域，系統健康的定義和內涵也有所差別。

系統健康管理的內涵是指從系統的角度出發，對其健康狀態、危險因素和后果進行全面掌握和檢測、分析、評估以及預測；按照健康的需求對健康資源進行有計劃、有組織的指揮、協調和控制的全過程；在整個過程中要充分調動人的主觀能動性，同時還要始終貫徹“維修”和“管理”相結合的理念；注重全生命周期的健康管理，而不僅是使用階段，即從“優生優育”到“壽終正寢”的各個階段。健康管理具有以下主要含義：

1）系統健康管理的對象是具有一定功能且對人類、社會具有積極意義的系統；

2）系統健康管理的目的是保障和提高系統運行的穩定性、可靠性和安全性，使系統的功能、結構以及各種狀態運行參數在健康指標范圍內運行，降低其全生命周期內的使用、維護、保養和維修費用。

3）系統健康管理的主要過程和內容是對系統全生命周期各階段的全面認知和健康維護，主要包括對系統健康指標的建立、檢查檢測、健康評價和健康恢復等。

4）開展系統健康管理的主要手段是各種檢查、檢測、監測、診斷、評估、預測等技術方法，以及維護、保養、修理和改造（治療）等。

3 系統健康管理的實施

3.1 系統健康管理評價指標的制定

跟人的健康管理需要有血壓、心率、體溫、身高、體重、呼吸次數等指標一樣，對人工可干預系統進行健康管理時，也應該制定相應的健康指標，例如：大氣系統的PM 2.5、總懸浮顆粒物、二氧化硫、二氧化碳；機械系統的速度、加速度、振動、噪聲、溫度、應力；經濟領域中的GDP、CPI、PPI等。這些指標都是各自系統的主要參數，通過它們能夠反映出系統的運行狀態健康與否。

然而，在對人體實施健康管理時，并不是每個人都要進行眾多的、繁瑣的指標檢查，而是根據不同的健康管理要求，有針對性的檢查某些指標。因為，不同的人群健康指標不同，從事不同職業的人群健康管理指標不同，同一個人在不同的年齡階段和生理條件下健康指標也是不同的。也就是說，針對不同的健康管理要求時，其健康管理指標存在差異。例如，大學生的入學體檢指標和軍人的入伍體檢指標不一樣，嬰兒的體檢指標和成年人的健康指標不一樣，青壯年和老年人的健康指標不一樣，懷孕期和未孕期的婦女健康指標不一樣等。總之，在制定健康管理指標時要因人而異，根據不同的健康管理需求來制定。

同樣的道理，對除人以外的其它系統進行健康管理時，也應該根據不同的健康管理要求或級別制定健康指標。同時，健康管理指標的制定還跟系統的類型有關，應該針對不同類型的系統，分析其基本情況，如功能、結構特點和工作范圍等，確定需要考慮并且可實施的健康指標。

3.2 系統健康管理方案的制定及實施

健康管理的目的是保證系統的各項監測指標在設定的健康指標閾值范圍內，其實施流程圖如圖1所示。主要的工作步驟包括：健康指標的確定、檢查檢測（監測）、健康評價、查找不健康原因和健康恢復等，而且是按照一定的時間周期循環往復進行。

圖1 系統健康管理流程圖

首先，針對被管理的系統，研究建立系統全生命周期的健康評價指標體系和系統不同時期的健康評價指標，為后續開展的健康管理提供依據。

其次，在已經確立健康管理指標的基礎上，制定檢查檢測方案，包括檢查檢測的項目、采用的技術方法和檢查檢測周期，并按方案實施檢查檢測活動。一般的原則應考慮以下三點：1）對于不重要或簡單的系統組成部分或子系統，采用簡單快捷的檢查檢測方法，如目測、耳聽、手摸等，或借助一些簡單的工具，如小錘、試紙、試劑等；這種檢查檢測方式具有簡便易行、速度快、費用低等優點，但也存在主觀性強、精度低、檢測效果依賴于技術人員的經驗等不足。2）對于重要或復雜的系統組成部分或子系統，應采用精確的檢查檢測方法，如需要借助一定的儀器設備和較先進的技術手段，比如振動監測系統、聲發射儀、紅外熱成像檢測儀、超聲檢測系統、電磁檢測系統等無損檢測儀器設備，有時甚至要開展狀態監測（在線或離線，周期或非周期）以便實時掌握系統的運行狀態；這些檢測方式雖然難度大、費用高、技術復雜、條件要求苛刻，但具有檢測精度高、客觀性強、技術可移植性強等優點。3）對于檢查檢測周期，一般為日檢、周檢、月檢、季檢、半年檢、年檢、三年檢和六年檢等；不同的時間間隔會設置不同的檢查檢測項目，對于重要的設備或部件，還會采用實時監測的方式進行狀態監測和故障診斷。

第三，將檢查檢測結果對照已建立的健康指標進行系統健康評價，對于發現不健康的項目分析和查找產生不健康的原因。對于不同系統，不健康的表現形式和產生原因會不同，但其表現形式可大致分為異常、故障、失效等；對于簡單系統和明顯的不健康模式，一般通過簡單的常規檢查就能判定出不健康的表現形式和查找到不健康的原因；對于復雜系統或較復雜的不健康模式，需要進行失效機理分析，建立數學/物理模型，并對檢查檢測數據進行分析處理，采用包括時域、頻域和時頻域在內的信號處理方法，提取能反映系統狀態的信息或特征量，結合歷史運行、維修保養數據、可靠性試驗數據等查找不健康的原因[7-10]。

最后，對于不健康的系統實施人工干預活動，對系統進行健康恢復。根據上述分析不健康的原因，分別采用不同的健康恢復方法；其基本原則為：對于不會影響系統正常運轉的輕微異常，可不開展任何修復，只需加強日常維護，比如醫生經常建議的“多喝開水”、“加強體育鍛煉”，機械設備方面的日常清潔和潤滑等活動；對于不會造成嚴重后果的某些異常，可以采取事后治理，如密封圈老化等；對于故障后果危害較大的不健康狀態，就應該實施重點監測，加強日常檢查的頻度和力度，并開展預防性維護維修，盡可能的降低事故發生率，減少事故造成的危害和損失。

4 系統健康管理應用設想

4.1 機械系統健康管理

現代工業中，機械系統的復雜化、自動化程度越來越高，且運行條件復雜、環境惡劣，一旦發生故障必將帶來巨大的經濟損失，甚至對人身安全和環境友好造成重大影響。因此，機械系統的可靠性、安全性和經濟性受到極大的關注[11]。另外，大批現役的機械系統已經運行多年，剩余壽命逐漸減少，對此，除了加強日常檢修等維保工作，更應該建立系統的健康管理制度。

針對機械設備的預測和健康管理 (prognostics and health management， PHM) 最早出現在美國軍用裝備中，并在A-7E飛機的發動機監控系統上成功應用。PHM是指利用盡可能少的傳感器采集系統的各種數據信息，并對其進行相應的處理，提取特征量，在此基礎上借助各種智能推理算法（如神經網絡、數據融合、專家系統、機器學習和深度學習等），從基于力學、基于概率統計以及基于信息新技術等方面開展系統的健康狀態評估和壽命預測，在系統故障發生前對其故障進行預測，并結合各種資源信息，做出適當的維修保障措施以實現系統的視情維修[8-10，12-13]。PHM系統一般應具備如下功能[14]：故障檢測、故障隔離、故障診斷、故障預測、健康管理和壽命追蹤。對于復雜裝備和系統，PHM應能實現不同層次、不同級別的綜合診斷、預測和健康管理[12]。

筆者認為，機械系統的健康管理首先應該在具體的健康管理要求下建立明確的健康指標，然后根據具體情況開展檢查檢測（監測）、健康評價和不健康狀態的健康恢復等活動。在整個過程中應該貫徹系統論的觀點，除了關注系統的使用階段外，還應該關注機械系統全生命周期的各個階段。采用的主要技術應包括：風險源識別、損傷和故障模式識別、失效模式識別、風險分析和風險管理、檢測監測、壽命預測、維護保養和維修、資產完整性管理以及大數據、物聯網等新技術。

4.2 生態系統健康管理

現代工業的飛速發展在推動人類文明進步的同時，也給人類帶來了巨大的負面效應，生態問題和環境污染已成為全球共同關注的問題。尤其是近年來，資源的無序過度開發，工業廢氣、廢水的粗放式排放，城市人口爆炸式的增長，致使城市上空懸浮顆粒物和污染急劇增加，空氣質量大幅下降，嚴重影響到人們的身體健康和日常生產生活。霧霾天氣已經被列為災害性天氣，受到社會各界的廣泛關注，在霧霾的成因、區域霧霾研究以及治理方法等方面，學者們開展了大量的研究工作[15-16]。

學術界在霧霾成因研究方面，經歷了初期的大氣氣溶膠研究[17]，到初步形成區域“灰霾”體系，再到步入區域灰霾的正軌研究[18]，最終到現在的多學科多視角研究等不同階段[19]，歷時三十余年，取得了眾多具有代表性的成果，得出了許多有價值的結論，為我國的治霾工作提供了寶貴的智力支撐。同時，針對霧霾的特點和治理存在的問題，許多學者也提出了寶貴的建議。文獻[20]認為應該采取以經濟手段為主、多種手段并用的市場化霧霾治理措施；文獻[21]認為霧霾治理的過程中既要加強縱向政府間合作關系，也要加強區域內橫向政府間的合作關系；文獻[22]認為解決霧霾問題的有效途徑是公眾參與；還有學者提出應該借助國外的治霾經驗，結合我國的實際特點進行治理等其它手段[23-24]。

應該說上述建議和方法在我國的治霾進程中發揮了巨大的作用，也取得了良好的成效。但筆者認為對于霧霾的治理，可以在本文提出的系統健康管理的理論指導下進行。首先，應將一個區域的大氣作為一個系統來看待，并將影響大氣質量的各種因素分為子系統；然后，根據人們對空氣質量的要求建立大氣的健康指標；第三，對健康指標規定的項目進行檢測和監測；第四，一旦發現大氣質量偏離健康指標的情況，立即采取健康恢復措施，比如汽車限行、工地停工、企業停產等。當然，大氣系統的健康管理，也可根據以往的檢測監測數據和霧霾發生規律進行預測，一旦發現將來有偏離大氣健康管理指標的傾向，也可采取相應的預防措施，比如發布霧霾黃色預警、橙色預警或紅色預警以及采取的應對措施。

4.3 社會系統健康管理

在人類社會發展的各個階段，社會事件時有發生，如：羅馬共和國爆發的斯巴達克起義，我國秦朝末年的陳勝、吳廣領導的大澤鄉起義，明末李自成、張獻忠農民起義，清朝晚期的太平天國運動等等。誠然，這些起義事件的元兇是當朝的統治腐朽、土地兼并、自然災害等。但是，在人類文明高度發達的今天，也發生了諸如上海外灘的擁擠踩踏事件，廣東佛山的“小悅悅”事件，以及“老人跌倒扶不扶”等事件。以上的社會事件說明了我國在許多制度方面仍不夠完善，需要系統治理。

在學術界，針對社會系統治理問題，很多學者都做出了卓有成效的研究。文獻[25]從社會政策體系、公民權利保障體系、公共服務體系等方面提出推進社會治理的實施策略。施雪華[26]開展了“服務型政府”的理論和實踐的研究，并指出這將有益于我們推進現代化建設的進程。許耀桐，劉祺[27]認為我國的社會治理必須結合我國的實際，具有中國特色，要發揮政府的主導作用，重點在社會治理的體制創新。范如國[28]在分析社會本質是個復雜網絡系統的基礎上，認為開展復雜系統理論的研究，將為社會系統治理提供重要的借鑒意義。這些研究成果在預防社會惡性事件的發生，推進法制社會的建設等方面起著積極的作用，但也存在不足，缺乏系統論的理念。

因此，本文認為應該將一定區域內的人群，作為一個社會系統來看待，對人的管理以系統健康管理的理論來指導。對社會系統的健康管理，首先應從具體的健康管理要求開始，建立相應的健康指標，如道德指標、行為指標、經濟指標、法治指標等；其次，按照建立的各項健康指標項目，對社會系統的運行狀態參數進行監測和及時分析；第三，一旦發現社會運行狀態參數偏離建立的健康指標，應該采取相應的人工干預措施，比如發現某些人群的貧困，可采取相應的低保措施，來使這些參數回歸健康狀態，從而達到社會系統運行的穩定和可持續發展。

5 結論

1)本文采用系統論的觀點，提出了人工可干預系統健康管理的理論，并給出了系統健康管理理論的適用對象、目的、主要過程和內容以及主要的方法和手段；

2)開展系統的健康管理，其關鍵是建立科學的系統健康指標、制定切實可行的健康管理方案并加以實施；

3)系統健康管理方案的內容應至少包括系統的健康指標、檢查檢測項目與采用的方法及周期、健康評價及采用的方法、不健康項目原因的分析、恢復健康的措施和方法等；

4)通過初步研究，給出了機械系統、生態系統和社會系統等三個系統健康管理應用的設想；

5)本文僅是就系統健康管理的初步探討，許多方面還需進一步開展理論研究和應用實踐，希望有更多的科技工作者開展不同對象的系統健康管理理論研究和應用。

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Research and Application Assumptions of the System Health Management Theory

Shen Gongtian Liu Yuan
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology Wuhan 430063)

Health management is an eff cient means to ensure the eff ciency, safety and reliable of all kinds of systems. A fter understanding the meaning of system, this paper puts forward the system health management (SHM) theory of artif cial intervention system based on the health management of people according to system theory. The suitable objects, purpose, main processes and contents, main methods and means of SHM are given. It is indicated that the key of SHM perform ing is to establish the scientif c health indicators, develop a practical health management program and perform it. Finally, according to the characteristics of mechanical systems, ecological systems and social systems, the application of ideas is put forward under the guidance of the health management theory.

Health management System Mechanical system Ecosystem system Social system

X 924

B

1673-257X(2017)06-0001-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.001

沈功田（1963～)，男，博士，研究員，博士研究生導師，從事特種設備安全與無損檢測新技術研究工作。

沈功田，E-mail: shengongtian@csei.org.cn。

國家重點研發計劃“國家質量基礎的共性技術研究與應用”重點專項“游樂園和景區載人設備全生命周期檢測監測與完整性評價技術研究”項目（2016YFF0203100）；國家“萬人計劃”特支經費項目

2017-05-17）