認知測試性
——維修保障理論的新發(fā)展

馬彥恒，宗子健，劉新海

(軍械工程學(xué)院 無人機工程系，河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著裝備發(fā)展日新月異，裝備保障理論也不斷豐富與完善，從故障檢測、診斷到以可靠性為中心的維修管理(reliability centered maintenance,RCM)和故障預(yù)測與健康管理(prognostics and health management,PHM)，裝備的保障手段也從基于單個裝備使用過程中的故障診斷、維修，發(fā)展到基于全壽命周期的維修決策和健康管理。但是隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，裝備發(fā)展呈現(xiàn)出體系化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢，對裝備的保障提出了新的要求。馬彥恒等在文獻[1]中提示出了一種基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)的、新的裝備保障理念——認知測試性(cognitive testability,CT)。它的提出，使裝備的自我感知、精確化保障成為可能。

認知測試性是在PHM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它將PHM的理念，延伸至裝備設(shè)計階段，通過約束和規(guī)范測試性設(shè)計，將PHM的功能內(nèi)在化，將裝備的PHM設(shè)計與裝備功能設(shè)計相結(jié)合，使得PHM與裝備有機融合，排除不完善、不標(biāo)準(zhǔn)、不系統(tǒng)等問題，使裝備自身具有信息的獲取、交互和深度學(xué)習(xí)能力。

但是，認知測試性的研究是一個新概念、新理論，尚處于發(fā)展階段。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，旨在通過對比RCM和PHM，進一步闡述認知測試性指標(biāo)體系和指標(biāo)的概念、體系構(gòu)成，分析認知測試性的物理基礎(chǔ)，深入剖析認知測試性的內(nèi)涵，進一步說明認知測試性對于信息化裝備的重要性和必要性。

1 傳統(tǒng)測試性理論

1.1 RCM理論

RCM是一種系統(tǒng)工程方法，其最初思想產(chǎn)生于20世紀60年代。當(dāng)時，美國航空維修費用劇增，占到了總費用的30%，形成了“買得起，用不起”的現(xiàn)象[1-5]。為了權(quán)衡維修費用與效果，于是產(chǎn)生了RCM[6]。它的基本思路是：對系統(tǒng)進行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障的后果；用規(guī)范的邏輯決斷方法，確定出各故障后果的預(yù)防性對策；通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估、定量化建模等手段，在保證安全性和完好性的前提下，以維修停機損失最小為目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。

與傳統(tǒng)維修理念相比，RCM對故障的理解更加科學(xué)合理。

在傳統(tǒng)維修觀念中，設(shè)備故障是與使用時間相關(guān)的，設(shè)備越老，故障越多，設(shè)備越新，故障越少，無明確的潛在故障的概念，偏重于定期維修，維修可以提高裝備的可靠性，對可能出現(xiàn)的任何故障都可以進行預(yù)防維修。

在RCM理念中，設(shè)備故障與使用時間沒有關(guān)系，有明確的潛在故障的概念，傾向于視情維修，維修不能提高設(shè)備的可靠性，只能恢復(fù)或保持設(shè)備的固有可靠性；只有故障后果嚴重、技術(shù)可行而又有效的預(yù)防維修才有必要實施，否則應(yīng)該放棄；要求使用、維修和研制部門的協(xié)作。RCM理念的應(yīng)用在維修管理中產(chǎn)生了巨大的效益，說明RCM理念具有科學(xué)性和先進性。

RCM僅是對故障認識上的轉(zhuǎn)變，PHM相對于RCM來說更進了一步，而PHM則深入到了故障產(chǎn)生的機理和故障發(fā)展趨勢。

1.2 PHM理論

PHM是綜合運用傳感器、人工智能及計算機等各種先進技術(shù)，通過監(jiān)測和故障診斷技術(shù)獲取裝備狀態(tài)和故障信息，預(yù)測故障發(fā)展趨勢，采取有針對性的維修措施，從而提高裝備維修管理的精確化程度。

PHM的工作原理(如圖1)是通過傳感器從系統(tǒng)的不同層次獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過處理和分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，形成診斷和預(yù)測結(jié)果，給出系統(tǒng)的剩余壽命分布、性能退化程度或任務(wù)失效概率，從而為維護計劃提供決策信息[7]。預(yù)測是PHM的關(guān)鍵技術(shù)，其中故障預(yù)測方法主要可以分為3類：基于模型的故障預(yù)測技術(shù)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測技術(shù)和基于統(tǒng)計可靠性的故障預(yù)測技術(shù)[8-9]。

總體上看，無論是RCM還是PHM，它們對裝備的作用，均體現(xiàn)在“管理”上，主要是針對裝備的個體進行保障，是從外部對裝備單體發(fā)生作用，而裝備本身是被保障對象，是被動的。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，裝備對自身狀態(tài)的自我感知能力是裝備發(fā)展的必然趨勢，為適應(yīng)這一趨勢的需要，認知測試性的概念應(yīng)運而生。

2 認知測試性理論

2.1 認知測試性的概念和內(nèi)涵

認知測試性是測試性概念[10]的拓展，指產(chǎn)品能及時準(zhǔn)確地感知其狀態(tài)(可工作、不工作或性能下降程度)，預(yù)計其狀態(tài)變化趨勢及內(nèi)部故障發(fā)生概率，并給出應(yīng)對策略的設(shè)計特性[1]。以實現(xiàn)認知測試性為目的進行的設(shè)計被稱為認知測試性設(shè)計(design for cognitive testability,DFCT)。

與傳統(tǒng)測試性的概念相比，認知測試性強調(diào)對狀態(tài)的感知，對性能下降的程度進行更加精確的區(qū)分，并增加了狀態(tài)變化趨勢的預(yù)測和智能決策的內(nèi)容。

從以下方面對認知測試性及其設(shè)計內(nèi)涵進行理解：① 認知測試性描述了測試信息獲取的過程和方法；② 認知測試性是產(chǎn)品本身的一種設(shè)計特性；③ 認知測試性設(shè)計的最終目標(biāo)是滿足產(chǎn)品的全壽命周期要求，提高產(chǎn)品的任務(wù)可靠性水平。基于此目標(biāo)，認知測試性設(shè)計已不僅僅滿足于確定產(chǎn)品自身當(dāng)前狀態(tài)，而且要滿足感知狀態(tài)變化的需求，也就是獲取的信息不僅要包括當(dāng)前的、獨立的、內(nèi)部的、量化的測試信息，而且要包括歷史的、相關(guān)的、外部的、經(jīng)驗的信息，這些信息也不僅局限于反映電參數(shù)的變化，而且可以包含先驗知識的融合信息；④ 認知測試性突出了信息流在產(chǎn)品設(shè)計中的作用，是一種積累與演化的過程。

2.2 認知測試性指標(biāo)體系及指標(biāo)概念和內(nèi)涵

認知測試性指標(biāo)體系分為3級，一級指標(biāo)有3個，二級指標(biāo)有7個，三級指標(biāo)有18個。認知測試性的指標(biāo)體系如表1。

其中，故障診斷能力與傳統(tǒng)測試性指標(biāo)內(nèi)涵相差不大，在此不再贅述，下面主要介紹信息獲取能力和智能預(yù)測與決策能力的指標(biāo)及內(nèi)涵。

(1) 同型裝備狀態(tài)監(jiān)測/故障與維修/使用環(huán)境歷史信息獲取完備率

武器裝備在使用、維修到壽命終結(jié)的各個階段，包含了能反映和影響裝備壽命與故障發(fā)展趨勢的大量歷史信息，有效利用同型其他裝備各類歷史信息，必將對在用或即將使用裝備的故障預(yù)測有重要參考價值。

同型裝備狀態(tài)監(jiān)測/故障與維修/使用環(huán)境歷史信息獲取完備率，是指獲取的與被測對象同類型的裝備狀態(tài)監(jiān)測/故障與維修/使用環(huán)境歷史信息的完備程度。其中狀態(tài)監(jiān)測歷史信息(condition monitoring historical information)是指同類型裝備從出廠正式交付使用開始，監(jiān)測到的各項性能數(shù)據(jù)。故障與維修歷史信息(fault and repair historical information)是指同類型裝備從出廠正式交付使用開始，記錄的所有故障以及各級、各類維修的詳細數(shù)據(jù)。使用環(huán)境歷史信息(use environment historical information)是指同類型裝備從出廠正式交付使用開始，記錄的所有詳細的使用環(huán)境信息。

(2) 裝備狀態(tài)監(jiān)測/履歷/使用環(huán)境信息獲取完備率

對獲取的同類型其他裝備的歷史數(shù)據(jù)進行分析，得到了歷史故障規(guī)律。如果將當(dāng)前在用裝備的各類信息通過多種方式和途徑傳遞給后方服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)分析得到的規(guī)律與歷史故障規(guī)律進行融合，可以進行當(dāng)前裝備的故障預(yù)測，以便得到更加準(zhǔn)確、有效的故障預(yù)測結(jié)果。

裝備狀態(tài)監(jiān)測/履歷/使用環(huán)境信息獲取完備率是指獲取的被測對象自身狀態(tài)監(jiān)測/履歷/使用環(huán)境信息的完備程度。其中狀態(tài)監(jiān)測信息(condition monitoring information)是指裝備從出廠正式交付使用開始，監(jiān)測到的各項性能數(shù)據(jù)。履歷信息(vitae information)是指裝備從出廠正式交付使用開始，記錄的所有詳細的執(zhí)行任務(wù)、發(fā)生故障、進行各級各類維修的數(shù)據(jù)。使用環(huán)境信息(use environment information)是指裝備從出廠正式交付使用開始，記錄的所有詳細的使用環(huán)境信息。

(3) 信息相關(guān)度

信息相關(guān)度(information correlation，IC)用來描述獲取的用于故障預(yù)測的同類型裝備的歷史信息與裝備自身信息的相關(guān)程度。相關(guān)程度越大，利用歷史信息估計出的裝備的狀態(tài)、故障類型、故障趨勢和故障時間等就越準(zhǔn)確。

(4) 信息充分率

信息充分率(information sufficient rate，ISR)是指獲取的用于故障預(yù)測的各類信息樣本的充分程度。獲取的樣本足夠多，相關(guān)度越大，信息融合能力就越強，對裝備的狀態(tài)信息判斷越準(zhǔn)確。

(5) 關(guān)鍵故障預(yù)測率

關(guān)鍵故障預(yù)測率(critical fault prognostics rate，CFPR)是指在被測單元執(zhí)行任務(wù)前，正確預(yù)測到的關(guān)鍵故障數(shù)與被測單元發(fā)生的關(guān)鍵故障總數(shù)之比。

(6) 預(yù)測虛警率

預(yù)測虛警率(prognostics false alarm rate，PFAR)是指在被測單元執(zhí)行任務(wù)前，發(fā)生的預(yù)測虛警數(shù)與同一時間內(nèi)的故障預(yù)測指示總數(shù)(包括預(yù)測虛警數(shù)和真實故障預(yù)測指示次數(shù))之比，用百分數(shù)表示。其中預(yù)測虛警是指預(yù)測到被測單元有故障，而實際上該單元不存在故障的情況。

(7) 故障前置時間

在被測單元的實際性能與理想性能之間達到一定值時，將該時刻記為A；當(dāng)被測單元的實際性能低于最低要求時表現(xiàn)出故障，將該時刻記為B，A到B的時間定義為故障的前置時間(fault lead time，F(xiàn)LT)。預(yù)測主要關(guān)注初始故障到其發(fā)展至系統(tǒng)或部件失效之間的這段時間。故障前置時間越長，越有利于后期實施保障決策。

(8) 故障預(yù)測決策準(zhǔn)確率

故障預(yù)測決策準(zhǔn)確率(fault prognostics decision-making accuracy rate，F(xiàn)PDAR)是指被測單元在執(zhí)行任務(wù)前，正確預(yù)測到關(guān)鍵故障后準(zhǔn)確實施保障決策數(shù)與實施保障決策總數(shù)之比。該指標(biāo)用來描述所做保障決策的準(zhǔn)確性。

表1 認知測試性指標(biāo)體系Table 1 Cognitive testability index system

(9) 故障應(yīng)對決策響應(yīng)時間

故障應(yīng)對決策響應(yīng)時間(fault decision-making response time，F(xiàn)DRT)定義為預(yù)測出故障到完成保障決策所經(jīng)歷的時間。認知測試性工作應(yīng)設(shè)法減少故障應(yīng)對決策響應(yīng)時間，確保做出的保障決策的及時性。

從認知測試性的指標(biāo)體系看，認知測試性與傳統(tǒng)測試性的主要區(qū)別在于：① 前者重“信息”，后者重“信號”。對信息獲取能力的約束體現(xiàn)的是大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的基本要求；而“信號”反映是裝備當(dāng)前的狀態(tài)，是 “信息”的一種原始狀態(tài)。② 前者重“全體”和 “體系”，后者重“個體”。前者可以使裝備體系作為統(tǒng)一的整體進行全壽命保障，而后者重在對個體單裝的保障。③ 前者重“任務(wù)可靠性”，后者重“裝備完好性”。前者更突出“事前”的保障決策，而后者體現(xiàn)的是“事后”的要求。因此，可以看出，認知測試性是對傳統(tǒng)測試性的拓展與完善。

2.3 認知測試性的信息交互原理

基于認知測試性的信息交互示意圖，如圖2所示。在認知測試性標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的裝備體系中，一方面，裝備自身可以利用獲取的信息進行自主學(xué)習(xí)，感知自身狀態(tài)并得出自我保障需求決策；另一方面，裝備個體信息、使用環(huán)境信息與同型裝備信息所構(gòu)成的大數(shù)據(jù)提供給大數(shù)據(jù)支援中心，大數(shù)據(jù)支援中心通過對大數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)，并依據(jù)一定的決策機制，將維修決策反饋給裝備體系，裝備根據(jù)決策做出反應(yīng)。認知測試性體現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到信息再到知識的演化過程。

大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)是認知測試性的基礎(chǔ)，而現(xiàn)在這些技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的時期。先進的傳感器技術(shù)也使得信息的全面獲取成為可能。高速傳輸和處理、信息融合、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)和高新技術(shù)的迅速發(fā)展，意味著裝備可以依賴后方支援系統(tǒng)來處理信息和進行智能決策，從而可以實現(xiàn)裝備的輕量化和降低制造成本。而且在不久的將來，新的技術(shù)也會不斷出現(xiàn)，一些關(guān)鍵性技術(shù)會更加成熟，可見，認知測試性在物理基礎(chǔ)上是可行的。

3 認知測試性與RCM，PHM的區(qū)別

3.1 傳統(tǒng)測試性存在的問題

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和裝備的更新?lián)Q代，傳統(tǒng)測試性已經(jīng)落后于現(xiàn)在裝備的發(fā)展，不能夠滿足裝備的保障需求。一方面，新概念裝備[1]的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的測試性設(shè)計與智能化裝備不匹配，不兼容；另一方面，由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭“多維度、一體化、快節(jié)奏、即時精確打擊”的特點，對裝備的測試性要求已從注重隔離故障、降低裝備全壽命周期費用，轉(zhuǎn)變?yōu)榛跔顟B(tài)的預(yù)防性視情維修、滿足裝備的任務(wù)可靠性需求，這種需求在航空裝備中體現(xiàn)的尤為突出。

基于以上考慮，認知測試性彌補了傳統(tǒng)測試性的缺陷，在故障診斷能力的基礎(chǔ)上加入了信息獲取能力和智能預(yù)測與決策能力，更加適合裝備的發(fā)展需要。

3.2 認知測試性的優(yōu)勢

與RCM和PHM相比，認知測試性對故障的認識更加深入，它考慮了環(huán)境因素對部件的影響，在不同的環(huán)境下，部件會發(fā)生不同的故障，且故障的機理也不盡相同，加入環(huán)境因素可使對故障的認識更加全面。同時認知測試性秉承RCM的理念，以關(guān)鍵故障預(yù)測率為指標(biāo)，只關(guān)注后果嚴重和可預(yù)測的故障，對于不可預(yù)測的故障應(yīng)進行故障的定期檢查和維護，不在認知測試性的考慮范圍之內(nèi)，否則應(yīng)該放棄。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 認知測試性對信息的利用更加全面。PHM的信息主要來源于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和產(chǎn)品參數(shù)(模型)，信息來源比較單一，忽略了環(huán)境因素的重要作用，無法達到理想的預(yù)測效果[10-15]。認知測試性的信息來源廣泛，不僅包括裝備自身的狀態(tài)信息，還有同型號裝備的歷史信息、使用環(huán)境信息、維修使用信息和履歷信息，為故障預(yù)測提供了大量的信息。

(2) 認知測試性更加注重事前維修。認知測試性是在故障預(yù)測的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生維修決策，以達到在故障發(fā)生前排除故障的目的。

(3) 維修目的不同。RCM和PHM的目標(biāo)是實現(xiàn)裝備的完好性和經(jīng)濟性，而認知測試性則是更多考慮任務(wù)可靠性，保證裝備能夠更好地完成任務(wù)，必要時可犧牲一些經(jīng)濟性，以在戰(zhàn)爭中取得更大的效益。

(4) 設(shè)計對象不同。RCM和PHM一般是面向單個裝備設(shè)計，對象是個體；而認知測試性是面向裝備體系設(shè)計，對象是系統(tǒng)。

4 認知測試性的展望

認知測試性具有廣闊的發(fā)展前景，它不僅僅局限于同型裝備中的應(yīng)用，還可以應(yīng)用到不同型號的裝備上，甚至是不同種類裝備所構(gòu)成的裝備體系。而且認知測試性不僅僅局限于環(huán)境、裝備和大數(shù)據(jù)支援中心之間的聯(lián)系，還可以關(guān)聯(lián)后勤保障系統(tǒng)、人員培訓(xùn)機構(gòu)，對備件的訂購、人員的培訓(xùn)等起到優(yōu)化配置的作用，終極目標(biāo)是實現(xiàn)對整個裝備、環(huán)境、人員和后勤等構(gòu)成的系統(tǒng)的優(yōu)化管理。

5 結(jié)束語

通過對RCM，PHM和認知測試性的介紹，不難看出，認知測試性與RCM，PHM的區(qū)別，主要包括4個方面:① 認知測試性對保障的設(shè)計要求更提前、更主動；② 對信息的利用更加全面、更充分；③ 針對的研究對象更體系化；④ 更加注重事前維修和任務(wù)可靠性。從RCM到PHM，對裝備保障的認識逐步深入，逐步完善，對裝備的維修保障體系的建立都起到了關(guān)鍵作用。可以預(yù)見，認知測試性的發(fā)展必將對體系化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)時代背景下的裝備保障產(chǎn)生重要影響。Technologies[J].Measurement&ControlTechnology,2008,27(2):5-7.