裝備故障預測與健康管理能力驗證評估技術

(空軍裝備部 駐北京地區(qū)第二軍事代表室，北京 100142)

關鍵字：PHM驗證;指標評估

0 引言

在21世紀的新型、高科技、網(wǎng)絡化軍事戰(zhàn)爭中，各種新型軍事裝備的系統(tǒng)可靠性、安全性、測試性、保障性的要求有極大的提高，裝備的系統(tǒng)預測與健康管理技術是保障裝備安全運行、自主作戰(zhàn)、降低維修保障復雜性的重要內容，是發(fā)展新型裝備的必要的關鍵技術。在軍用裝備中應用PHM技術已成為國內外科技研發(fā)的重要發(fā)展趨勢，復雜裝備故障預測與健康管理技術正在被越來越多的重視，大量被用于軍事國防、航空航天武器裝備中，發(fā)展為自主式后勤保障系統(tǒng)的重要基礎。

故障預測與健康管理技術是實現(xiàn)武器裝備基于功能的維修，自主式保障和響應后勤等新思想、新方案的關鍵技術。這一技術的實現(xiàn)將維修變成了基于狀態(tài)的維修，使裝備維修保障理念由以往的注重維修變?yōu)樽⒅仡A防，繼而真正從傳統(tǒng)上的時候維修和定期維修轉變?yōu)橹鲃有缘幕跔顟B(tài)維修。PHM在設計上實現(xiàn)后，PHM系統(tǒng)的工作效能的指標驗證工作就顯得更為重要。雖然，在某些武器裝備中已經(jīng)初步應用了相應的PHM系統(tǒng)，但對PHM系統(tǒng)的指標驗證課題仍然具有嚴重的挑戰(zhàn)性。

目前，PHM系統(tǒng)的指標驗證技術在國內外的研究水平還嚴重不足，關鍵技術的突破還存在瓶頸，某些重要技術方面的研究還是還存在一定空白。該技術面臨的困難，主要體現(xiàn)在以下兩方面：故障數(shù)據(jù)獲取困難；驗證指標及技術框架不夠通用和明確。這些都需要在裝備的PHM系統(tǒng)驗證工作中進行重點的攻關和研究。

1 測試性/PHM系統(tǒng)驗證技術研究現(xiàn)狀

測試性/PHM系統(tǒng)的驗證工作是武器裝備全壽命周期各個階段的重要環(huán)節(jié)，對武器裝備測試性/PHM系統(tǒng)狀態(tài)的準確評估和有效 提升優(yōu)化起著重要的支撐作用。目前，美國和俄羅斯等軍事強國對裝備測試性/PHM系統(tǒng)的試驗與評定技術都非常重視，并有比較深入的研究。

目前，國外對測試性設計的驗證評價主要基于利用測試性設計分析平臺和虛擬驗證試驗技術兩種方式來解決。近幾十年來，美國國防部一直把建模與仿真技術列為“國防關鍵技術”的重點項目，并逐漸加強了這方面的組織領導，重點開發(fā)了分布式交互仿真技術、半實物仿真技術以及虛擬試驗技術等。近年來美國強調仿真和建模技術在武器裝備試驗中的應用和開發(fā)。例如，為減少導彈的采購費用，開發(fā)了某導彈的虛擬試驗場，并在紅石技術試驗中心研發(fā)構造了仿真/試驗驗收設施。Mr.Douglas等對某型直升機的測試性設計進行了建模仿真工具的初始驗證。俄羅斯利用武器系統(tǒng)的仿真、建模及驗證技術，研究了裝備的試驗與評估方法。最新部署的“白楊”-M導彈的試驗與評估工作，體現(xiàn)了技術新方向[1]。

對于PHM系統(tǒng)的驗證，實際運作時通常采用搭建PHM系統(tǒng)試驗臺來進行。試驗臺的數(shù)據(jù)可以來自各個時期的歷史數(shù)據(jù)，也可以通過各種故障注入方式得到。不同的試驗臺可以對不同的裝備，以及裝備的不同時期的測試性/PHM系統(tǒng)的設計進行驗證與評估。

在美國，PHM驗證系統(tǒng)的一些案例如表1所示。

表1 美國典型的幾種PHM驗證系統(tǒng)案例[2]

在國內，裝備的實驗與評定可以追溯到20世紀60年代，軍內外一大批專家對戰(zhàn)略武器的各種戰(zhàn)技指標進行了試驗與評估工作。目前，隨著國內對裝備的試驗與評定工作的不斷重視和深入研究，武器裝備的綜合試驗評定工作的各個方向都在大力開展，以期以最小的代價、最優(yōu)的策略來實現(xiàn)最為準確的試驗與評定。測試性驗證方面，主要開展了實物試驗驗證和虛擬驗證兩方面的工作。

北京航天測控利用Modelica語言開發(fā)了針對測試性虛擬驗證的軟件平臺，實現(xiàn)了從板級到SRU級的故障仿真和虛擬驗證。趙晨旭2011年首次提出了測試性虛擬驗證的方法和技術框架及流程，使用了Multisim10和Matlab搭建了測試性虛擬驗證系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用于直升機航向姿態(tài)系統(tǒng)的測試性驗證[1]。在測試性試驗驗證方面，在某型飛機研制階段，采用基于故障注入的方法，依據(jù)定數(shù)試驗最低可接受值方案設計了試驗方案，以隨機抽樣的方式確定樣本，構成了完整的測試性試驗驗證流程。雖然測試性驗證試驗得到了一定程度上的工程應用，但依然存在樣本抽樣人工干預、評估結果準確率低等問題。

國內在裝備PHM技術方面也開展了一些相關研究，主要集中在各種飛行器的PHM系統(tǒng)的研制上，并且已經(jīng)有了比較好的技術積累，但是在PHM系統(tǒng)的驗證方面同國外的差距還很大，由于國內沒有成功的經(jīng)驗可以借鑒，并且涉及到了大量的新技術和新理論，因此，在PHM的驗證與評估方面，國內的技術研究甚少，基本處于起步階段。與美國F35的PHM驗證與評估技術相比，發(fā)展嚴重滯后。同時，各研究單位的研究方向不同，缺乏技術研究體系，也造成了在技術論證、裝備研制的過程中存在很大的技術突破難度和風險。

目前，如何結合裝備的系統(tǒng)設計、測試性設計、可靠性設計以及維修性設計過程，有效提出并完善PHM系統(tǒng)的驗證試驗程序以及驗證試驗及評估方法是需要備受關注的問題和方向。

2 PHM系統(tǒng)驗證與評估的框架結構及常用方法

PHM系統(tǒng)的主要功能如圖1所示，為了滿足使用保障及維護能力的需求，PHM系統(tǒng)需要實現(xiàn)6個功能模塊，分別為：①故障檢測、故障隔離及性能監(jiān)控功能；②關鍵系統(tǒng)與部件的故障預測能力；③剩余壽命預測能力；④故障選擇性報告能力：⑤輔助決策和資源管理能力：⑥性能趨勢跟蹤能力。所涉及的重要關鍵技術包括：

①數(shù)據(jù)采集技術；

②數(shù)據(jù)處理及特征提取技術；

③故障預測及健康評估技術；

④信息資源管理與決策技術；

⑤PHM系統(tǒng)的驗證技術。

PHM系統(tǒng)非常復雜，而且不同應用領域的PHM系統(tǒng)也各不相同，一旦投入使用，更改系統(tǒng)設計的成本和工作量將非常巨大，為了，避免出現(xiàn)這種情況，要在裝備的研發(fā)過程和生命周期，來對其PHM系統(tǒng)的開展全面的可信的驗證與評估工作。

所以，PHM系統(tǒng)驗證與評估工作要從PHM系統(tǒng)的論證階段即開始考慮，要貫穿從設計、研制、應用的整個全過程。PHM的驗證評估要與PHM系統(tǒng)的設計相結合，既要考慮PHM 系統(tǒng)本身的功能和性能實現(xiàn)，又要綜合考慮應用裝備的功能、效能以及各種測試性/PHM系統(tǒng)的自身功能的可擴展性。PHM系統(tǒng)的驗證結果能不能達到當初的設計要求，并且能夠對完善設計提出有效的反饋意見，是裝備設計開發(fā)成熟化以及應用部署的關鍵環(huán)節(jié)。

PHM系統(tǒng)的驗證工作的一般原則如下：

1)驗證工作要貫穿PHM系統(tǒng)的全壽命周期過程；

2)驗證工作要全面、系統(tǒng)，盡量覆蓋整個系統(tǒng)的各個層級；

3)在滿足系統(tǒng)安全性以及自主保障的要求下，盡可能保證驗證結果的準確度。

4)遵循并行工作的設計原則，PHM系統(tǒng)的開發(fā)和驗證要同步開展，并在程序和技術上加以統(tǒng)一。

2.1 PHM驗證的框架結構

PHM系統(tǒng)的驗證與評估在PHM系統(tǒng)研發(fā)的各個階段的框架結構如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)的驗證評估框架

各個階段的工作如下[3]：

1)PHM系統(tǒng)論證階段：本階段針對特定系統(tǒng)進行PHM系統(tǒng)設計的可行性分析，根據(jù)可行性分析結果及其系統(tǒng)應用需求對系統(tǒng)的PHM進行操作定義；

2)PHM系統(tǒng)設計階段：確定對象對PHM系統(tǒng)的設計需求，進行PHM系統(tǒng)的頂層架構設計，明確PHM系統(tǒng)的軟硬件詳細設計方案；

3)PHM系統(tǒng)開發(fā)階段：PHM系統(tǒng)各單元的軟硬件設計、系統(tǒng)的集成安裝、PHM系統(tǒng)的各分單元及系統(tǒng)調試使用、PHM系統(tǒng)的驗證及反饋；

4)PHM系統(tǒng)使用階段：不斷完善PHM系統(tǒng)的性能及進行反饋修正。

PHM系統(tǒng)的驗證評估需要利用一系列的體現(xiàn)系統(tǒng)的健康管理和預測的指標來體現(xiàn)和衡量，這些指標要能體現(xiàn)PHM系統(tǒng)“及時”、“準確”的檢測、隔離、跟蹤和預測故障的能力。PHM的驗證系統(tǒng)包括軟件驗證和硬件驗證，兩種驗證方式相輔相成，共同完成對PHM系統(tǒng)的驗證和性能評估。PHM驗證系統(tǒng)的結構設計如圖3所示。

圖3 PHM驗證系統(tǒng)結構圖

PHM驗證系統(tǒng)可以采用分層的確認方式，將系統(tǒng)的每一個層級進行量化，先從底層的各種指標開始，然后向上傳遞，并最終得到一個系統(tǒng)的PHM驗證指標，每一層的評估依據(jù)由下一層的結果提供，然后形成累計的PHM能力指標驗證結果。指標評估模塊包括對各子系統(tǒng)的檢測、隔離和預測指標的評估。PHM驗證系統(tǒng)依照各種驗證評估標準和準則對相應的指標和性能進行計算和評估，給出PHM設計相應的設計反饋，為PHM系統(tǒng)設計者提供有效建議。

2.2 PHM系統(tǒng)驗證方法

PHM系統(tǒng)的驗證方法根據(jù)系統(tǒng)的不同驗證要求、不同的驗證層次以及不同的驗證條件，可以有以下幾類方法可供選擇，如圖4所示。

圖4 PHM系統(tǒng)驗證方法分類

1)PHM系統(tǒng)仿真驗證方法。

仿真驗證方法包括數(shù)字仿真方法和半實物仿真方法。其原理即用仿真模型代替實物來進行驗證試驗，主要針對不適合做實物試驗的，且對安全性要求比較高的設備。利用裝備的實物或半實物仿真平臺，采用故障注入的方式來驗證PHM系統(tǒng)的各個方面的指標體系。

2)PHM系統(tǒng)驗證試驗方法。

按照設定的試驗技術和試驗程序，對驗證對象實物進行故障和故障趨勢的模擬和注入，對相關數(shù)據(jù)進行分析、處理、計算和評估，最終得到被驗證對相的各種參數(shù)指標是否符合設計要求的一種驗證方法。

3)PHM系統(tǒng)的評估驗證方法。

分析驗證方法適合在裝備試用階段進行，一般情況下可以與裝備的現(xiàn)場試驗相結合。分析驗證方法采用類比法和仿真法來實現(xiàn)。所謂類比法，即將待驗證的PHM系統(tǒng)與已經(jīng)通過驗證的相似的PHM系統(tǒng)的結構、功能、故障模式和故障機理、使用與維修環(huán)境等進行各方面的對比分析，得出待驗證PHM系統(tǒng)的驗證結果。所謂仿真方法，需要建立PHM系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過對數(shù)學模型的仿真分析和研究，以得出PHM系統(tǒng)是否滿足要求的一種方法。

各驗證方法選擇的優(yōu)先順序如表2所示。

表2 PHM驗證方法優(yōu)選順序及原則

3 PHM系統(tǒng)驗證的參數(shù)和指標體系

3.1 驗證與評價指標體系

PHM系統(tǒng)的參數(shù)和指標體系的確定，要依據(jù)PHM系統(tǒng)的功能、性能、組成和設計的工作模式為基礎，在此基礎上結合PHM系統(tǒng)設計中的能力、使能和物體特性的參數(shù)，確定出PHM系統(tǒng)的驗證和評價指標。

其驗證的具體內容如下：

1)故障診斷算法能力的驗證包括：故障診斷的實時性；故障診斷的準確性；故障診斷的隔離能力；故障診斷的魯棒性。其常規(guī)指標有故障檢測率、故障隔離率、虛警率等。

2)故障預測與健康管理能力的驗證包括：早期檢測的靈敏性、故障辨識的準確性以及系統(tǒng)失效時間的預測準確性。其常規(guī)指標有故障預測算法的驗證、剩余壽命預測的驗證以及狀態(tài)控制和故障重構的驗證。

圖5 PHM系統(tǒng)的驗證和評價指標

建立故障診斷與健康管理系統(tǒng)的驗證與評價指標體系，應當遵循完整性原則、非相容性原則、客觀性原則、、等。

1)完整性原則：應能全面體現(xiàn)驗證系統(tǒng)的各方面特征；

2)非相容性原則：各個指標相互獨立，不能互相代替，也不能互相包容；

3)客觀性原則：選擇指標時，立場要客觀，不摻入主觀意愿，要真是反映驗證對象的客觀情況；

4)簡潔性原則：為減少工作量，避免混亂，去繁從簡，指標應盡量簡單明了；

5)規(guī)范性原則：選擇指標要具有通用性，便于理解和收集信息。

目前常用的PHM系統(tǒng)各類能力指標的具體內容如表3所示。

表3 PHM系統(tǒng)能力參數(shù)表

3.2 故障診斷的驗證與評價指標體系[4]

故障診斷的驗證與評估內容包括常規(guī)的故障檢測能力、故障隔離能力以及虛警抑制能力。

定義1：故障檢測率(FDR)為在一定時間內，PHM系統(tǒng)正確檢測到的故障數(shù)與實際發(fā)生的故障數(shù)之比，用百分數(shù)表示，其數(shù)學表達式為：

式中，λi為i第個故障模式的故障率。

定義2：故障檢測時間(FDT)為從檢測開始到檢測結果得出所經(jīng)歷的時間。

定義3：虛警率(FAR)。

虛警率(FAR)指在規(guī)定的工作時間內發(fā)生的總虛警數(shù)與同一時間內的故障顯示總數(shù)之比。數(shù)學表達式為：

式中，NFA為虛警指示次數(shù)；NF為正確故障指示次數(shù)；N為指示總次數(shù)。

定義4：故障隔離率(FIR)為在規(guī)定的工作時間內，PHM系統(tǒng)正確隔離到可更換單元數(shù)不大于L時的故障數(shù)與可檢測的故障數(shù)(NCD)之比，用百分比表示，其數(shù)學表達式為：

定義5：故障隔離時間(FIT)是指從故障隔離開始到故障隔離完成所經(jīng)歷的時間。

定義6：模糊度(Ambiguity Group Sie)

模糊組中包含的可更換單元數(shù)。

3.3 故障跟蹤與預測的驗證指標體系

定義7：故障可跟蹤率(FTR)為PHM系統(tǒng)能跟蹤故障數(shù)與系統(tǒng)中能被檢測的故障數(shù)之比，其數(shù)學表達式為：

定義8：故障正確跟蹤率(FCTR)定義為在規(guī)定的時間T內，PHM系統(tǒng)正確跟蹤或監(jiān)測的故障數(shù)與系統(tǒng)中被正確檢測的故障數(shù)之比，其數(shù)學表達式為：

定義9：故障跟蹤時間(FTT)是指從PHM系統(tǒng)開始跟蹤/監(jiān)控故障演化得過程到完成對表征故障嚴重程度的所有征兆參數(shù)進行監(jiān)控所經(jīng)歷的時間。

定義10：故障預測率(FPR)定義為PHM系統(tǒng)中能被預測的故障數(shù)與系統(tǒng)中能被檢測的故障數(shù)之比，其數(shù)學表達式為：

定義11：故障正確預測率(FCPR)定義為在規(guī)定的時間T內，PHM系統(tǒng)正確預測的故障數(shù)與系統(tǒng)中可被檢測的故障數(shù)之比，其數(shù)學表達式為：

定義12：故障預測時間(FPT)是指PHM系統(tǒng)從故障預測開始到給出滿足要求的故障預測結果所經(jīng)歷的時間。

此外，有關預測能力度量指標的還有準確性指標、精確性指標、靈敏性指標等。

定義13：準確性指標(Accuracy-based Metrics)[2]。

準確性是對失效時間的點估計值與實際失效時間接近程度的度量。利用預測的誤差范圍指標來衡量。

定義14：精確性指標(Precision-based Metrics)[2]。

精確性指標衡量的是剩余壽命所覆蓋區(qū)間的狹窄程度指標，由大量試驗所產(chǎn)生的預測值的方差所定義。該預測區(qū)間包括上下邊界。窄度越小表示預測精度越高。

定義15：靈敏性指標(Robustness-based Metrics)[2]。

靈敏性指標反映故障預測算法對系統(tǒng)輸入變化或外部干擾的敏感程度。一般指標有：Brier評分和敏感性。

4 總結

近年來，隨著復雜武器裝備的綜合化、復雜化、智能化的程度的不斷提高，裝備故障預測與健康管理(PHM)技術日益完善，技術研究的廣度和深度都得到了很大的發(fā)展。國內外都出現(xiàn)了大量的針對不同領域的故障診斷與預測模型和算法，初步建立了故障預測與健康管理系統(tǒng)。但是，由于復雜裝備的故障機理難以獲取，各種試驗環(huán)境條件不足，一方面不利于這些技術成果的改進和創(chuàng)新，另一方面與不利于PHM系統(tǒng)在裝備中的應用推廣，因此，對于裝備故障預測與健康管理系統(tǒng)的驗證與評價工作成為了一個非常具有挑戰(zhàn)性和迫切需要解決的關鍵問題。