故障預測與健康管理技術的應用與發展

陶書弘，呂瑞

（1.中國航發控制系統研究所；2.航空工業沈陽飛機設計研究所，北京 100095）

隨著自動化技術以及信息化技術的不斷發展，不同類型的復雜系統集成度以及復雜度不斷提高，系統本身的維修保障相關問題顯得越發突出，對于整個系統的可靠度、經濟性、安全性以及穩定性等相關要求也在隨之提高。PHM技術也正是在這一環境衍生出來的，這一項技術的應用已經完全普及于航天航空，基于目前的技術現狀，仍然有非常巨大的發展潛力。對此，探討PHM 技術的應用與發展具備顯著實踐性價值。

1 PHM 技術

PHM 技術主要是指借助最少的傳感器實現系統中不同信息數據的采集，并借助不同的智能化推算方式實現對系統本身的健康型評估。在系統出現故障之前，可以對故障實現有效的預測，并結合不同的字眼信息提供相關的維修保障支持，從而達到系統維修需求的全面預測和分析。PHM 技術的體系結構主要涉及7 個模塊，分別為數據采集、數據與處理、狀態監測、健康評估、信息預測、決策支持、人機接口。整個體系結構并不存在任何界限，相反，則存在大量的數據交叉性反饋。

PHM 技術在設備維修方面的主要價值在于下面幾點。

（1）PHM 技術屬于推動裝備維修保障的關鍵，同時，也是落實維修處理的基礎。當前大多數設備的維修方式仍然是以事后與定期維修模式為主，這一種維修模式必然會帶來許多的負面影響，從而導致盲目性的維修或者是失修的問題。（

2）發展。PHM 技術可以顯著提升維修的效率以及備戰的完好率，從而降低維系保障的費用可靠性。PHM 技術可以借助強大的狀態監控以及故障預測的功能，提供預先性的決策，從而降低維修的頻率以及時間，提升設備的維修保障效率以及完備率。

（3）應用。PHM 技術系統的應用可以有效地降低風險問題，并提升人物的成功率，借助對裝備的狀態健康情況的評估，可以實時狀況具體運行狀況，并及時處理其中的各種問題，從而顯著降低任務執行過程中的故障，提升遂行的整體能力。

（4）PHM 技術可以實現統一性的資源調度，并實現不同部門的高效率平臺建設。在健康評估與故障預測方面，可以借助PHM 技術的應用實現支持系統的決策，并協同不同的部門實現資源的優化配置，最大程度地簡化工作流程，從而解決傳統維修模式所存在的分散、低效率、成本高的問題。

2 PHM 技術的應用發展歷程及現狀

2.1 發展歷程

PHM 技術的發展過程屬于人們認知并應用自然規律的重要體現過程，也就是從故障、異常事件的被動化反應轉變為主動預防、預先分析、綜合管理的過程。按照PHM 技術的發展技術，其主要歷程在于下面幾點：

（1）可靠性階段。PHM 技術的起源最初在20 世紀中期，在第二次世界大戰中，許多的復雜性武器暴露出了低水平問題，此時，人們所應用的方式便是將傳統的數據采集系統應用在可靠性的數據分析基礎上，并在這一基礎上不斷地改進整體系統的可靠性，從而提升系統本身的性能與作用，滿足系統在極端環境之下合理應用的需求?？煽啃员闶沁@一極端的代表特征。

（2）故障分析。伴隨著航天系統的應用越發復雜和精細化，所表現出來的問題風險因素也在不斷地增多，其中，設計不充分、制造水平較差、維修差錯問題以及非計劃性的事件等都是導致故障問題發生的主要原因，這也促使人們開始意識到新的檢測系統，并實現異常數據的判斷，從而做好故障的及時響應。伴隨著診斷故障源以及故障因素的技術不斷發展，最終呈現出了故障的預測性分析技術，這一項技術主要是借助故障預測模型、智能化模型的方式實現數據的智能化記錄，并借助評估、預測的方式實現對部件未來可能的狀態分析，并對剩余的使用壽命進行評估。

（3）系統監控。在20 世紀末，飛行器的健康監控逐漸成為NASA 內部管理重要模式，其主要是借助適當選擇并應用傳感器、軟件實現對太空交通工具的健康狀態進行監測。這一應用也是第一次將健康這一詞匯作為機械設備運行狀態的描述詞匯。在這一階段中，其主要特征在于人們開始應用比較先進的傳感器技術以及數據傳輸技術、數據處理技術實現系統的工作莊田檢測，同時為系統的安全運行提供支持，這也為后續的實用性發展奠定了基礎。

（4）健康管理。在提出健康監控理論后，人們開始意識到僅僅是借助監控并不能保障設備的安全，其中的關鍵性難問題在于如何將采集到的數據進行分析處理后作為措施的制定依據。對此，管理這一詞匯逐漸替代了監控，這也是首次將維修決策與健康管理結合在儀器，健康系統相關理論也成為航天航空領域的實用詞匯。

（5）故障預測和健康管理。在20 世紀末，NASA 開始引入綜合性的系統健康管理概念，這一概念主要是借助綜合的動機目的，從而解決系統級/不同分級系統的區分性問題。在以往的不同系統中，主要是在各自的領域中解決各種故障問題，并沒有從一個系統化的角度上實現綜合、全面性的考慮。對此，這一階段的重點在于系統化的角度考慮，充分應用PHM 技術實現對設備的保障。在20 世紀末，美國開始開展關于F35 聯合攻擊機的研究，同時，也為PHM 技術的發展與普及奠定了基礎，在進入21 世紀后，在不同國家研究者的共同努力以及國家的支持之下，不同領域中均衍生出了相應的PHM 技術體系，這也為PHM 技術的實踐性應用以及經濟效益、社會效益的影響推動到了社會前列。

2.2 發展現狀

國外目前PHM 技術的研究主要是以軍事領域為主，美國的不同研究開發還有許多相似技術，其中，PHM 技術的應用仍然屬于重點，目前，已經成功應用在了多家航空公司中，適用機型已經涉及A340、B777、B747、A320 等飛機。

以我國的PHM 技術發展現狀為主，我國和世界國家相比在PHM 技術這一領域存在明顯的延緩性發展特征，起步時間較晚。隨著近年來，我國對技術研究的高度重視，PHM 技術得到了明顯的發展。北京航空航天大學、清華大學等多個高校、研究院都開展了相關的研究工作，北航的可靠性工程研究比較早的應用PHM 技術，并結合了相關的領域，如飛機、無人機以及航天器等進行了算法、智能化模型、管理調度等多方面的探索性研究，同時，基于神經網絡、混合模型以及時間序列等進行了案例分析，并通過不同類型的方式判斷了其中的優缺陷以及局限性，借助不同案例的研究實現相應的嘗試、拓展以及深入分析。我國在PHM 技術的應用主要是以民航系統為主，應用在了飛機、發動機的性能檢測方面，但是，和硬件系統結合的應用成果研究并不多。另外，國內在不同領域上對于PHM 技術也有一定的研究，其中空軍工程大學的相關研究者針對我國的新一代作戰飛機的維修保障需求以及技術特征進行了研究，針對機載的PHM 技術體系進行了方案對比，并提出了基于模塊、單元層的PHM 技術、子系統、區域級以及平臺及四個集成化的層次體系結構。同時，另一院校了進行了額相關研究，借助反艦膽道維修保障的有效性以及可行性進行了研究，同時，提出了關于保障維修的傳感器網絡結構。雖然國內并沒有關于PHM 技術的廣泛性應用，實踐應用與工程實用化的程度也存在差異，例如，當前并沒有部分關鍵系統與部件的應用，所以整個系統的集成化效果并不理想。大多數的系統在故障預測以及健康管理方面存在明顯的脫節現象，所以很難充分發揮PHM 技術的優勢。針對大多數系統而言，對于電子設備的故障機理研究也不夠深入，其中大多數僅出于故障檢測發展階段，并不具備故障的預測功能。除此之外，如何準確地判斷系統的健康狀態，并作出針對性的優化決策，仍然是今后的重點研究方向。

3 結語

綜上所述，PHM 技術的發展已經得到了明顯的發展。伴隨著近年來，PHM 技術在航空領域的應用越發普及，我國國防科技工業對于PHM 技術的應用需求表現得越發強烈。在今后，需要進一步提高PHM 技術的研發，首先，是做好先進傳感器技術的研究，開發需要持續想著低能耗、高可靠性、高精度的方向發展；其次，是需要從部件到系統、電子到機械的失效機理研究，準確地掌握環境條件以及系統化運行的模型建設，更好地判斷故障的時間特征；再次是結合傳感器技術，做好信號處理的技術研究，不斷地研究高信噪比的健康監控路徑，提升故障的預測以及探測水平；最后，是做好智能化技術的融入，借助推理、大數據計算方式提高故障診斷和預測判斷。