工程裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究

潘 凡，申金星，高亞明，楊小強(qiáng)

（1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.32214部隊(duì)，江蘇 南京 211100）

引言

工程裝備在國(guó)防工程建設(shè)、軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗工程保障與國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)中起著非常重要的作用，一旦其發(fā)生故障或健康狀態(tài)嚴(yán)重惡化，則會(huì)嚴(yán)重影響保障效能和工作效率的發(fā)揮。由于工程裝備種類繁雜、功能各異，既有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的軍用工程機(jī)械，也有功能強(qiáng)大、原理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的布（掃、探）雷裝備、各種橋梁裝備、偽裝與偵察裝備，其研制、使用與維修保障成本都比較高[1-2]。特別是隨著軍事裝備的集成化、綜合化和智能化水平的提高，各種裝備研制的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大、研制周期越來(lái)越長(zhǎng)、研制費(fèi)用越來(lái)越高，對(duì)裝備的使用與維修保障提出了更高的要求。為了減少裝備故障造成的嚴(yán)重的安全性、可靠性等方面的后果，滿足縮短裝備停機(jī)時(shí)間、降低裝備維修費(fèi)用、提高裝備保障效率的需求，迫切需要更新裝備保障理念、創(chuàng)新裝備保障技術(shù)、優(yōu)化裝備保障手段，實(shí)現(xiàn)裝備保障的預(yù)防維修和預(yù)測(cè)維修，以適應(yīng)裝備技術(shù)的發(fā)展和體系化作戰(zhàn)使用要求。

1 工程裝備故障預(yù)測(cè)的特點(diǎn)

故障預(yù)測(cè)是依據(jù)裝備自身運(yùn)行特性、零部件材料及受力特性、裝備作業(yè)環(huán)境等各種內(nèi)外因素，估計(jì)裝備出現(xiàn)故障的種類、時(shí)間、機(jī)率和部位等屬性的理論和技術(shù)手段。故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性是建立在合理、科學(xué)的物理、數(shù)學(xué)及其他模型的基礎(chǔ)上的[3]。為提高工程裝備的預(yù)測(cè)信息和維修保障措施的準(zhǔn)確合理，必須對(duì)工程裝備故障的各種影響因素，包括運(yùn)行環(huán)境、組成結(jié)構(gòu)、工作原理、故障特點(diǎn)、故障分類等進(jìn)行全面深入的分析研究，切實(shí)掌握故障預(yù)測(cè)所面臨的理論和技術(shù)難點(diǎn)。

1.1 工程裝備故障發(fā)生的特點(diǎn)

工程裝備組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多是由相互關(guān)聯(lián)、相互作用和相互制約的多個(gè)子系統(tǒng)所組成有機(jī)整體。工程裝備的作業(yè)環(huán)境通常比較惡劣，其故障的發(fā)生發(fā)展與通用機(jī)械設(shè)備相比有一些明顯的不同。

1.1.1 故障的潛在性

一般而言，所有設(shè)備的故障依據(jù)時(shí)間的變化狀態(tài)均可分為突發(fā)和漸變兩種狀態(tài)。對(duì)于那些發(fā)生前奏不明顯的突發(fā)性，其預(yù)測(cè)難度較大也不易于監(jiān)控。但是對(duì)于工程裝備而言，大多數(shù)據(jù)故障屬于后者，故障的發(fā)生發(fā)展過(guò)程多為漸變性的，故障模式具有明顯的潛在特性。如旋轉(zhuǎn)部件的磨損、密封元器件和絕緣器件的老化、傳動(dòng)件的疲勞、發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧和繼電器中的彈性構(gòu)件的彈性減弱等故障模式，其發(fā)生發(fā)展的過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期的演變過(guò)程，也即是潛在的而非瞬態(tài)。對(duì)于這種漸進(jìn)性的潛在故障，可以通過(guò)連續(xù)監(jiān)控的方法實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)測(cè)和報(bào)警[4-5]。

1.1.2 層次性

工程裝備是一個(gè)復(fù)雜的多層次系統(tǒng)，這就決定了其故障的層次性，按結(jié)構(gòu)可劃分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件和零部件等多個(gè)層次。所有故障都與裝備的某個(gè)或某幾個(gè)層次具有相關(guān)性。居于低層級(jí)的故障會(huì)導(dǎo)致高層次故障的產(chǎn)生，因而故障的這種由低層到高層逐級(jí)發(fā)展的特性表明了其層次性。故障的層次性方便了工程裝備故障預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建。

1.1.3 傳播性

故障的層次性表明，工程裝備的許多故障經(jīng)常是由于與之相關(guān)的故障或下一級(jí)故障的傳播所致，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：橫向傳播和縱向傳播。橫向傳播是故障在同一層次內(nèi)的互相影響?？v向傳播是指故障從低層次向高層次的擴(kuò)展，從零部件到總成和整機(jī)的縱向傳播。

1.2 工程裝備故障預(yù)測(cè)的特點(diǎn)與分類

工程裝備故障預(yù)測(cè)著眼于未來(lái)某一時(shí)間點(diǎn)上零部件、系統(tǒng)或整機(jī)的失效與故障判定，而故障診斷則著眼于當(dāng)前狀態(tài)零部件或總成的失效狀態(tài)的判定。相對(duì)而言，故障診斷的執(zhí)行難度較小，工作人員或診斷系統(tǒng)通過(guò)采集狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)或其他處理算法，判斷狀態(tài)參數(shù)是否在合理的閾值范圍內(nèi)，如未超出閾值，則可判定為狀態(tài)處于正常狀態(tài)，而當(dāng)參數(shù)值超出閾值范圍，則可斷定裝備或系統(tǒng)發(fā)生了故障。所以故障診斷結(jié)果更利于裝備的定期維修或事后維修，在實(shí)踐中可能導(dǎo)致維修過(guò)度和欠維修等問(wèn)題。而故障預(yù)測(cè)著眼于裝備的未來(lái)健康狀態(tài)，為裝備的維修提供了準(zhǔn)備時(shí)間，便于裝備維修器材、維修人員、維修地點(diǎn)等各種資源的預(yù)先規(guī)劃和決策。但是，故障預(yù)測(cè)無(wú)論從理論還是技術(shù)上難度都比較大，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1）故障預(yù)測(cè)的功能較多，如可實(shí)現(xiàn)工程裝備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、故障參數(shù)的檢測(cè)、元器件或系統(tǒng)的失效預(yù)報(bào)、裝備關(guān)鍵器件或總成的剩余壽命的分析和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；

2）故障預(yù)測(cè)屬于典型的交叉學(xué)科產(chǎn)物，預(yù)測(cè)流程包括多個(gè)環(huán)節(jié)，如異常參數(shù)檢測(cè)、故障特征提取、裝備健康狀況檢測(cè)、故障診斷和剩余壽命的預(yù)測(cè)等；

3）故障預(yù)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其來(lái)源于軍事裝備領(lǐng)域，但目前已經(jīng)擴(kuò)展到了公（鐵）路橋梁、透平機(jī)組、高速車輛、風(fēng)力發(fā)電等眾多領(lǐng)域；

4）在技術(shù)的傳承上，故障預(yù)測(cè)是傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)的創(chuàng)新、擴(kuò)展與提高，著眼于裝備運(yùn)行狀態(tài)的提前監(jiān)測(cè)、全程監(jiān)測(cè)、綜合評(píng)判，跟蹤運(yùn)行狀態(tài)的變化，實(shí)時(shí)監(jiān)控裝備的健康狀態(tài)，進(jìn)行裝備的狀態(tài)維修；

5）在應(yīng)用效果上，故障預(yù)測(cè)可以提高系統(tǒng)的安全性、任務(wù)的可靠性，增加系統(tǒng)的完好性，降低系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)用。

2 基于故障預(yù)測(cè)的某型裝備健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

某裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)接口模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、診斷預(yù)測(cè)模塊和健康管理模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊與原車的電控系統(tǒng)集成在一起，輔之以另外安裝的擴(kuò)展傳感器等，可對(duì)裝備電控與液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)理采集；信號(hào)接口模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的放大、變換、濾波和歸一化等處理，對(duì)模塊信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)送入后邊的主要功能模塊中，進(jìn)行故障檢測(cè)、故障狀態(tài)預(yù)測(cè)、裝備剩余壽命預(yù)測(cè)、趨勢(shì)分析等處理，并通過(guò)人機(jī)交互裝置顯示裝備的健康狀態(tài)和預(yù)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)置有數(shù)據(jù)輸出接口，供離線分析儀器對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理。

圖1 工程裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)感知單元、信號(hào)接口單元和分析處理單元三個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)感知單元是指各種工況參數(shù)采集用傳感器及其調(diào)理部分，如推橋馬達(dá)計(jì)數(shù)傳感器、液壓油壓力傳感器、后擺架變幅油缸磁致伸縮位移傳感器、液壓油溫度傳感器等，主要用于獲取工程裝備運(yùn)行中的過(guò)程參數(shù)。信號(hào)接口單元主要與便攜式工控機(jī)配合，為數(shù)據(jù)感知單元中的傳感器提供電源激勵(lì)信號(hào)、接收傳感器的模擬與數(shù)字信號(hào)、轉(zhuǎn)換和處理前端信號(hào)等。分析處理單元包括底層驅(qū)動(dòng)部分、數(shù)據(jù)庫(kù)和健康管理應(yīng)用程序等，用于對(duì)獲取的工程裝備運(yùn)行信息進(jìn)行分析處理，進(jìn)行工程裝備的故障診斷、趨勢(shì)分析、故障預(yù)測(cè)和健康管理。

圖2 故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindow/CVI，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Microsoft Access。

故障預(yù)測(cè)與健康管理軟件系統(tǒng)由狀態(tài)檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)與模式識(shí)別模塊、故障趨勢(shì)與剩余壽命預(yù)測(cè)模塊、用戶接口模塊、信號(hào)回放與特征選擇模塊、數(shù)據(jù)接口、用戶接口、輔助模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊以及公共程序模塊等功能模塊組成。各主要功能模塊之間的相互關(guān)系如下頁(yè)圖3所示。

圖3 軟件各模塊間的相互關(guān)系

數(shù)據(jù)庫(kù)是軟件各功能模塊的基礎(chǔ)，其為其他各個(gè)模塊提供動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)、靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)各模塊的中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件通過(guò)用戶接口等對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，編輯或修改數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容。狀態(tài)檢測(cè)模塊通過(guò)用戶接口接受控制，提供自動(dòng)和人工觸發(fā)控制兩種運(yùn)行模式，完成狀態(tài)參數(shù)采集與處理、特征參數(shù)計(jì)算分析等操作，并將結(jié)果輸出至故障診斷與模式識(shí)別模塊。信號(hào)回放與特征選擇模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和特征集推理運(yùn)算得出故障預(yù)測(cè)特征向量與權(quán)值向量等結(jié)果，再輸出至故障趨勢(shì)與使用壽命預(yù)測(cè)模塊，由后者完成故障預(yù)測(cè)，并經(jīng)輔助模塊處理后進(jìn)行健康狀態(tài)的管理和用戶交互、報(bào)警提示等操作。

3 結(jié)語(yǔ)

為了解決工程裝備維修與管理中存在的故障檢測(cè)、診斷與預(yù)測(cè)和健康狀態(tài)評(píng)估的問(wèn)題，本文論述了工程裝備健康管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與開(kāi)發(fā)流程。系統(tǒng)基于便攜式工控機(jī)開(kāi)發(fā)，具有故障預(yù)測(cè)、剩余壽命預(yù)測(cè)、信號(hào)回放、健康管理等功能，可為工程裝備維修過(guò)程中的參數(shù)測(cè)試、故障診斷分析、故障預(yù)測(cè)與維修管理提供幫助。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋了零部件到液壓、電控等系統(tǒng)各個(gè)級(jí)別的故障檢測(cè)、診斷預(yù)測(cè)和健康評(píng)估與管理等功能，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。