典型機電系統PHM評價指標分析

隆金波,曲昌琦,蔣覺義,曾照洋,陳 忱,杜 寶

(中國航空綜合技術研究所，北京 100028)

0 引言

現代裝備要求快速出動任務、保障規模小、機動水平高，需要在維修時能夠及時處理故障，提高戰備完好率，較少備件并降低壽命周期費用，這些需求要求裝備系統具有較高的故障預測、健康評估與維修決策支持的能力。故障預測與健康管理技術(PHM, prognostics and health management)作為支撐裝備綜合保障的新型技術，已成為裝備實現高效保障、智能維修的關鍵使能技術[1-2]，當前PHM技術已在裝備的航空發動機、航電、機電等關鍵系統開展了廣泛的研究，并取得了顯著進展[3-4]。

PHM技術實現了裝備系統從健康狀態監測的方式向系統容錯控制、自愈調控和智能維修決策的轉變， 從被動的計劃維修活動轉向了預測性維修模式，從而實現了裝備維修活動的時間準確性和部位準確性[5]。機電系統作為通用裝備的重要組成部分，其可靠性水平直接影響整機的使用保障及維修活動，是裝備系統PHM設計中關鍵和重要的組成部分。

PHM系統參數和評價指標是開展相關技術研究的設計輸入與目標要求，也是對PHM成果進行驗收核查的評價依據。國內航空主機所、科研院所與高校開展了大量的PHM技術的研究工作[6]，對技術的概念、內涵有了清晰的認識，對PHM系統與相關模型算法的研究和理論水平有了顯著的提高和成效，并在某些裝備制造中進行了工程應用，但由于缺乏PHM系統參數與指標體系的建立，導致設計階段設計方難以明確PHM功能與性能的要求，定型階段使用方缺乏統一的驗收評價標準，使PHM系統工程的熟化進程緩慢。

本文結合裝備典型機電系統PHM系統的能力需求，通過分析國外技術發展和標準現狀，建立滿足適用于裝備設計與驗證需求的機電PHM系統參數體系與評價指標，解決裝備PHM系統開發中缺乏設計依據與評價指標的問題。

1 PHM技術發展

在技術發展方面，國外PHM技術經歷了外部測試、機內測試技術(BIT，Built-in Test)、智能BIT技術、綜合診斷技術、PHM共5個階段[4]。 同時在維修決策技術方面，國外的發展也經歷了事后維修、計劃性預防性維護、基于狀態的維護(CBM) 、智能維護[6]幾個階段。PHM技術在裝備應用方面，也從過去的部件與分系統級逐漸發展到覆蓋至平臺級,通過逐步完善，PHM技術目前已形成了精簡化、智能化、標準化的技術方法和技術體系[7]。

我國PHM的研究起源于20世紀50年代，近年來，以高校和研究所為主力的研究團隊在PHM系統結構、關鍵技術、智能故障診斷及預測算法方面都有了研究和應用。政府和行業對PHM研究都進行了大力支持，并將很多PHM相關的課題列入了 “863”發展計劃[8-10]。北京航空航天大學謝勁松[11]等人在PHM系統硬件驗證平臺方面進行了研究設計，并實現了驗證平臺與機載系統的融合；王晗中[12]等人 在雷達雷達裝備維修保障系統方面進行了研究和應用， 提高了系統故障診斷和剩余壽命預測的能力；羅華[13]等人在無人機PHM技術方面進行了PHM拓撲結構和邏輯體系的研究。

國內在PHM技術研究和應用方面當前處于技術探索和型號初步實踐階段[14]，但目前在國內尚無體系化的PHM系統評價指標體系作牽引。隨著PHM系統工程化應用的不斷推進，PHM評價指標對于裝備PHM系統研制和核查驗證的需求將會越來越緊迫。

2 PHM評價指標標準研究

狀態監測技術和故障診斷技術經過多年的應用發展，在技術方面已形成了較為完善的標準體系用于系統驗證和產品檢驗[15]。國際標準化組織(ISO)、國際電子電氣工程協會(IEEE)、機械信息管理開放標準聯盟(MIM0SA)、美國汽車工程師學會(SAE)、美國聯邦航空管理局(FAA)和美國陸軍(US ARMY)等組織和機構陸續制定并開發了一系列標準、指南和規范。這些標準從多層面、多角度對PHM系統主要內容進行了規范化約束[15-17]。

PHM系統的驗證指標體系不僅是開展相關技術研究的設計輸入與目標要求，也是對PHM成果進行驗收核查的評價依據[18]。國外在PHM評價指標方面也發布了相關的標準，較為通用的標準有ARP 5783《健康與使用監測指標》和AIR5909《發動機健康管理系統的診斷和預測指標》兩箱標準，下面對2項標準進行研究分析。

2.1 ARP 5783《健康與使用監測指標》

ARP5783標準作為一項標準工程實踐的指南，其目的是為旋翼與固定翼飛機等裝備的健康與使用監測系統中的診斷算法性能評估提供參考。該標準首次發布于2008年2月，并于2012年10月以及2018年5月重新確認狀態有效。該標準提供的健康與使用監測指標主要是出于兩類需求：一是確保診斷算法能夠保持在一個可接受的低虛警率的同時檢測出故障，以提高操作的安全性；二是降低基于高性能診斷算法的操作所產生的成本。ARP5783推薦的指標的主要用途可分為以下幾類：

1)衡量算法在檢測故障時的有效性；

2)衡量算法對虛警的抑制能力；

3)評估算法對多故障、電磁瞬態、飛行條件、不同潤滑狀態及其它環境變量的靈敏度；

4)建立算法裝機使用的接收準則；

5)評估算法執行故障診斷分類的性能。

在ARP5783標準中推薦了“有效性度量”、“分類能力度量”、“數據采集性能”3類PHM指標，如圖1所示。

圖1 ARP5783中獲取的參數集合

2.2 AIR5909《發動機PHM系統診斷和預測指標》

AIR5909系列標準作為一項包含工程參考數據、歷史信息及技術協作的資料文件，其主要目的是為飛行器發動機健康管理(EHM)中預測算法提供性能評估指標，首次發布于2016年2月。AIR5909在提供發動機預測方法、預測性能評估參數的同時，也提出了應用建議與注意事項，以增強標準的可操作性，AIR5909中提取的指標如圖2所示。

圖2 AIR5909中獲取的預測性能參數指標

3 機電系統PHM評價指標體系構建

3.1 指標體系構建思路

PHM系統的驗證指標體系不僅是開展相關技術研究的設計輸入與目標要求，也是對PHM成果進行驗收核查的評價依據。

本文在對國內外PHM技術發展、標準發展、功能性能、評價指標等的對比與剖析的基礎上，將構建PHM功能與性能評價指標體系的基本思路確定為：主要從AIR5909、ARP5783中提取PHM功能性能評價指標，從CAP753、ARP1839等標準中分析提煉對于PHM系統功能的定性要求，隨后融合上述三方面的內容，構建PHM功能與性能評價指標體系。

3.2 評價指標篩選

通過對PHM發展現狀、PHM標準現狀、機電系統PHM功能/性能及參數分析，結合機電PHM能力需求分析，初步構建PHM系統評價指標，PHM指標體系主要包括PHM狀態監測及診斷指標、預測指標、維修決策與評價指標三部分。

3.2.1 監測及診斷指標

機電PHM系統的檢測及診斷功能主要用于完成早期故障檢測、故障隔離識別，從診斷算法性能評價的角度來看，本文將將其評價因子分解為如下4類：

1)統計分析：直升機機電系統級診斷評估的性能統計隨著時間收集在各種分系統或部件上呈現出的多種故障模式數據；

2)準確性/精度：此類指標能夠衡量在噪聲、不確定性影響下機電系統PHM的診斷評估的置信度；

3)魯棒性：考慮可能改變診斷結果的各種因素(環境、使用、設計等)的影響后，對算法的敏感性或魯棒性進行評價。

4)響應時間：此類指標用于評價預測算法在保持準確性和精度的前提下完成故障診斷以促成及時制定行動決策的能力，在實際應用中往往難以準確獲取。

所篩選的監測及診斷指標如表1所示。

表1 監測及診斷指標

3.2.2 預測指標

機電系統PHM的預測功能主要用于預計系統/部件的剩余使用壽命，然而預測結果的不確定性是難以避免的，因此需要對預測算法的性能進行準確評價。預測性能指標分為在線預測性能指標和離線預測性能指標，如表2所示。

表2 監測及診斷指標

3.2.3 決策評價指標

機電系統PHM相關技術的應用可以通過消除虛警、不必要的拆卸和不能復現指示，有效降低產品或系統的壽命周期費用，并且能夠在減少測試與保障設備、減少人力與備件等方面縮小后勤保障規模。因此，可以通過對PHM技術的實施效果進行費效分析，利用成本效益風險評價指標定量反映系統PHM在經濟性上表現出的水平。決策評價指標分為系統整體費效、維修效率、局部測試布局合理性三個方面，如表3所示。

表3 決策評價指標

3.3 評價指標體系構建

基于上述分析結果，并結合指標間的關聯性分析，可以得出以下結論。

從信息獲取難度上來看：考慮到機電PHM系統對于對關鍵部件實時監測與告警指示的意義，應首選獲取難度較低的可測試與可計算指標，即應剔除診斷性能評價指標中的響應時間相關指標(信息難以獲取)、傳感器能力評價中的物理特性相關指標(不可測試或計算)。

從指標適用范圍上來看：適用于PHM系統整體、關鍵部件的評價指標有明顯區分，同時EHM的特殊地位也使得系統頂層評價指標中也有部分適用于發動機功能性能評價，考慮到前文中提出的指標體系整體邏輯層次性原則，因此不將適用對象層次作為主要的指標篩選標準。此外，對于適用對象類型上來看，初選指標中針對在線預測性能的相關指標在當前的PHM技術狀態與條件下難以實現，因此剔除此類指標，并簡化原架構中預測性能評價指標的下層結構，典型機電系統PHM評價指標體系如圖3所示。

圖3 典型機電系統PHM評價指標體系

4 PHM評價指標適用性分析

對于上文形成的各項指標，其評價方向、側重點、意義、機理不盡相同，導致了指標適用范圍之間存在差異，尤其是在針對典型機電系統不同類型的監測對象時有必要明確各項指標的適用范圍。

4.1 PHM評價指標適用性分析流程

首先對機電PHM系統要求進行分析，分析對象的監測與診斷性能要求和預測性能要求，然后對照PHM評價指標體系進行指標獲取難度和指標獲取成本分析。在指標獲取難度方面，對可測試指標進行測試難度分析、對可計算指標進行計算難度和準確度分析；在指標獲取成本方面，分析測試環境搭建成本要求、測試周期要求和測試樣本量要求。經過以上兩個維度的分析，本著測試難度適中、測試成本可接受的原則，形成了完全適用類指標和選擇適用類指標兩個等級，PHM評價指標適用性分析流程如圖4所示。

圖4 PHM評價指標適用性分析流程

4.2 PHM評價指標適用性等級

完全適用性指標可完全覆蓋對象PHM的性能評價要求，且指標測試難度低、計算方法明確、測試費用不高且測試周期較短，如在電子系統PHM評價過程中，檢測率、漏檢率、檢測門限值等評價指標的符合性均可定量化描述，指標計算和獲取有特定的理論計算依據，指標可通過軟硬件故障注入試驗等方式快速獲取，此類標準定義為完全適用類標準。

部分適用類標準： 指標可部分覆蓋評價該對象PHM系統的功能性能，且有部分指標雖可作為評價該系統的依據，但驗證評價過程中指標獲取難度較大，成本較高，部分指標評價結果準確度較低，且部分指標無法定量描述，評價客觀度較低，部分指標只能參考類似系統或經驗進行定性評價，如在液壓、燃油、結構等系統或部件中，針對監測率、漏檢率等指標，由于系統的退化類故障模式較多，指標驗證過程中故障注入試驗時間長，且由于試驗樣本數量的局限性，評價結果的置信度較低，大多數情況下只能依靠同類型號產品或這理論計算值定性評價，指標的適用性有一定的局限性。

典型機電系統PHM評價指標體系的適用性分析結果如表4所示。

表4 評價指標適用性分析結果

5 結束語

評價指標是PHM系統設計輸入與目標要求，也是對PHM研制成果進行驗收核查的評價依據。本文在分析國內外PHM技術發展和標準發展的基礎上，分析國外先進健康管理標準中推薦的PHM評價指標，從指標適用性的角度進行分析和篩選，構建了面向典型機電系統的PHM評價指標體系，為典型機電PHM系統的設計和驗證提供了依據。