基于AHP的復雜裝備PHM技術應用推廣影響因素分析?

龐立偉 李 軻 佟怡鑠 劉 晶

（海軍工程大學 武漢 430033）

1 引言

故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）是視情維修理念的核心［1］。由于多方面影響，PHM技術在我國復雜裝備的研制、使用與維護等方面的發展仍處于初級階段，并未得到大規模推廣。我國目前已經進入武器裝備快速發展的階段，為確保復雜裝備充分發揮作戰效能和提高經濟可承受性，軍用飛機等復雜裝備給裝備維修工程帶來了更高的要求。在我國裝備快速發展的新形勢下，如何在裝備維修保障技術中有效應用和推廣PHM技術，是一個值得深入探討的問題。目前國內外PHM研究成果大多集中在PHM技術和應用上［2］，在PHM綜合分析方面特別是PHM技術推廣應用方面的分析挖掘力度不夠。因此有必要開展研究，分析國內外PHM應用推廣特點和差距，總結PHM工程推廣應用影響因素，提出有針對性的PHM應用推廣原則、思路和建議，可以為國內裝備的研制、生產與維護等應用提供指導，促進PHM技術的發展。

本文針對復雜裝備維修保障現狀和技術發展特點，提出了裝備PHM應用推廣影響因素體系，涵蓋技術、應用環境、認知、組織、經濟、實施等六個方面。在AHP法原理分析基礎上，開展了國內裝備PHM應用推廣影響因素調查結果分析，給出了PHM應用推廣影響因素權重分析結果，可用于指導后續PHM技術應用推廣工作。

2 基于系統工程的裝備PHM技術應用推廣影響因素體系

結合國外PHM技術應用推廣的成功經驗，以及對國內發展高技術裝備PHM技術應用推廣現狀的思考［3～4］，在系統工程方法論和軟件工程的思想指導下，給出了國內高技術裝備PHM技術成果轉化和應用推廣的系統運行過程和對應的影響因素如圖1所示。PHM技術產品的成果轉化與應用推廣的起點是PHM科技成果的研究開發，即PHM的系統功能、應用經驗以及產品技術能力等方面的工作；最終是通過PHM實施方面的舉措（如技術成熟度水平、系統轉化計劃編制等）來實現對PHM成果進行生產與銷售。PHM應用推廣組織架構在中間起著溝通連接兩者的橋梁作用。政府的政策標準引導、PHM的認知和重視程度與成果分享機制、相關機構的經濟支持等三類影響因素則貫穿整個轉化與應用過程始終，對研發方、應用推廣組織機構、企業等都有影響。PHM技術成果形成產品生產并投入市場以后的反饋又返回給研發方和企業，影響著PHM成果研究發展的方向。主要包括以下因素。

圖1 國內高技術裝備PHM技術應用推廣系統運行過程和對應的影響因素

2.1 技術影響因素

技術影響因素是PHM系統應用推廣的最基礎的影響因素，也是PHM系統應用推廣的前提。鑒于PHM系統概念本身出現的時間并不長，很多技術還沒有發展完善，仍處于發展之中，因此技術影響因素對PHM系統的應用推廣來說也是不斷發展完善的過程。主要包括：

1）PHM系統功能。不同領域的裝備差別較大，各自具有的PHM系統功能要求和技術成熟度也不完全相同，從而決定了現有的多領域裝備并不一定真正具備PHM功能。因此該因素是影響PHM系統成果轉化和應用推廣的重要前提。PHM系統功能主要偏重于PHM系統本身的功能、性能等［5～6］。例如：數據采集功能要求借助于各類檢測裝置，完成PHM所需基礎數據的采集，不但包括通過各類傳感器采集的在線數據，也包括通過定期點檢等獲得的離線數據，但對于有的不便采集測試的部件來說可能會有較大難度；數據處理要求采用各類數據處理算法，對采集的單個∕多個信號進行濾波去噪、特征提取、多信息融合等各類前處理，但是在嚴酷復雜環境下裝備振動∕壓力∕電磁等多源數據高精度高可靠傳感、復雜工況下基于時頻域綜合數據處理方法的微弱信號特征精確提取等關鍵技術尚未完全突破。這些都給PHM系統功能帶來不利影響，從而給PHM成果轉化和應用推廣帶來了較大難度。目前該方向影響因素主要是虛警率較高、功能不完善、模型精準度管理難、軟件兼容性差等。

2）PHM系統應用經驗。裝備PHM系統的本質也是一個裝備工程系統，因此與許多其他裝備系統相似，都經歷了理論研究、實驗室驗證、半實物仿真驗證、型號演示驗證和最后投入裝備定型生產等一系列過程，中間的過程會經歷過多次迭代甚至反復，因此在不同型號的裝備，甚至是同一類別裝備的不同階段的PHM系統的研發和應用過程中會形成很多經驗教訓，這些都是寶貴的財富，可以避免后續新型號研制和型號改進過程中PHM系統的研發走彎路。此外，軍用戰斗機、可重復載運工具（RLV）、軍用直升機、艦船等復雜裝備的PHM系統驗證試驗成本很高。例如，NASA的IVHM系統就在X-33、X-34、X-37等多型航天飛行器上進行過演示驗證。在X-33上驗證時，美國軍方開展了53次測試任務，收集了25G數據，對這些飛行數據進行了分析以驗證IVHM系統性能和功能。驗證結果表明，試驗集成和飛行測試表明了基于商用貨架的開放式體系結構的先進性［7～9］。如果在PHM系統研制和應用推廣時，能從以往型號裝備的研制試驗應用過程中吸取經驗教訓，無疑將會大有裨益。目前該方向影響因素主要是PHM系統應用成熟經驗較少、應用經驗交流不足等。

3）PHM產品技術能力。PHM產品技術能力是目前PHM研發和應用的核心技術的能力和差距分析，是當今最受關注的領域。主要包括傳感器、模型和算法、決策支持技術、數據挖掘以及狀態監測。目標是輔助實踐者識別具體的技術就緒水平、差距、合作機遇和路線圖。與其他影響因素相輔相成地使用將提高技術成功轉化到使用項目的機遇。例如，針對PHM產品的異常檢測技術能力，目前主要的關鍵技術包括基于數據驅動的關聯異常檢測技術、基于數據驅動與物理特性的聚集異常檢測技術、基于專家經驗模型與數據驅動結合的裝備多元異常檢測技術等，技術難點包括如何選擇有效的異常識別方法、漏診率和誤診率低的異常檢測、異常檢測結果可解釋性差等。針對PHM產品的故障診斷技術能力，主要的關鍵技術包括基于數據驅動的復合故障診斷技術、基于知識和數據驅動的故障傳遞因果鏈分析技術、基于信號特征參數提取的早期微弱故障診斷識別技術、基于數據驅動的間歇故障診斷技術等，技術難點包括復雜系統多故障因素耦合導致故障難以相互隔離、裝備早期故障信噪比低和提取技術難度大等。針對PHM產品的故障預測技術，主要的關鍵技術包括物理模型的構建和優化技術、基于物理模型的變工況條件下故障與壽命預測技術、基于有限數據資源的故障與壽命預測技術、基于數據驅動和模型的預測不確定性分析技術等，技術難點則包括提高故障預測準確度的有效方法、系統級故障預測、電子類對象故障預測等。上述PHM產品的技術能力都給PHM的研發和應用推廣帶來了很大的難度和挑戰［10～11］。目前該方向影響因素主要是傳感器技術，健康狀態評估方法，診斷方法，預測方法，決策推理方法，融合∕集成方法等。

4）PHM體系結構。想要構建PHM系統，系統的結構設計不可忽視，它是構建的基礎，降低PHM系統設計和開發的復雜度可以通過設計好的系統結構來完成，它還有利于各個功能的正常發揮。基于模型推理的系統結構、基于邏輯分層的系統結構以及基于區域管理器的系統結構是PHM系統結構中較為普及的三種形式。上述三種形式的設計思想是較為類似的，主要的不同點在它們適用的領域，在它們適用的領域里使用不同的方法和技術可以發揮更好的作用。為了方便統一，并且適合各類系統之間的交互作用，OSA-CBM已經作為PHM系統結構設計的行業標準，而且它已經被廣泛使用在其他領域。它是綜合了系統的共同設計的思想、應用技術以及方法的基于狀態維修的開放式體系結構。在體系結構設計技術方面，OSA-CBM已經成為事實上的航空、航天、艦船等領域復雜裝備PHM的體系框架，已得到了較為廣泛的認可。例如通用電子（GE）、霍尼韋爾等單位提出的PHM系統總體設計均借鑒了OSA-CBM提出的技術框架。在此方面更多的工作是需要根據不同裝備型號特點梳理裝備PHM需求，形成有針對性的不同型號裝備的PHM技術體系和系統體系架構。PHM體系結構包括必須掌握否則可能影響解決方案的各種體系結構，如若干機上和機下系統、分發、存儲和使用體系結構。體系結構的作用是為評估針對特定解決方案的現有的和缺少的體系結構部件提供一種通用和開放的基礎。主要目標包括識別機上和機下功能、確定健康狀態數據的存儲、分發和利用等。目前該方向影響因素主要是機上、機下、傳輸、軟件、分發、利用等PHM體系架構的具體內容。

5）PHM基礎設施能力。包括處理和存儲硬件、網絡、顯示器和便攜式維修輔助之類的保障設備和基礎數據條件及數據庫等。現有的基礎設施對數據采集、傳輸和吞吐量之類的參數有限制。需要考慮這些元素，以確保能夠實現與其他基礎設施技術元素的充分集成。基礎設施是一種系統化方法，它識別健康狀態數據和信息在整個企業內的存儲、交換或傳輸方面的能力差距和約束。基礎數據庫作為PHM基礎設施能力的重要組成部分，其構建是PHM技術成功推廣應用的關鍵環節。PHM技術的推廣應用很大程度上依賴于裝備的PHM數據庫基礎體系架構構建工作。國內裝備PHM研究的一個不足是目前很多單位只關注系統級PHM問題，注重數據應用，卻忽視數據來源與積累。由于研究零部件級的故障模式與機理需要投入大量的經費和試驗數據的長期積累，其中，只有部分單位重視零部件級、模塊級PHM問題，認真踏實地研究零部件級PHM問題，在許多關鍵零部件級的故障模式和機理還不明確，即沒有建立數據庫基礎體系和缺乏堅實的基礎的前提下，建立系統級PHM。目前該方向影響因素主要是基礎數據庫和數據管理保障、平臺接口與自主保障信息系統接口、地面站環境、試驗與集成工具、制造∕維修、ATE等。

6）PHM系統下一代能力。在以“工業4.0”為標志的互聯網+時代，隨著大數據和云計算等一系列關于智能制造和智能服務技術的發展及應用，復雜高技術裝備測試與控制的智能化水平得到顯著的提升，這就為PHM技術的推廣應用提供了有力保證。大數據、云平臺、人工智能等新興技術已經成為未來PHM技術發展的熱點領域。在裝備PHM系統研制和應用推廣中如何結合先進的下一代新信息技術是未來PHM發展的重點方向。以大數據為例，隨著傳感器設備和測控技術的發展，大型復雜裝備數據呈現出參數多、數據量大、參數類型多樣化等特點。傳統的數據計算和存儲方式難以滿足當前試驗要求，工業行業大型復雜裝備大數據處理的需求日益明顯。越來越多的工業企業已經慢慢從業務驅動向數據驅動轉變，深挖數據價值成為裝備試驗未來發展的新思路。基于大數據的分布式計算和分布式存儲能力已經成為提升未來大型復雜裝備試驗與測試能力、裝備健康管理與視情維修的重要基礎。我國在2017年發布的《大數據產業發展規劃（2016－2020年）》中明確提出，“通過大數據監控優化流水線作業，強化故障預測與健康管理，優化產品質量，降低能源消耗。提升經營管理大數據應用水平，提高人力、財務、生產制造、采購等關鍵經營環節業務集成水平，提升管理效率和決策水平，實現經營活動的智能化。推動客戶服務大數據深度應用，促進大數據在售前、售中、售后服務中的創新應用”。目前該方向影響因素主要如何是與下一代技術能力結合（如大數據、人工智能、云平臺、物聯網等）。

2.2 認知影響因素

該因素決定了解決PHM技術產品應用推廣認識問題。主要包括PHM系統認知和重視程度、PHM應用人員態度、PHM系統研發應用認識、成果分享機制等。

2.3 組織影響因素

該因素有助于幫助PHM技術應用推廣。通過PHM技術產品的應用推廣計劃方案和管理模式來開展PHM組織層面的工作，保障研制和應用工作有序進行。

2.4 應用環境影響因素

大環境方面，國家和企業的政策標準、法律法規等為PHM技術應用推廣提供引導支持；小環境方面，PHM系統是否得到真正的重視、發揮真正的作用，還與PHM系統總體單位、應用單位的PHM的使用水平、管理經驗等要素有關。

2.5 經濟影響因素

該因素包括費效、風險評估、資源、數據類別、驗證需求、指南、政策、采辦策略等，通過對性能相對于實現性能的關鍵主宰因素（費用、效益、權重、風險等）進行建模，評估使用目標、費用、效益和設計約束，對有效落實解決方案非常關鍵。

2.6 實施影響因素

該因素包括用戶對健康管理功能產生的數據的利用方式，可以用于確定轉化計劃。轉化計劃可能需要包括合格認證、培訓和持續保障需求。

2.7 總結

為避免影響因素個人喜好的主觀性問題，本文作者走訪了國內航天航空、艦船、車輛等相關領域的總體設計單位、應用單位、高校、研究機構等單位并進行了調研，在大量的文獻資料基礎上，按照各因素之間相互獨立且不具有相互依賴性提取出PHM技術推廣應用的影響因素，進行取舍和劃分，最終分類為技術、認知等6類因素，32種子因素。如表1所示。

表1 PHM技術推廣應用的影響因素總結

3 層次分析法原理

層 次 分 析 法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是一種將定性和定量有機的結合起來的決策方法，具有適用性、簡潔性、實用性等特點［12］。使用步驟如圖2所示，主要包括：

圖2 AHP使用步驟

1）首先，我們必須確定問題是什么，即模型的目標層。許多與問題相關的因素都需要經過篩選以及分類，并作為準則層。對于準則層下的因子，它被定義為子準則層。

2）構造判斷矩陣。為了比較這兩個因素的相對重要性，有必要建立耦合矩陣和這兩個因素之間的關系。兩個因素間的比值用1到9的標度表示，說明如下：1為同等重要；3為稍強；5為強；7為很強；9為絕對強；2，4，6，8為以上標度中間值；倒數值為aij=1∕aij。選取某一準則C，然后拿出被比較的元素 A1、A2、A3、……，假設有4個元素，則建立的判斷矩陣A。

3）層次單排序及其一致性檢驗。包括：（1）在構造判斷矩陣A后，計算A的最大特征值λmax，再運用特征方程AW=λmaxW，計算出特征向量W，然后對W做歸一化處理，這種方法就是層次單排序。判斷矩陣最大特征值和特征向量常用的計算方法包括和積法等。（2）平均隨機一致性指標R.I。（3）計算一致性比例C.R.（Consistency Ratio）。當C.R.<0.1時，一致性可以接受，當C.R.≥0.1時舍棄。當為一階、二階矩陣時，C.R.=0。

4）合成權重及一致性檢驗。若上一層次A包含n個元素：A1，A2，···，An；其層次總排序權值分別為a1，a2，···，an；處于下層的B有m個元素B1，B2，···，Bm，其相對元素Aj的層次排序權值分為b1j，b2j，···，bmj，則形成B層次排序權值。

4 裝備PHM應用推廣影響因素權重分析案例

4.1 應用推廣影響因素權重調查問卷設計

問卷是根據層次分析法（AHP）的形式設計的。確定在PHM應用推廣影響因素之間相對權重是此調查問卷的目的所在。對處于同一層次的影響因素重要性進行兩兩比較。測量量表分為五個等級9，7，5，3，1 的數值分別對應的是絕對重要、十分重要、比較重要、稍微重要、同樣重要。每層影響因素，都使用了兩兩對比表的打分，調查問卷中共有7個對比表需要打分。問卷調查的對象是PHM技術應用領域的相關工作人員，涉及到航空航天領域、艦船、交通等領域研究機構、企業及高校，基本涵蓋了PHM技術應用的各參與方，可以比較全面地反映現實情況。調查問卷以電子郵件、紙質等方式發放，共收到問卷60份，有效率為100%。

4.2 基于AHP的應用推廣影響因素權重具體分析

1）層次分析模型及構造。根據前面的分析結果，可以確定目標層為技術類因素、認知類因素、組織類因素、應用環境類因素、經濟類因素、實施類因素；指標層見最底層的32個因素。

2）構造判斷矩陣。建立目標層A：PHM應用推廣影響因素，準則層為B1技術因素、B2認知因素、B3組織因素、B4應用環境因素、B5經濟因素、B6實施因素，取調查問卷中的編號為1的數據作為示例，建立判斷矩陣，對其他組的數據做同樣處理，可建立B-C判斷矩陣，進行各因素兩兩比較。

3）層次單排序及其一致性檢驗。由于客觀事物的復雜性和主觀理解的差異，有必要測試收集到的數據的一致性并評估其可靠性。仍以上述調查表數為例，運用和積法計算出判斷矩陣A的最大特征值λmax=6.2154，及其對應的特征向量為W=［0.512，0.134，0.041，0.056，0.125，0.132］。將最大特征值代入計算公式：

查表得到R.I.=1.24。

4）一致性檢驗。計算 C.R.=C.I.∕R.I.=0.0347<0.1，通過一致性檢驗，同樣對其他組數據進行一致性檢驗，得到C.R.的值。

4.3 應用推廣影響因素權重分析結果

首先，對一致性檢驗合格的48份調查問卷的每個標度值進行平均值計算，Wi表示權重；然后形成表2所示的結果，即為構建的判斷矩陣。

表2 第一層影響因素判斷矩陣

對以上分析結果進行匯總，得出影響因素參數值。經過總排序及一致性檢驗，根據公式計算。C.R.=0.0064<0.1。通過一致性檢驗后，求各PHM應用推廣影響因素的權重排序圖形如圖3所示。

圖3 PHM技術應用推廣影響因素調查分析計算結果

經分析，PHM技術應用推廣影響因素調查分析計算結果與領域專家咨詢結果較為一致。后續在進行PHM技術應用推廣研究時可優選選擇上述排序結果開展工作。

5 結語

復雜裝備故障預測與健康管理是一項任重道遠的工作，也是一項裝備維修保障的系統工程。在復雜裝備維修保障工程中引入PHM理念，可以使復雜裝備的維修和維護任務分工更加明確，可顯著減少裝備災難性事故的發生，是適應新時期復雜裝備維修保障發展的重要技術。本文提出了基于AHP的PHM應用推廣影響因素體系和影響因素分析案例，希望能夠對PHM技術在裝備維修保障中的有效應用和推廣有所助益。