基于電子裝備的健康管理技術研究

李亞楠 陳露薇

摘要：電子裝備是信息化系統的重要組成部分為了提升信息化系統的可靠性和維修性需要應用先進的管理技術來對電子裝備進行故障預測和診斷維修文章通過總結以往裝備的問題、維修經驗結合健康管理理念提出了融合應用思路并予以實踐旨在降低裝備故障率增強維修時效性有助于指導裝備設計

關鍵詞：電子裝備故障預測健康管理故障樹狀態信息

中圖法分類號：TP391文獻標識碼：A

Research on health management technology based on electronic equipment

LI Yanan，CHEN Luwei

（The 15th Research Institute of China Electronics Technology Corporation，Beijing 100083，China）

Abstract：Electronic equipment is an important part of the information system. In order to improve the reliability and maintainability of the information system， it is necessary to apply advanced management technology to predict， diagnose and maintain electronic equipment. By summarizing the problems and maintenance experience of previous equipment， combined with the concept of health management， this paper puts forward the idea of integrated application and put it into practice， aiming to reduce the failure rate of equipment， enhance the timeliness of maintenance， and help guide equipment design.

Key words： electronic equipment， fault prediction， health management， fault tree， status information

1? 引言

現代系統中電子裝備越來越重要，在電子裝備逐漸向小型化、精密化、自動化方向發展的同時，其穩定工作是整個系統良好運行的基礎保障。實時監測電子裝備的運行情況、及時發現并解決節點故障、提前預測故障隱患顯得尤為重要，所以有必要在電子裝備中內嵌健康管理系統，實現對電子裝備的高效、自動檢測，從而提高電子裝備的使用效率[1]。

2? 健康管理的目的和意義

電子裝備的使用狀態通常分為五類，即正常、異常、性能下降、故障報警和功能失效。在電子裝備的全流程使用過程中，隨著老舊和損耗，電子裝備的健康狀態會經歷一個從正常階段到故障或功能失效的過程，即健康退化過程。如圖1 所示，電子狀態初始時都處于正常階段，工作狀態良好，性能穩定;隨著使用時間的增長一定會出現故障，經過維修后可恢復正常狀態繼續工作;再隨著時間推移還會出現“故障→維修→恢復→正常工作”如此往復循環;直到某一時刻或某一次，出現嚴重故障快速失效。不同的電子裝備表現的健康退化程度各不相同，但是總體而言都是量的積累到質的變化[2]。健康管理就是要在量的積累過程中找出失效隱患或故障隱患，延緩功能性能的降低，防止異常故障的出現，達到杜絕質變的目的。

以往針對電子裝備都采用“出了問題再解決問題”的形式，需要耗費大量的時間和人員精力[3] ，事后維修已無法滿足當前電子裝備的需求。將健康管理系統嵌入電子裝備中，在對電子裝備故障機理和故障規律進行充分研究和認識的基礎上[4] ，再結合智能化自學習功能通過實時或者近實時的健康監測，提前分析得出故障部位和故障時間，做到將故障消滅在“萌芽”狀態[5]。如圖2 所示，在電子裝備運行過程中，健康管理對故障機理和規律進行記錄并分析，以自動優化，從而延長正常工作時間。

健康管理的目的是在電子裝備正常時去發現其異常、性能下降、功能失效、故障等情況甚至是其趨勢或及早預見，有針對性地提出維護建議;良好的應用健康管理技術可有效延長電子裝備的使用壽命，提高健壯性，從而促進全系統“降本增效”。

3? 健康管理的范圍邊界

健康管理主要包括信息采集、狀態監測、數據分析、診斷評估、定位排故、異常預測等內容，如圖3 所示。在此基礎上能夠實現對電子裝備的機內測試和健康狀態監控功能的進一步擴展，實現基于狀態的維修和自主式保障[6]。

3.1? 信息采集

信息采集是健康管理實現的基礎之一，是數據、模型的重要來源，主要是通過傳感器獲取各節點的數據和相關參數，如電壓、電流、溫度、壓力、位移、角度、速度、資源消耗等。通過對數據和相關參數的提取分析，捕獲其主要特征，對比其生命曲線，預測未來狀態或故障，提高了電子裝備的性能。

3.2? 狀態監測

狀態監測也是健康管理實現的基礎之一，與信息采集的區別是開關量模式，通過設置提示、預警、告警、過載等門限值對比健康模型可以快速定位提示或報警。狀態監測可以說是對信息的粗判，也是自身健康模型的快速應用。

3.3? 數據分析

數據分析主要是引接信息采集獲取到的數據資源，經過濾波、去噪、降維、壓縮等處理后可形成融合資源池，在融合資源池中對數據進行記錄存儲、分門別類、整編挖掘，去粗取精、提取擬合、建庫建模。通過數據分析首先可以快速建立基本監測標準，從而形成狀態監測的依據法則;其次可以積累完善知識資源庫，便于了解和掌握運行過程中的每一個環節、每一個細節，繪制出全生命周期的動態曲線，為診斷和評估提供參考。

3.4? 診斷評估

診斷評估主要是通過智能學習建立健康模型，引導電子裝備朝著智能化、自主化、獨立化的發展方向。依據融合資源池的歷史運行數據描繪出其生命歷程，再結合專家診斷經驗、模糊非線性算法對其進行分析評估，找出其發展規律或構建運行圖譜，衍生出多方面測試模型、評價模型、故障模型等健康模型，便于檢測、判斷、定位和決策。通過健康模型可對裝備工作的未來走向進行預判，及早提示故障隱患，合理決策維護、維修的時機，建立主動預防機制，為操作指導和異常預測提供支撐。

3.5? 定位排故

定位排故主要是依據信息采集、狀態監測、數據分析、診斷評估等方式方法而發現問題、找到問題、指示問題、解決問題，定位排故通常最終需要人為操作更換，甚至有時在工作過程中就需要人機互動。定位排故更多的是針對已發生的故障事件進行反推，依據故障樹原理并結合自身的健康模型逐點排查、印證確認。健康管理的定位排故具有自動化、快速化的特點，能有效縮短故障定位時間、提高準確性，是突發性故障的有效解決辦法[7]。

3.6? 異常預測

異常預測是定位排故的升級，目的是在電子裝備正常運行狀態下對未來一定時間內的運行情況進行預測，及早發現漸進性故障隱患，適時采取人工干預措施，防止突發性故障的發生。異常預測是智能自學習的充分應用，利用歷史數據和以往的維護經驗持續跟蹤裝備運行;及時記錄當前數據并作為后續觀測依據，以實際數據來印證結果、修正預測參數，從而補充完善健康模型。

4? 健康管理在電子裝備中的應用研究

4.1? 電子裝備的通用模型

電子裝備的基礎是電子，裝備是形態。不同的電子組合應用形成不同的功能，可以總結為供電支撐、信息采集、信息存儲、控制處理、顯示交互、軟件定義等幾個方面，構建出其通用模型，如圖4 所示。

電子裝備發揮應有效能即正常工作，需要通用模型中的每一個環節協同并進，單點、多點出現問題或效能下降都有可能導致電子裝備整體效能下降或異常。常規做法是等設備實際表現出異常現象后再進行分析，通過故障樹思路順藤摸瓜分析出其問題根源所在，然后提出針對性的解決措施。

健康管理的意義就是提前將故障樹套用在通用模型上并自我完善增進，將工作原理與影響因素、隱患結果相結合，一方面有助于問題的快速排查與解決;另一方面有助于提高電子裝備使用的可靠性[8]。

4.2? 健康管理的嵌入應用

將健康管理系統嵌入電子裝備中，深入到各個細節，從而做到對整體設備的全面掌控。

設備中需要植入多個傳感器，借助傳感器更好地感知外部荷載，了解溫度、濕度、振動、壓力、電流、電壓等對設備安全使用的影響。

在電子裝備中設置預警元件，使得元器件與故障電子部件具有相同的失效原理和工作環境，并且加大其工作應力加速失效過程，達到提前失效發出預警的目的。

設備故障主要表現為電氣器件失效，會隨著時間的推移而增大概率[9] ，是一個近似浴盆曲線狀態，所以器件失效率是主導、決定因素。

嵌入各種傳感器、設置預警元件就是為了感知器件周圍的變化，也有助于定位其失效原因;將故障樹植入單片機中直觀、近距離的觀測、指導，等同于將 BIT 下沉，使電子裝備在底層實現了內置測試、狀態檢測、分析預警等功能;再開辟獨立自主的健康存儲區域，搭建底層專家庫、經驗值、矢量令等故障診斷指導，從而做到對整體設備的全面掌控。

5? 結束語

在電子裝備設計之初就將健康管理系統深度嵌入融合，能夠有效提升其應用的安全性、穩定性，降低裝備故障率、增強維修時效性，有助于指導日后工作。

參考文獻：

[1] 姚玉玲，高小紅，王恒，等.航空電子設備故障預測與健康管理（PHM） 技術淺談[C]∥探索創新交流—第六屆中國航空學會青年科技論壇文集（下冊） ，2014：592?597.

[2] 連光耀，呂曉明，黃考利，等.基于 PHM 的電子裝備故障預測系統實現關鍵技術研究[J].計算機測量與控制.2010， 18（9）：1959?1961.

[3] 王丁，諸雪征，王宇光，等.狀態信息在裝備維修中的應用研究[J].兵器裝備工程學報.2017，38（9）：31?35.

[4] 高楓.基于軍民一體化的裝備維修保障體系構建與評價研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[5] 梁津國，胡紅波.軍地一體化醫療衛生裝備維修保障模式的思考[J].中國醫療設備.2018，33（ 1）：163?166.

[6] 鄒小軍.軍地一體化裝備維修保障模式研究[ D].長沙：國防科學技術大學，2007.

[7] 王少凱，徐鵬翔，石鳳穩，等.軍民一體化裝備維修保障體系評價研究[J].價值工程.2015，34（23）：133?136.

[8] 王朝陽.信息化條件下戰場武器裝備保障研究[D].洛陽：解放軍信息工程大學，2006.

[9] 安剛.信息化戰爭條件下裝甲機械化部隊裝備保障模式與對策研究[ D].吉林：吉林大學，2011.

作者簡介：

李亞楠（1987—） ，碩士，工程師，研究方向：電氣工程與自動化。

陳露薇（1987—） ，碩士，工程師，研究方向：電子科學與技術。