故障預測與健康管理體系結構綜述

丁秋月 和堯 董超

摘要：隨著裝備系統復雜化、綜合化、智能化、自動化、精密化的不斷發展提高，其可靠性、維修性、測試保障性、安全性以及全壽命周期管理的問題越來越受到重視，傳統的事后故障維修診斷不利于裝備的維修和后勤保障，因而故障預測與健康管理（PHM）技術應用而生。本文闡述PHM系統框架，明確不同PHM體系下的工作流程，實例分析了PHM體系結構的應用，最后歸納總結出實現PHM的關鍵技術。

關鍵詞：故障預測與健康管理;PHM系統框架;PHM關鍵技術

Keywords：prognostics and health management;PHM system framework;PHM key technology

0引言

現代裝備設計采用更多的新材料、新技術、新工藝、新結構，用以減輕裝備重量、滿足極限載荷、實現復雜功能等要求，是科學技術、裝備效率、后勤保障能力的大比拼。面對新裝備，其后勤維修保障尤為重要。早期裝備采用傳統的基于浴盆曲線故障模型的定期全面翻修為主的預防維修思想，這種通過按使用時間進行的預防性維修工作，工作量大、周期長，不能充分發揮裝備的使用效能，難以適應復雜系統裝備的維修保障要求，同時維修耗時費力還成本高。視情維修在軍用裝備中的成功應用，使之逐漸向民用裝備發展，其所具備的預測故障發生和對健康狀態的管理催生了故障預測與健康管理（PHM）技術的產生。PHM是美國針對自身龐大而先進的裝備提出的一種先進維修保障技術，可實現對裝備的狀態監控、故障綜合診斷、故障預測、健康管理和壽命預測等[1]。

本文闡述標準PHM技術系統框架，給出基于不同類型裝備可選實施的3種PHM系統結構，最后給出裝備設計實例應用，并論述了PHM的關鍵技術。

1 PHM系統框架

1.1 PHM體系的標準結構

視情維修開放體系結構（Open System Architecture for Condition-Based Maintenance，OSA-CBM）最為典型[2]，是綜合了不同類型的PHM系統設計而來的，如直升機健康與使用監測系統（Health and Usage Monitoring System，HUMS）、海軍綜合狀態評估系統（In- tegrated Condition Assessment System，ICAS）、飛機狀態監測系統（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）、發動機監測系統（Engine Monitoring System，EMS）、航天器集成健康管理系統（Integrated Vehicle Health Management System，IVHMS）、綜合診斷預測系統（Integrated Diagnostics and Prognostics System，IDPS）等，如圖1所示。

OSA-CBM體系結構由美國波音公司設計總結發起，匯集了工業制造、商業制造、軍事、傳感器技術、數據處理技術、計算機技術及科研研究院等眾多組織機構聯合研究討論制定，該體系結構現已在美軍軍民領域的各種現代裝備上進行了初步的應用和相關的驗證。

OSA-CBM體系結構由數據采集和傳輸、數據處理、狀態監測、健康評估、故障預測、自動推理決策及接口等7個部分組成。

1）數據采集與傳輸。采用光纖傳感器、微機電系統、智能傳感器等先進的傳感器技術，進行收集表征裝備的機械、電子、電氣和液壓部件的狀態信息，作為PHM系統的數據基礎，并進行相應的D/A或A/D轉換后實施傳輸。

2）數據處理。對傳感器采集和輸送來的基礎數據進行處理，包括：由于監測數據失真而進行的數據清理和恢復技術，為找出數據的變化規律和發展趨勢的數據分析技術，為辨別裝備故障模式的特征提取技術，為進行裝備健康狀態評估和故障預測的數據挖掘技術等。

3）狀態監測。接受傳感器、數據處理和其他監測模塊的數據，通過與標準設定的失效判據進行比較，實現狀態監控，同時發出相應的報警或警告信息。

4）健康評估。依據狀態監測的情況和其他信息進行系統健康評估，在形成故障診斷記錄的同時確定故障發生的可能性以及時間趨勢。

5）故障預測。利用前述處理的數據進行狀態評估、故障預測、剩余壽命預測等。

6）自動推理決策。通過系統自身的計算分析功能，給出更換部件、維護等保障活動的建議和方法措施。

7）接口。實現人—機、機—機之間的數據交流，最重要的是實現人機對話，保證數據信息傳遞的準確和高效。

1.2 PHM系統體系結構類型及選擇

PHM系統體系結構描述其構成要素及其相互之間的關系，該系統結構不僅影響系統自身的復雜性，而且決定其行為特性與功能實現特性。建立某個裝備的PHM系統結構時，依據裝備的結構和功能復雜情況進行選擇，不同類型裝備的PHM系統結構也會不同。主要有3種類型：集中式體系結構、分布式體系結構和分層融合式體系結構[3-5]。

1）集中式體系結構

集中式體系結構中的中央故障管理控制器完成全權限的數據處理、故障預測和健康管理等任務。該體系結構的設計原理是裝備的部件工作狀態參數由傳感器傳輸至中央故障管理控制器進行處理和分析，最終得出裝備的狀態情況和維修決策，如圖2所示。

集中式體系結構的系統簡單，信息傳輸路徑明確，但要求中央故障管理控制器的功能強大，能夠對傳感器探測到的各種信息進行融合和數據分析處理，最終形成決策，因而該體系結構適用于裝備系統不復雜、簡單小型的組成結構。

2）分布式體系結構

分布式體系結構中各子系統擁有各自獨立的故障管理控制器，各子系統故障管理控制器接收本系統的部件傳感信息，獨立完成預測與健康管理任務，最終進行綜合顯示，如圖3所示。

分布式體系結構中各子系統的運行模式相當于一個獨立的集中式體系結構，該體系結構應用在裝備系統繁多但系統功能可明顯區別的場合，從而可以實現分類處理而最終融合顯示。然而最終決策缺乏系統級的綜合，其形成的維修決策缺乏直接實際意義，僅有助于維護參考。

3）分層融合式體系結構

分層融合式體系結構是集中式體系結構和分布式體系結構的綜合，基礎信息由傳感器傳入相對應的功能模塊下的故障管理控制器進行預先處理，形成處理后的重要信息流，傳輸至裝備綜合故障管理控制器進行全局診斷和分析，最終形成基于裝備各系統狀態的綜合診斷信息和維修決策信息顯示，如圖4所示。

分層融合式體系結構的建立針對的是現代裝備大型復雜的機電系統，由于系統間關系聯系緊密無法區別開來，故障發生的原因由多重系統原因造成，某種情況下虛假的警告也會產生干擾。因而，對全局信息的綜合分析處理就尤為重要，通過預先的數據處理，剔除不重要的信息，將關鍵重要信息傳遞給綜合故障管理控制器，不僅可提高效率，還使故障診斷和維修決策更為準確和具有實際指導意義。

4）PHM系統體系結構類型的選擇

PHM系統結構形式的選擇受多種因素影響，可根據應用目的性原則、裝備適用性原則、運行保障高效性原則，結合使用環境、裝備結構特點和應用目的等綜合信息進行選擇。一般而言，對于一次性工作、小型、結構簡單的裝備，由于PHM主要用于狀態評估以判斷是否可用，可選用集中式體系結構;對于斷續工作、大型、結構復雜，要求PHM為其進行故障預測進而幫助選擇維修時機的裝備，可選用分布式體系結構;對于大型、結構復雜且要求持續工作的裝備，因為要對裝備實行狀態監測以避免事故的發生，所以分布融合式體系結構更為適合。無論選擇何種形式，都應盡量選擇技術成就高、經濟性好且對軟硬件要求低的結構形式。

2 PHM系統設計實例

2.1 典型先進航空發動機的PHM系統設計

航空發動機的使用可靠性要求高、維修保障性差、維護成本高，傳統的機械控制或機械液壓控制發動機技術以及經驗型的預防為主的維修方式不利于充分使用航空發動機的效能，PHM技術的引入，極大地提高了航空發動機的使用可靠性和安全性，使得維修方式從定時維修轉向視情維修為主，同時進行狀態監控[6]。

F135渦輪風扇發動機是美國普惠公司為F-35飛機設計的，采用PHM系統，具備最先進的智能狀態監視、故障診斷、壽命預測能力，如圖5所示。

受制于當時電子計算機技術的發展水平，傳統的燃氣渦輪發動機幾乎沒有發動機監測手段，故障診斷和壽命預測幾乎都是依靠有經驗的工程師來進行，發動機的控制采用機械或機械液壓控制技術，這些方式都不利于發動機發揮其綜合使用效能。隨著傳感技術、數據處理技術、計算機技術、電子技術等的不斷完善和進步，先進航空發動機逐漸引入這些新興科技成果，如全權限數字電子控制（FADEC）技術，基于智能計算機的發動機控制系統通過傳感器感受飛行員的操縱指令和發動機參數（空氣流量、轉速、溫度、壓力等）及外界參數，并將所有信息轉換成數字電信號，傳遞給FADEC中央處理計算機進行綜合數據處理，計算機經數模轉換后給出控制指令，操縱伺服作動器或電靜液作動器控制發動機。同時，該系統還可監測控制系統的輸入、輸出及計算機自身的工作狀態，當檢測到控制系統的任何異常后，會根據具體情況選擇最為合適的控制方式，使發動機在失效安全模式下工作，同時將所監測到的異常信息存儲在自身的存儲器（CMDR）中，或將信息發送至飛機駕駛艙儀表板進行告警，機組可以根據告警信息采取相應的措施，飛機返回地面后，維修人員可提取存儲的故障數據用于排故。

F-135的PHM系統設計可以滿足對發動機進行全權限數字電子控制的需要，精確的燃油調節控制降低了油耗消耗率，節約了成本，電子計算機的自動監控告警功能減輕了飛行員的駕駛負擔，同時，該型發動機可進行發動機綜合診斷，不僅有利于維修人員快速精準地進行維修，而且有助于發揮飛機的綜合效能，所具有的發動機壽命預測功能極大地提高了發動機壽命的預測精度，不僅有助于及時發現故障征兆，而且最大程度降低了飛機發生事故的概率，減少了人員傷亡和財產損失。

2.2 先進直升機機電系統PHM系統設計

直升機機電系統PHM系統設計采用分層融合式結構，同時利用智能推理技術，綜合多種類型的推理機軟件，從復雜的直升機機電系統部件一步步的綜合應用到故障預測與健康管理，實現了視情維修，該系統可實現故障預測和告警的實時監控，對故障發生后的修正措施實施閉環管理，直至故障徹底解決達到系統設計的安全模式，如圖6所示。直升機機電平臺PHM系統將給出直升機維護的決策建議，指導地面維護人員進行視情維修，幫助直升機營運人降低成本，有利地保證了直升機工作的安全和效率，有利于發揮直升機應具有的工作效能[7]。

3 PHM技術的關鍵

PHM系統一般需要四個關鍵功能組成要素：狀態監控、故障診斷、故障預測、健康管理，如圖7所示。四個要素缺一不可，通過狀態監控，了解當前環境和工作條件下裝備的狀態并明確事故征候和異常;機載軟硬件進行分析和計算，得出故障診斷;通過對征候的分析，進而理解其原因和活動過程，通過預置于計算機軟件中的預測模型方法進行故障預測;確定故障起因、故障位置和發生時間，指導實施裝備的健康管理，解決后繼續監測，以評估實施效果而改進系統，完善PHM系統設計，使之更加有效和成熟。

現代裝備逐漸進行輕量化設計，為了取代傳統的高密度、低強度材料，復合材料的使用極大地促進和發揮了裝備的使用效能。面對新型材料的失效，傳統的傳感器設計將無法達成探測目的，即傳感器的設計需要隨著材料的變化而不斷改進。如何設計傳感器采集數據、采集什么數據來反饋裝備故障壽命情況，又是一個很大的挑戰，需要在實踐中經過不斷地積累和總結。計算機處理的數據內容將更加復雜，從基礎元件或部件系統的傳感器信息監測、提取、傳遞到數據集成的分析和綜合診斷，只有每一個過程的實現和正確完成才能得到正確可靠的結論，如何從眾多的數據信息中提取出有利于故障預測和健康管理的關鍵數據，就是PHM實現的關鍵技術。

4 結束語

PHM技術功能的實現由最初的數據采集，經過逐步傳遞信息流，到各個部分完成相關功能并傳遞下去，每一個部分都是開放的，不僅便于維護安裝，同時模塊化的開放設計便于集成當今各個領域的先進技術成果，使得系統的整體性能更加優越，同時還便于用戶使用和管理。該體系結構最主要的作用是實現了裝備的視情維修，較傳統的定期檢修而言，不僅大大降低了維修的人力和成本，同時還有利于提早發現裝備的故障，這一功能正是當前復雜裝備的保障所需。

隨著信息技術的不斷進步，越來越多的裝備將采用PHM技術進行全壽命周期的管理，進行故障預測和健康管理將極大地減少維護成本，保證裝備的安全運行。

參考文獻

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[7] 郭震中，黃偉華，姚有文，陸志肖.直升機機電綜合管理系統發展趨勢及關鍵技術分析[J].直升機技術，2011，（03）：63-68.

作者簡介

丁秋月，工程師，研究方向為安全科學理論及技術等。

和堯，工程師，研究方向為安全科學理論及技術等

董超，碩士研究生，主要從事民用航空器維修和安全管理工作。