工程裝備故障預測與健康管理技術研究

潘 凡，申金星，高亞明，楊小強

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

引言

工程裝備在國防工程建設、軍隊戰斗工程保障與國家現代化建設中起著非常重要的作用，一旦其發生故障或健康狀態嚴重惡化，則會嚴重影響保障效能和工作效率的發揮。由于工程裝備種類繁雜、功能各異，既有結構相對簡單的軍用工程機械，也有功能強大、原理結構復雜的布（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，各種裝備研制的風險越來越大、研制周期越來越長、研制費用越來越高，對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重的安全性、可靠性等方面的后果，滿足縮短裝備停機時間、降低裝備維修費用、提高裝備保障效率的需求，迫切需要更新裝備保障理念、創新裝備保障技術、優化裝備保障手段，實現裝備保障的預防維修和預測維修，以適應裝備技術的發展和體系化作戰使用要求。

1 工程裝備故障預測的特點

故障預測是依據裝備自身運行特性、零部件材料及受力特性、裝備作業環境等各種內外因素，估計裝備出現故障的種類、時間、機率和部位等屬性的理論和技術手段。故障預測的準確性是建立在合理、科學的物理、數學及其他模型的基礎上的[3]。為提高工程裝備的預測信息和維修保障措施的準確合理，必須對工程裝備故障的各種影響因素，包括運行環境、組成結構、工作原理、故障特點、故障分類等進行全面深入的分析研究，切實掌握故障預測所面臨的理論和技術難點。

1.1 工程裝備故障發生的特點

工程裝備組成結構復雜，大多是由相互關聯、相互作用和相互制約的多個子系統所組成有機整體。工程裝備的作業環境通常比較惡劣，其故障的發生發展與通用機械設備相比有一些明顯的不同。

1.1.1 故障的潛在性

一般而言，所有設備的故障依據時間的變化狀態均可分為突發和漸變兩種狀態。對于那些發生前奏不明顯的突發性，其預測難度較大也不易于監控。但是對于工程裝備而言，大多數據故障屬于后者，故障的發生發展過程多為漸變性的，故障模式具有明顯的潛在特性。如旋轉部件的磨損、密封元器件和絕緣器件的老化、傳動件的疲勞、發動機氣門彈簧和繼電器中的彈性構件的彈性減弱等故障模式，其發生發展的過程是一個長期的演變過程，也即是潛在的而非瞬態。對于這種漸進性的潛在故障，可以通過連續監控的方法實現故障的預測和報警[4-5]。

1.1.2 層次性

工程裝備是一個復雜的多層次系統，這就決定了其故障的層次性，按結構可劃分為系統、子系統、部件和零部件等多個層次。所有故障都與裝備的某個或某幾個層次具有相關性。居于低層級的故障會導致高層次故障的產生，因而故障的這種由低層到高層逐級發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測模型的構建。

1.1.3 傳播性

故障的層次性表明，工程裝備的許多故障經常是由于與之相關的故障或下一級故障的傳播所致，表現在兩個方面：橫向傳播和縱向傳播。橫向傳播是故障在同一層次內的互相影響。縱向傳播是指故障從低層次向高層次的擴展，從零部件到總成和整機的縱向傳播。

1.2 工程裝備故障預測的特點與分類

工程裝備故障預測著眼于未來某一時間點上零部件、系統或整機的失效與故障判定，而故障診斷則著眼于當前狀態零部件或總成的失效狀態的判定。相對而言，故障診斷的執行難度較小，工作人員或診斷系統通過采集狀態的運行狀態參數，通過數據比對或其他處理算法，判斷狀態參數是否在合理的閾值范圍內，如未超出閾值，則可判定為狀態處于正常狀態，而當參數值超出閾值范圍，則可斷定裝備或系統發生了故障。所以故障診斷結果更利于裝備的定期維修或事后維修，在實踐中可能導致維修過度和欠維修等問題。而故障預測著眼于裝備的未來健康狀態，為裝備的維修提供了準備時間，便于裝備維修器材、維修人員、維修地點等各種資源的預先規劃和決策。但是，故障預測無論從理論還是技術上難度都比較大，具體表現為以下幾點：

1）故障預測的功能較多，如可實現工程裝備的實時狀態監控、故障參數的檢測、元器件或系統的失效預報、裝備關鍵器件或總成的剩余壽命的分析和預測預報；

2）故障預測屬于典型的交叉學科產物，預測流程包括多個環節，如異常參數檢測、故障特征提取、裝備健康狀況檢測、故障診斷和剩余壽命的預測等；

3）故障預測的應用領域非常廣泛，其來源于軍事裝備領域，但目前已經擴展到了公（鐵）路橋梁、透平機組、高速車輛、風力發電等眾多領域；

4）在技術的傳承上，故障預測是傳統的故障診斷技術的創新、擴展與提高，著眼于裝備運行狀態的提前監測、全程監測、綜合評判，跟蹤運行狀態的變化，實時監控裝備的健康狀態，進行裝備的狀態維修；

5）在應用效果上，故障預測可以提高系統的安全性、任務的可靠性，增加系統的完好性，降低系統的全壽命周期費用。

2 基于故障預測的某型裝備健康管理系統的設計

2.1 總體結構

某裝備故障預測與健康管理系統如圖1所示。系統由數據采集模塊、信號接口模塊、數據分析模塊、診斷預測模塊和健康管理模塊等組成。數據采集模塊與原車的電控系統集成在一起，輔之以另外安裝的擴展傳感器等，可對裝備電控與液壓系統的關鍵動態參數進行調理采集；信號接口模塊負責信號的放大、變換、濾波和歸一化等處理，對模塊信號進行模數轉換，然后將數據送入后邊的主要功能模塊中，進行故障檢測、故障狀態預測、裝備剩余壽命預測、趨勢分析等處理，并通過人機交互裝置顯示裝備的健康狀態和預測結果。系統設置有數據輸出接口，供離線分析儀器對數據做進一步的分析處理。

圖1 工程裝備故障預測與健康管理系統總體結構

2.2 硬件系統的設計

系統硬件基本結構如圖2所示，主要包括數據感知單元、信號接口單元和分析處理單元三個部分。其中數據感知單元是指各種工況參數采集用傳感器及其調理部分，如推橋馬達計數傳感器、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行中的過程參數。信號接口單元主要與便攜式工控機配合，為數據感知單元中的傳感器提供電源激勵信號、接收傳感器的模擬與數字信號、轉換和處理前端信號等。分析處理單元包括底層驅動部分、數據庫和健康管理應用程序等，用于對獲取的工程裝備運行信息進行分析處理，進行工程裝備的故障診斷、趨勢分析、故障預測和健康管理。

圖2 故障預測與健康管理系統硬件結構

2.3 軟件系統設計

軟件平臺采用虛擬儀器開發平臺LabWindow/CVI，編程語言為C語言。數據庫開發平臺為Microsoft Access。

故障預測與健康管理軟件系統由狀態檢測模塊、故障檢測與模式識別模塊、故障趨勢與剩余壽命預測模塊、用戶接口模塊、信號回放與特征選擇模塊、數據接口、用戶接口、輔助模塊和數據庫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系如下頁圖3所示。

圖3 軟件各模塊間的相互關系

數據庫是軟件各功能模塊的基礎，其為其他各個模塊提供動態測試數據、靜態標準數據并存儲各模塊的中間數據和結果數據。數據庫管理軟件通過用戶接口等對數據庫進行管理，編輯或修改數據庫內容。狀態檢測模塊通過用戶接口接受控制，提供自動和人工觸發控制兩種運行模式，完成狀態參數采集與處理、特征參數計算分析等操作，并將結果輸出至故障診斷與模式識別模塊。信號回放與特征選擇模塊根據數據庫中存儲動態數據、仿真數據和特征集推理運算得出故障預測特征向量與權值向量等結果，再輸出至故障趨勢與使用壽命預測模塊，由后者完成故障預測，并經輔助模塊處理后進行健康狀態的管理和用戶交互、報警提示等操作。

3 結語

為了解決工程裝備維修與管理中存在的故障檢測、診斷與預測和健康狀態評估的問題，本文論述了工程裝備健康管理系統的基本結構與開發流程。系統基于便攜式工控機開發，具有故障預測、剩余壽命預測、信號回放、健康管理等功能，可為工程裝備維修過程中的參數測試、故障診斷分析、故障預測與維修管理提供幫助。系統的體系結構設計涵蓋了零部件到液壓、電控等系統各個級別的故障檢測、診斷預測和健康評估與管理等功能，具有較高的工程應用價值。