智能化(PHM)故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)前景[轉(zhuǎn)載]

故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）系統(tǒng)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)和裝備基于狀態(tài)的維修（CBM）、自主式保障、感知與響應(yīng)后勤等新思想、新方案的關(guān)鍵技術(shù)，受到美英等軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視和推廣應(yīng)用。PHM系統(tǒng)正在成為新一代的飛機(jī)、艦船和車輛等系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)重要組成部分。它包括兩層含義，一是故障預(yù)測(cè)，即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，確定部件正常工作的時(shí)間長(zhǎng)度；二是健康管理，即根據(jù)診斷/預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求對(duì)

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　　故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)武器裝備基于狀態(tài)的維修（CBM）、自主式保障、感知與響應(yīng)后勤等新思想、新方案的關(guān)鍵技術(shù)，受到美英等軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視和推廣應(yīng)用。PHM系統(tǒng)正在成為新一代的飛機(jī)、艦船和車輛等系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)重要組成部分。它包括兩層含義，一是故障預(yù)測(cè)，即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，確定部件正常工作的時(shí)間長(zhǎng)度；二是健康管理，即根據(jù)診斷/預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策的能力。實(shí)際上，PHM技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，比如核電站設(shè)備、制動(dòng)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置等。而將PHM技術(shù)應(yīng)用于電子產(chǎn)品則是近年來(lái)國(guó)外科技研發(fā)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。目前國(guó)外對(duì)電子產(chǎn)品PHM技術(shù)的研發(fā)主要集中于軍用電子產(chǎn)品，重點(diǎn)包括兩部分內(nèi)容：一是產(chǎn)品壽命周期原位監(jiān)測(cè)中的傳感系統(tǒng)與傳感技術(shù)，二是殘余壽命預(yù)測(cè)的故障診斷模型與算法。前者集中于開發(fā)無(wú)線微型傳感器，以取代尺寸較大且需要有線傳輸數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)傳感器。后者致力于探索各種不同類型的診斷模型與算法，為軍用電子產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)能力提供理論基礎(chǔ)。
　　國(guó)外參與PHM相關(guān)技術(shù)研發(fā)的單位非常廣泛，如美國(guó)國(guó)防部和三軍的有關(guān)機(jī)構(gòu)；NASA；波音、洛克希德·馬丁、格魯門、ARINC、霍尼韋爾、羅克韋爾、雷神、通用電氣、普惠、BAE系統(tǒng)公司、史密斯航宇公司、古德里奇公司和泰瑞達(dá)公司等跨國(guó)公司；康涅狄格大學(xué)、田納西大學(xué)、華盛頓大學(xué)、加州工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、佐治亞理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、馬里蘭大學(xué)等院校；智能自動(dòng)化公司、Impact技術(shù)公司、質(zhì)量技術(shù)系統(tǒng)公司（QSI）、Giordano自動(dòng)化公司等軟件公司；荷蘭PHM聯(lián)盟（DPC）、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）、美國(guó)國(guó)防工業(yè)協(xié)會(huì)（NDIA）系統(tǒng)工程委員會(huì)、美"聯(lián)合大學(xué)綜合診斷研究中心"、美測(cè)試與診斷聯(lián)盟（TDC）等協(xié)會(huì)和聯(lián)盟。其中，研發(fā)電子產(chǎn)品PHM技術(shù)的單位首推馬里蘭CALCE電子產(chǎn)品和系統(tǒng)中心，其水平處于地位。目前國(guó)外采用的電子產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)方法可以歸納為以下三類。
　　1、通過(guò)監(jiān)測(cè)失效征兆來(lái)預(yù)測(cè)故障
　　2、通過(guò)設(shè)置預(yù)警電路（Canary Devices）來(lái)預(yù)測(cè)故障
　　3、通過(guò)建立累積損傷模型來(lái)預(yù)測(cè)故障


　　除上述三種方法外，國(guó)外研發(fā)機(jī)構(gòu)也在努力探索使用新方法。比如，史密斯航宇集團(tuán)在飛機(jī)和直升機(jī)子系統(tǒng)中綜合利用奇異值分解、主成分分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性多元分析和異常狀況檢測(cè)；美國(guó)國(guó)家航空航天局在航天飛機(jī)中使用故障檢測(cè)算法（包括高斯混合模型、隱馬爾可夫模型、卡爾曼濾波、虛擬傳感器等）來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品異常狀態(tài)；范德比爾特大學(xué)在航宇產(chǎn)品中使用前饋信號(hào)（泰勒級(jí)數(shù)展開）來(lái)預(yù)測(cè)故障。


　　雖然國(guó)外研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)軍用電子產(chǎn)品PHM技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣，而且發(fā)展迅速，但就目前來(lái)看，電子產(chǎn)品PHM技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，少在以下方面面臨巨大挑戰(zhàn)。


　　1、殘余使用壽命預(yù)測(cè)中的不確定性
　　2、間歇失效的預(yù)測(cè)
　　3、 電子產(chǎn)品壽命周期數(shù)據(jù)的原位監(jiān)測(cè) 
　　4、對(duì)PHM技術(shù)投資回報(bào)率的評(píng)估
　　5、確定系統(tǒng)性能的門限值
　　6、建立電子產(chǎn)品的基于物理的損傷模型
　　7、PHM技術(shù)與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的集成


　　在電子產(chǎn)品中實(shí)施PHM技術(shù)的其中一個(gè)挑戰(zhàn)是將該技術(shù)集成到傳統(tǒng)電子產(chǎn)品中。傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品，盡管經(jīng)常表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)力差而且與現(xiàn)代產(chǎn)品的兼容性差，但由于其替代產(chǎn)品沒(méi)有研發(fā)出來(lái)，所以仍在使用。在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品中，比如老齡飛機(jī)的航電系統(tǒng)，失效模式與失效機(jī)理往往不清楚。另外，缺乏傳統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用專家，致使PHM算法中的故障預(yù)測(cè)建模不成熟和不充分。


　　將PHM技術(shù)集成到傳統(tǒng)系統(tǒng)中的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是，難于用兼容方式綜合各種技術(shù)。PHM系統(tǒng)包括傳感器、電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)和軟件，大部分是商業(yè)貨架產(chǎn)品（COTS）。這些商業(yè)貨架產(chǎn)品常常對(duì)操作環(huán)境、輸入?yún)?shù)和使用條件具有特殊要求。一個(gè)PHM系統(tǒng)在綜合到電子產(chǎn)品中時(shí)，需要首先克服與它自己子系統(tǒng)的集成障礙。


　　美國(guó)國(guó)防工業(yè)協(xié)會(huì)（NDIA）2006年4月13日公布了NDIA電子產(chǎn)品預(yù)測(cè)技術(shù)工作組終報(bào)告草案。該報(bào)告針對(duì)電子產(chǎn)品PHM技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀與問(wèn)題確定了四個(gè)領(lǐng)域的開發(fā)需求。這四項(xiàng)需求分別是：1）工具-預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具、技術(shù)評(píng)價(jià)工具、實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性分析工具以及維修過(guò)程集成工具等。2）電子預(yù)測(cè)技術(shù)-工作環(huán)境傳感器、器件操作體制傳感器、軟件預(yù)測(cè)等。3）模型-失效物理、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、維修過(guò)程評(píng)價(jià)、環(huán)境影響、電子預(yù)測(cè)對(duì)軟件系統(tǒng)級(jí)功能性能的影響等。4）硬件-用于工作環(huán)境和事件的檢測(cè)與記錄的硬件，以解決有用壽命的損失測(cè)量。PC板電子預(yù)測(cè)信號(hào)感應(yīng)、電纜和互聯(lián)故障檢測(cè)用的納米傳感器。


　　終報(bào)告草案后給出了電子產(chǎn)品預(yù)測(cè)技術(shù)實(shí)施路線圖計(jì)劃，即從上述具體系統(tǒng)開發(fā)需求出發(fā)，在四個(gè)基本領(lǐng)域（工具、預(yù)測(cè)技術(shù)、模型和硬件）實(shí)施大量廣泛的科研項(xiàng)目。這些電子預(yù)測(cè)開發(fā)項(xiàng)目時(shí)間范圍從2年到5年不等，研發(fā)內(nèi)容從基本的科學(xué)技術(shù)工作到終的驗(yàn)證與確認(rèn)。項(xiàng)目每個(gè)階段預(yù)期持續(xù)18-24個(gè)月。準(zhǔn)備進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)的技術(shù)取該時(shí)間范圍的下限，而處于科技開發(fā)水平的技術(shù)取該時(shí)間范圍的上限。該任務(wù)路線圖分階段實(shí)施，以適應(yīng)項(xiàng)目的互相關(guān)性。伴隨著電子預(yù)測(cè)部署能力的驗(yàn)證與確認(rèn)和螺旋式開發(fā)，該路線圖計(jì)劃準(zhǔn)備用8年左右時(shí)間完成。


　　在軍用電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用PHM技術(shù)已成為國(guó)外科技研發(fā)管理軟件系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外工業(yè)部門與國(guó)防部門對(duì)該技術(shù)的研發(fā)主要應(yīng)用于飛機(jī)/直升機(jī)、武器系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。國(guó)外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)PHM技術(shù)的研發(fā)主要集中于對(duì)電子產(chǎn)品正常性能偏離的檢測(cè)上。目前PHM技術(shù)研發(fā)的大障礙是對(duì)于殘余壽命周期預(yù)測(cè)的不確定性的評(píng)估，以及對(duì)電子產(chǎn)品間歇失效的檢測(cè)。因此，國(guó)外專家建議研發(fā)機(jī)構(gòu)將資金投入移向這些領(lǐng)域，以便盡快使PHM技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段。------[轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò)]