目錄

1、PHM的基本概念

2、國外PHM技術(shù)發(fā)展情況

3、國內(nèi)PHM技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

4、國內(nèi)外PHM技術(shù)差距分析

5、PHM發(fā)展與應(yīng)用建議

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1、PHM的基本概念

故障預(yù)測與健康管理PHM（Prognostics Health Management）為了滿足自主保障、自主診斷的要求提出來的，是基于狀態(tài)的維修CBM (視情維修，condition based maintenance)的升級發(fā)展。它強(qiáng)調(diào)資產(chǎn)設(shè)備管理中的狀態(tài)感知，監(jiān)控設(shè)備健康狀況、故障頻發(fā)區(qū)域與周期，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，預(yù)測故障的發(fā)生，從而大幅度提高運(yùn)維效率。

PHM早期應(yīng)用主要集中于航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，例如GE的F404發(fā)動機(jī)、PW的F117發(fā)動機(jī)等等。讓它聲名顯赫的時期，是在F35聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目的智能后勤信息系統(tǒng)ALIS，該系統(tǒng)囊括了飛機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、健康評估、故障預(yù)測、維修計(jì)劃、后勤保障等若干功能。在F35之前的PHM，只是測試、監(jiān)控，或者是健康管理，都不是真正意義的PHM。F35戰(zhàn)機(jī)是第一個真正有故障預(yù)測概念的，才能稱得上PHM。

PHM最早可以源自70年代， 早在1982年F-18大黃蜂機(jī)隊(duì)F404發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)，用于大黃蜂戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動機(jī)的監(jiān)測。那時候，似乎沒有故障預(yù)測功能，也沒有著重于大數(shù)據(jù)分析，或是沒有凸顯出大數(shù)據(jù)分析能力。這其實(shí)不屬于真正的飛機(jī)PHM。當(dāng)時只有剩余壽命評估、操作極限監(jiān)控、傳感器失效檢測、熄火檢測、著陸推力評估、飛行員啟動記錄等，缺失了故障預(yù)測功能。?[1]?

早期資料上的PHM都很少涉及故障預(yù)測，盡管F22已經(jīng)有了類似的設(shè)備與系統(tǒng)，但是F22的PHM應(yīng)該還屬于狀態(tài)監(jiān)測范圍。F22在飛行時傳輸部分?jǐn)?shù)據(jù)，落地后采集全部數(shù)據(jù)。可以通過維修輔助計(jì)算機(jī)插入接口，發(fā)送激勵信號采集重點(diǎn)部件測試數(shù)據(jù)，在當(dāng)時已經(jīng)很先進(jìn)了。但是似乎還處于基于狀態(tài)監(jiān)測的健康管理水平，不能稱之為預(yù)測健康管理(PHM)。

隨著現(xiàn)代武器裝備復(fù)雜性、綜合化、智能化程度的不斷提高，為了以更經(jīng)濟(jì)有效的方式滿足信息化戰(zhàn)爭對武器裝備作戰(zhàn)效能和快捷、精確、持續(xù)保障的要求，20世紀(jì)90年代中期，PHM（故障預(yù)測與健康管理）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，隨即得到了美英等軍事強(qiáng)國的高度重視。

PHM技術(shù)是指釆用傳感器信息、專家知識及維修保障信息，借助各種智能算法與推理模型實(shí)現(xiàn)武器裝備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、預(yù)測、判別以及管理，實(shí)現(xiàn)低虛警率的故障檢測與隔離，并最終實(shí)現(xiàn)智能任務(wù)規(guī)劃及基于設(shè)備狀態(tài)（歷史、當(dāng)前及未來狀態(tài)）的智能維護(hù)，以取代傳統(tǒng)基于事件的事后維修或基于時間的定期檢修。當(dāng)前，PHM技術(shù)已成為現(xiàn)代武器裝備實(shí)現(xiàn)自主式后勤（automatic logistics, AL）和降低全壽命周期費(fèi)用的關(guān)鍵核心技術(shù)。

PHM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了武器裝備管理方法從健康監(jiān)測向健康管理（容錯控制與余度管理、自愈調(diào)控、智能維修輔助決策、智能任務(wù)規(guī)劃等）的轉(zhuǎn)變，從對當(dāng)前健康狀態(tài)的故障檢測與診斷轉(zhuǎn)向?qū)ξ磥斫】禒顟B(tài)的預(yù)測，從被動性的反應(yīng)性維修活動轉(zhuǎn)向主動性、先導(dǎo)性的維修活動，從而實(shí)現(xiàn)在準(zhǔn)確的時間對準(zhǔn)確的部位釆取準(zhǔn)確的維修活動。PHM技術(shù)的主要功能如圖1所示，主要包括關(guān)鍵系統(tǒng)/部件的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控（傳感器監(jiān)測參數(shù)與性能指標(biāo)等參數(shù)的監(jiān)測）、故障判別（故障檢測與隔離）、健康預(yù)測（包括性能趨勢、使用壽命及故障的預(yù)測）、輔助決策（包括維修與任務(wù)的輔助決策）和資源管理（包括備品備件、保障設(shè)備等維修保障資源管理）、信息應(yīng)需傳輸（包括故障選擇性報告、信息壓縮傳輸?shù)?#xff09;與管理等方面。

2、國外PHM技術(shù)發(fā)展情況

1、發(fā)展概況

隨著系統(tǒng)和設(shè)備復(fù)雜性的增加以及信息技術(shù)的發(fā)展，國外PHM技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了外部測試，機(jī)內(nèi)測試（BIT, Built-in Test）、智能BIT、綜合診斷、PHM共5個階段。于此同時，維修決策技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了事后維修、周期預(yù)防性維護(hù)、狀態(tài)維護(hù)（CBM, condition based maintenance）、智能維護(hù)（在CEM的基礎(chǔ)上，更多考慮設(shè)備未來的健康狀態(tài)）。PHM技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用層次上，從過去的部件與分系統(tǒng)級，發(fā)展到覆蓋整個平臺各個主要分系統(tǒng)的系統(tǒng)集成級；PHM技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用層面上，從電子產(chǎn)品擴(kuò)展至機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)、機(jī)電產(chǎn)品等領(lǐng)域。通過逐步完善，PHM目前已形成了包含精簡化、智能化、同步化、標(biāo)準(zhǔn)化、持續(xù)化的技術(shù)方法體系，制定了包含數(shù)據(jù)釆集與傳輸、數(shù)據(jù)處理（狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、預(yù)測診斷）、決策支持、綜合信息管理功能的技術(shù)結(jié)構(gòu)，并形成了相對完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以及技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用與技術(shù)集成機(jī)制。

目前，PHM技術(shù)已經(jīng)得到美英等軍事強(qiáng)國的深度研究與推廣應(yīng)用，并正在成為新一代飛機(jī)、艦船和車輛等武器裝備研制階段與使用階段的重要組成部分。代表性的PHM相關(guān)系統(tǒng)包括：F—35飛機(jī)PHM系統(tǒng)、直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）、波音公司的飛機(jī)狀態(tài)管理系統(tǒng)（AHM）、NASA飛行器綜合健康管理（IVHM）、美國海軍綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）以及預(yù)測增強(qiáng)診斷系統(tǒng)（PEDS）。

2、應(yīng)用成效

在PHM解讀（一）中也提到，歐美各國的PHM技術(shù)應(yīng)用范圍覆蓋各類先進(jìn)武器裝備，而且數(shù)量眾多。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)充分證明了PHM在降低維修保障成本，提高武器裝備安全性、可用度與完好性，確保任務(wù)成功性，提升作戰(zhàn)效能方面的重要作用。

3、PHM驗(yàn)證評價

驗(yàn)證評價是確認(rèn)PHM設(shè)計(jì)結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而對設(shè)計(jì)完善和改進(jìn)提出反饋的重要手段，是PHM設(shè)計(jì)開發(fā)、成熟化及部署應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。美國已公開的PHM驗(yàn)證系統(tǒng)如表2所示。

國外PHM驗(yàn)證評價系統(tǒng)特點(diǎn)及趨勢如下：

1） 豐富的故障數(shù)據(jù)庫：包含仿真故障注入數(shù)據(jù)、試驗(yàn)臺故障注入數(shù)據(jù)、武器裝備測試數(shù)據(jù)及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)等。半實(shí)物仿真以及全數(shù)字仿真是未來發(fā)展趨勢。

2） 針對PHM全流程：從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輔助決策及信息管理等多個層次，對傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、故障診斷與預(yù)測算法模型、推理模型、輔助決策模型等功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證。

3） 可模擬用戶操作，實(shí)現(xiàn)人在回路的測試。

4） 標(biāo)準(zhǔn)化、可配置的驗(yàn)證評價指標(biāo)體系；評價指標(biāo)覆蓋面廣，包括誤差、穩(wěn)定性、重復(fù)性、可靠性、不確定性等方面。

5） 端到端測試環(huán)境，驗(yàn)證過程可跟蹤復(fù)現(xiàn)。

6） 分布式、網(wǎng)絡(luò)化的開發(fā)式軟硬件架構(gòu)，符合OSA—CBM的通用PHM服務(wù)接口，多地理位置供應(yīng)商PHM聯(lián)合驗(yàn)證。

4、發(fā)展規(guī)劃

在分析NASA和美國空軍PHM相關(guān)技術(shù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以航空航天裝備為例，國外未來的PHM技術(shù)發(fā)展規(guī)劃可總結(jié)為3個技術(shù)層次（如圖2所示）。從失效物理、數(shù)據(jù)分析、傳感器等基礎(chǔ)技術(shù)研究，到子系統(tǒng)級的監(jiān)測、診斷、預(yù)測和失效緩解技術(shù)研究，再到機(jī)體結(jié)構(gòu)、機(jī)載系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)等PHM設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)對全機(jī)的故障預(yù)測與健康管理。該技術(shù)發(fā)展規(guī)劃主要針對3個重點(diǎn)領(lǐng)域（綜合飛行健康評估與管理、飛行環(huán)境風(fēng)險檢測與管理、PHM系統(tǒng)綜合集成技術(shù)）、七個任務(wù)方向（機(jī)體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)載系統(tǒng)、環(huán)境風(fēng)險檢測與管理、PHM體系結(jié)構(gòu)、PHM能力驗(yàn)證、系統(tǒng)集成與評價）展開。

3、國內(nèi)PHM技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

1、基礎(chǔ)理論

我國在PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證基礎(chǔ)理論與方法研究方面起步較晚，研究基礎(chǔ)比較薄弱。“十五”以來，國內(nèi)相關(guān)院所主要在航空航天裝備領(lǐng)域開展了一系列的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究工作，并結(jié)合型號技術(shù)攻關(guān)，邊研究邊驗(yàn)證、迭代完善、雙線并行，取得了一定的成果。

目前，已初步構(gòu)建了一套典型機(jī)電、電子、結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品的健康表征、健康度量與演化規(guī)律挖掘的方法體系，形成了相關(guān)的診斷與預(yù)測模型設(shè)計(jì)方法。PHM驗(yàn)證基礎(chǔ)研究方面，“十二五”期間開展了一定的PHM系統(tǒng)驗(yàn)證與評價、試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)方法研究，并形成了相關(guān)演示系統(tǒng)與輔助工具。

2、工程技術(shù)

結(jié)合裝備使用和維修保障情況，我國在航空、航天、船舶、兵器等領(lǐng)域正逐步開展相關(guān)工程技術(shù)研究。在PHM系統(tǒng)能力與需求分析基礎(chǔ)上，從物理結(jié)構(gòu)、綜合診斷、信息處理以及功能結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了PHM體系架構(gòu)與集成的初步研究；與此同時，也開展了PHM系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等研究。在上述研究基礎(chǔ)之上，開發(fā)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能傳感器、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測集成驗(yàn)證平臺、機(jī)電PHM原型系統(tǒng)與案例庫、系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)分析工具、嵌入式智能診斷原型系統(tǒng)，以輔助開展PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3、工程應(yīng)用

我國在裝備PHM系統(tǒng)工程應(yīng)用方面，已遠(yuǎn)滯后于國外發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平，目前PHM技術(shù)尚未開展全面工程轉(zhuǎn)化應(yīng)用。在航空領(lǐng)域，圍繞型號技術(shù)攻關(guān)，針對飛控作動器系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)作動器驅(qū)動裝置、液壓能源系統(tǒng)、附件機(jī)匣、供電系統(tǒng)、航電處理機(jī)、金屬/復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)等開展了測試性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、診斷與性能衰退預(yù)測等技術(shù)研究及相關(guān)驗(yàn)證。在航天領(lǐng)域，目前衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要開展太陽電池陣、蓄電池與控制器的在軌狀態(tài)監(jiān)測、性能退化預(yù)測、運(yùn)行管理與延壽；載人航天也針對部分關(guān)鍵系統(tǒng)開展了狀態(tài)監(jiān)測與故障容錯控制。在船舶領(lǐng)域，針對主機(jī)與輔機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備（柴油機(jī)、泵類設(shè)備、調(diào)距槳裝置、艦面系統(tǒng)等），主要開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測、故障診斷、運(yùn)行與輔助維修決策等技術(shù)應(yīng)用。在兵器領(lǐng)域，針對發(fā)射車開展了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的車載狀態(tài)監(jiān)測與輔助維修指導(dǎo)、監(jiān)測中心增強(qiáng)診斷、任務(wù)與維修輔助決策工程應(yīng)用。

4、國內(nèi)外PHM技術(shù)差距分析

PHM技術(shù)在國內(nèi)相對來說還是一個比較新穎的概念，研究起步較晚。雖然開展了大量工作，并取得了顯著的研究成果，但前期主要是跟蹤國外工程應(yīng)用，在相關(guān)基礎(chǔ)理論與技術(shù)、系統(tǒng)綜合集成等方面的研究還較少。具體表現(xiàn)在：

1）在PHM系統(tǒng)集成與使能技術(shù)方面。國外已開展了大量的相關(guān)研究和應(yīng)用工作，國內(nèi)僅是跟蹤國外的工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)方面相對落后，PHM系統(tǒng)集成與使能工具設(shè)計(jì)相關(guān)研究較少，尚無具體工程應(yīng)用案例，亟待進(jìn)一步深入研究。

2）在復(fù)雜系統(tǒng)健康管理方面，國外已開展了大量的基于PHM的維修決策研究工作和應(yīng)用；同時，國外已在自愈材料、智能結(jié)構(gòu)方面開展了大量的研究，部分技術(shù)已有應(yīng)用。國內(nèi)裝備仍以周期性預(yù)防維護(hù)為主，基于PHM的裝備任務(wù)規(guī)劃與維修策略研究工作較少；我國在裝備自愈研究方面開展較晚，自愈材料與智能結(jié)構(gòu)研究方面以理論研究為主，而應(yīng)用研究較少。

3）在復(fù)雜系統(tǒng)健康診斷與預(yù)測方面，國內(nèi)外在此方面研究差距不大，某些方向已達(dá)到國際先進(jìn)水平。在方法研究上，國內(nèi)外均開展基于故障物理、數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型、專家知識的診斷與預(yù)測技術(shù)研究。但是，在技術(shù)成熟度上與應(yīng)用廣度上，國外領(lǐng)先國內(nèi)。尤其在應(yīng)用于PHM的新型智能傳感器技術(shù)及裝置研發(fā)上，國外已遠(yuǎn)領(lǐng)先于國內(nèi)。

4）在PHM能力試驗(yàn)驗(yàn)證方面，國外已開展了大量研究工作，國內(nèi)在PHM設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面，也開展了初步的研究工作，但目前還沒有成熟的PHM體系綜合建模、試驗(yàn)驗(yàn)證與能力評價技術(shù)方法體系，相關(guān)驗(yàn)證輔助工具與平臺成果還較少。

5、PHM發(fā)展與應(yīng)用建議

綜合以上差距與不足，通過分析國外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)PHM技術(shù)研究可以重點(diǎn)從以下幾個方面開展。

1）在PHM技術(shù)發(fā)展規(guī)劃方面。借鑒NASA和美國空軍的PHM發(fā)展規(guī)劃，我國航空、航天、船舶與兵器領(lǐng)域也必須制定循序漸進(jìn)的技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，如：從基礎(chǔ)的失效物理、零部件的基礎(chǔ)研究，到子系統(tǒng)級的監(jiān)測、診斷、預(yù)測和容錯控制技術(shù)研究，再到機(jī)身、機(jī)載系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)等的PHM設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)全機(jī)的PHM。

2）在PHM基礎(chǔ)理論與技術(shù)方面。在PHM基礎(chǔ)理論與技術(shù)方面需要解決以下幾個問題：一是如何針對故障診斷與預(yù)測的需求，開展新型智能傳感器攻關(guān)？二是如何針對不同部件、設(shè)備、系統(tǒng)層次，準(zhǔn)確地度量系統(tǒng)的健康狀態(tài)，挖掘系統(tǒng)健康演化規(guī)律？三是針對故障預(yù)測的不確定性，如何提高預(yù)測的有效性與準(zhǔn)確性？四是如何有效實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜系統(tǒng)的維修優(yōu)化決策、健康自愈與控制，實(shí)現(xiàn)健康管理？

3）在PHM工程應(yīng)用方面。一是在系統(tǒng)集成應(yīng)用方面，如何采用并行工程原理，將PHM與被監(jiān)控產(chǎn)品設(shè)計(jì)同步，實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)；二是如何進(jìn)行PHM的診斷預(yù)測能力認(rèn)知、功能仿真試驗(yàn)驗(yàn)證、以及定量性能評價。

結(jié)論

作為現(xiàn)代武器裝備實(shí)現(xiàn)自主式后勤（automatic logistics, AL）和降低全壽命周期費(fèi)用的關(guān)鍵核心技術(shù)，PHM技術(shù)正逐漸受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。本文總結(jié)了國外PHM技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用成效與發(fā)展?fàn)顩r，分析了國內(nèi)外技術(shù)差距，并在此基礎(chǔ)之上給出了PHM發(fā)展與應(yīng)用建議。綜合上述總結(jié)與分析，依據(jù)PHM技術(shù)綜合多學(xué)科專業(yè)的特點(diǎn)，我國PHM技術(shù)的發(fā)展建議總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1）遵循技術(shù)自身發(fā)展規(guī)律和我國PHM技術(shù)現(xiàn)狀，制定科學(xué)化的頂層技術(shù)路線圖和技術(shù)里程碑。

2）緊跟技術(shù)發(fā)展潮流，積極借鑒當(dāng)前流行的大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、自主系統(tǒng)、信息物理系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)等軟硬件信息處理與技術(shù)手段，強(qiáng)化PHM關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

3）依據(jù)系統(tǒng)工程原理，在PHM技術(shù)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)—開發(fā)—應(yīng)用過程中，逐步提升我國PHM體系綜合建模、協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證評價能力，并形成一套標(biāo)準(zhǔn)化、開放化接口的協(xié)同設(shè)計(jì)工具與一體化驗(yàn)證平臺。

聲明：以上本文摘自《計(jì)算機(jī)計(jì)量與控制雜志》

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的PHM智能诊断及健康管理保障系统的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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