系统健康管理理论研究及应用设想

沈功田刘 渊

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2. 武汉理工大学 物流工程学院 武汉 430063）

系统健康管理理论研究及应用设想

沈功田1刘 渊2

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2. 武汉理工大学 物流工程学院 武汉 430063）

健康管理是保证各种系统高效、安全、可靠运行的有效手段。本文从理解系统的含义出发，采用系统论的观点，在分析人的健康管理的基础上，提出了人工可干预系统健康管理的理论，并给出了系统健康管理理论的适用对象、目的、主要过程和内容以及主要的方法和手段；指出开展系统的健康管理，其关键是建立科学的系统健康指标、制定切实可行的健康管理方案并加以实施；最后针对机械系统、生态系统和社会系统的特点，提出了健康管理理论指导下的应用设想。

健康管理 系统 机械系统 生态系统 社会系统

当前，我国正处于全面建成小康社会的关键时期，各行各业、各条战线捷报频传，经济保持中高速增长、结构调整进展有序、部分科技成果处于国际领跑状态。另一方面，在我国发展中也面临着不少的困难和问题，给社会和谐稳定造成了巨大的负面影响。如：瓦斯爆炸时有发生，生产安全不容乐观；严重雾霾天气没有得到有效控制，在一些地方屡屡发生；上海外滩拥挤踩踏事件、“东方之星”号客轮翻沉、天津港火灾爆炸和湖北荆州商场电梯“吃人”等社会公共安全事件轮番上演。这些事故影响因素众多，且相互之间关系复杂，其健康管理是一项系统工程，所以我们应该象对人的健康管理一样，从系统的角度出发对其进行监管和防控。

本文根据人的健康管理理念，提出系统健康管理概念，并在常见的几种系统中对此理念的应用进行了初步的探讨，一是为了探索长远、有效的手段对恶性事件进行治理，防止其发生，二是希望引起更多专家和学者的关注，能打破学科、专业的壁垒束缚，共同参与到系统健康管理的研究当中来。

1 系统的含义

简明牛津词典把系统定义为：复杂整体，有联系的事物或者部分，组成有形或者无形事物的合体。Random House College词典定义为：“形成简单或复杂事物的局部或分支的集合或组合体”。Le Petit Robert词典定义为：“由有机体构成的集合”。汉语大辞典中定义为：自成体系的组织，同类事物按一定秩序和内部联系组合成的整体。由这些定义，我们可获取系统的基本含义是：一组个体连接成的有机整体。

我国著名学者钱学森认为：系统是由相互作用相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个有机整体又是它从属的更大系统的组成部分。

按照人类对系统是否施加影响、系统与环境的关系、组成系统的内容和要素的性质、系统的运动状态等原则对其进行分类，通常我们所说的系统可划分为以下三类：

1）自然系统：系统内的个体按自然法则存在或演变，产生或形成一种群体的自然现象与特征。例如：天体系统、生态平衡系统、生命机体系统、物质微观结构系统以及社会系统等等，既有人工可部分干预自然系统也有不可干预自然系统。

2）人工系统：系统内的个体根据人为的、预先编排好的规则或计划好的方向运作，以实现或完成系统内各个体不能单独实现的功能、性能与结果。例如：生产系统、交通系统、电力系统、机械、机电一体化系统、计算机系统、教育系统、医疗系统、企业管理系统等等，此类系统的特点是人工可完全干预。

3）复合系统：是自然系统和人工系统的组合。例如：水库大坝系统、导航系统、交通管理系统和人—机系统等等。

本文的研究对象是指人工可干预系统，包括人工可干预自然系统、人工系统和复合系统。

2 人工可干预系统健康管理的概念

2.1 人的健康管理概念和内涵

人的健康[1]是指一个人在身体、精神和社会等方面都处于良好的状态。健康包括两个方面的内容：一是主要脏器无疾病，身体形态发育良好，体形均匀，人体各系统具有良好的生理功能，有较强的身体活动能力和劳动能力，这是对健康最基本的要求；二是对疾病的抵抗能力较强，能够适应环境变化，各种生理刺激以及致病因素对身体的作用。传统的健康观是“无病即健康”，现代人的健康观是整体健康，世界卫生组织提出“健康不仅是躯体没有疾病，还要具备心理健康、社会适应良好和有道德”。因此，现代人的健康内容包括：躯体健康、心理健康、心灵健康、社会健康、智力健康、道德健康、环境健康等。

健康管理是一种对个人及人群的健康危险因素进行全面管理的过程[2-3]。陈建勋等[4]认为健康管理是健康管理循环的不断运行。即对健康危险因素的检查监测（发现健康问题）→评价（认识健康问题）→干预（解决健康问题）→再监测→再评价→再干预……，其中健康危险因素干预（解决健康问题）是核心。

2.2 生态系统健康管理的概念和内涵

生态系统健康目前尚无普遍认同的定义，不同学者从各自的学科背景进行了不同的表述，但总的来说可以概括为：生态系统健康是指系统内的物资循环和能量流动未受到损害，关键生态组分和有机组织保存完整且缺乏疾病，对长期或突发的自然或人为扰动能保持着弹性和稳定性，整体功能表现出多样性、复杂性、活力和相应的生产率，其发展终极是生态整合性[5]。

关于生态系统健康管理的内涵，美国生态学会生态系统管理特别委员会指出[6]：生态系统健康管理是具有明确的驱动目标，且管理活动是可持续的，由制定的保障措施确保实施，并在对生态系统的组成、结构、功能、生态间相互作用和生态发展过程进行充分熟悉之后开展研究和检测，以不断优化和完善管理的适合性。并进一步指出生态系统健康管理必须包含以下几个方面：1）可持续性；2）可监测性；3）建立适合生态系统功能的模型用以指导管理实践；4）复杂性和相关性；5）系统健康管理的动态发展特征；6）动态空间尺度和时间框架；7）人类的活动是生态系统的一部分；8）人类对生态系统的管理能动性。

2.3 系统健康管理的概念和内涵

综合以上，我们认为系统健康是指一个系统应该满足稳定性和可持续性，没有疾病（故障）、内部稳定、各要素相互平衡，在时间上具有维持其组织机构、自我调节、对抗破坏和自恢复能力，结构上各个体保持相互独立又相互依存，功能上表现出完整性，具有一定的健壮性和鲁棒性。不同的领域，系统健康的定义和内涵也有所差别。

系统健康管理的内涵是指从系统的角度出发，对其健康状态、危险因素和后果进行全面掌握和检测、分析、评估以及预测；按照健康的需求对健康资源进行有计划、有组织的指挥、协调和控制的全过程；在整个过程中要充分调动人的主观能动性，同时还要始终贯彻“维修”和“管理”相结合的理念；注重全生命周期的健康管理，而不仅是使用阶段，即从“优生优育”到“寿终正寝”的各个阶段。健康管理具有以下主要含义：

1）系统健康管理的对象是具有一定功能且对人类、社会具有积极意义的系统；

2）系统健康管理的目的是保障和提高系统运行的稳定性、可靠性和安全性，使系统的功能、结构以及各种状态运行参数在健康指标范围内运行，降低其全生命周期内的使用、维护、保养和维修费用。

3）系统健康管理的主要过程和内容是对系统全生命周期各阶段的全面认知和健康维护，主要包括对系统健康指标的建立、检查检测、健康评价和健康恢复等。

4）开展系统健康管理的主要手段是各种检查、检测、监测、诊断、评估、预测等技术方法，以及维护、保养、修理和改造（治疗）等。

3 系统健康管理的实施

3.1 系统健康管理评价指标的制定

跟人的健康管理需要有血压、心率、体温、身高、体重、呼吸次数等指标一样，对人工可干预系统进行健康管理时，也应该制定相应的健康指标，例如：大气系统的PM 2.5、总悬浮颗粒物、二氧化硫、二氧化碳；机械系统的速度、加速度、振动、噪声、温度、应力；经济领域中的GDP、CPI、PPI等。这些指标都是各自系统的主要参数，通过它们能够反映出系统的运行状态健康与否。

然而，在对人体实施健康管理时，并不是每个人都要进行众多的、繁琐的指标检查，而是根据不同的健康管理要求，有针对性的检查某些指标。因为，不同的人群健康指标不同，从事不同职业的人群健康管理指标不同，同一个人在不同的年龄阶段和生理条件下健康指标也是不同的。也就是说，针对不同的健康管理要求时，其健康管理指标存在差异。例如，大学生的入学体检指标和军人的入伍体检指标不一样，婴儿的体检指标和成年人的健康指标不一样，青壮年和老年人的健康指标不一样，怀孕期和未孕期的妇女健康指标不一样等。总之，在制定健康管理指标时要因人而异，根据不同的健康管理需求来制定。

同样的道理，对除人以外的其它系统进行健康管理时，也应该根据不同的健康管理要求或级别制定健康指标。同时，健康管理指标的制定还跟系统的类型有关，应该针对不同类型的系统，分析其基本情况，如功能、结构特点和工作范围等，确定需要考虑并且可实施的健康指标。

3.2 系统健康管理方案的制定及实施

健康管理的目的是保证系统的各项监测指标在设定的健康指标阈值范围内，其实施流程图如图1所示。主要的工作步骤包括：健康指标的确定、检查检测（监测）、健康评价、查找不健康原因和健康恢复等，而且是按照一定的时间周期循环往复进行。

图1 系统健康管理流程图

首先，针对被管理的系统，研究建立系统全生命周期的健康评价指标体系和系统不同时期的健康评价指标，为后续开展的健康管理提供依据。

其次，在已经确立健康管理指标的基础上，制定检查检测方案，包括检查检测的项目、采用的技术方法和检查检测周期，并按方案实施检查检测活动。一般的原则应考虑以下三点：1）对于不重要或简单的系统组成部分或子系统，采用简单快捷的检查检测方法，如目测、耳听、手摸等，或借助一些简单的工具，如小锤、试纸、试剂等；这种检查检测方式具有简便易行、速度快、费用低等优点，但也存在主观性强、精度低、检测效果依赖于技术人员的经验等不足。2）对于重要或复杂的系统组成部分或子系统，应采用精确的检查检测方法，如需要借助一定的仪器设备和较先进的技术手段，比如振动监测系统、声发射仪、红外热成像检测仪、超声检测系统、电磁检测系统等无损检测仪器设备，有时甚至要开展状态监测（在线或离线，周期或非周期）以便实时掌握系统的运行状态；这些检测方式虽然难度大、费用高、技术复杂、条件要求苛刻，但具有检测精度高、客观性强、技术可移植性强等优点。3）对于检查检测周期，一般为日检、周检、月检、季检、半年检、年检、三年检和六年检等；不同的时间间隔会设置不同的检查检测项目，对于重要的设备或部件，还会采用实时监测的方式进行状态监测和故障诊断。

第三，将检查检测结果对照已建立的健康指标进行系统健康评价，对于发现不健康的项目分析和查找产生不健康的原因。对于不同系统，不健康的表现形式和产生原因会不同，但其表现形式可大致分为异常、故障、失效等；对于简单系统和明显的不健康模式，一般通过简单的常规检查就能判定出不健康的表现形式和查找到不健康的原因；对于复杂系统或较复杂的不健康模式，需要进行失效机理分析，建立数学/物理模型，并对检查检测数据进行分析处理，采用包括时域、频域和时频域在内的信号处理方法，提取能反映系统状态的信息或特征量，结合历史运行、维修保养数据、可靠性试验数据等查找不健康的原因[7-10]。

最后，对于不健康的系统实施人工干预活动，对系统进行健康恢复。根据上述分析不健康的原因，分别采用不同的健康恢复方法；其基本原则为：对于不会影响系统正常运转的轻微异常，可不开展任何修复，只需加强日常维护，比如医生经常建议的“多喝开水”、“加强体育锻炼”，机械设备方面的日常清洁和润滑等活动；对于不会造成严重后果的某些异常，可以采取事后治理，如密封圈老化等；对于故障后果危害较大的不健康状态，就应该实施重点监测，加强日常检查的频度和力度，并开展预防性维护维修，尽可能的降低事故发生率，减少事故造成的危害和损失。

4 系统健康管理应用设想

4.1 机械系统健康管理

现代工业中，机械系统的复杂化、自动化程度越来越高，且运行条件复杂、环境恶劣，一旦发生故障必将带来巨大的经济损失，甚至对人身安全和环境友好造成重大影响。因此，机械系统的可靠性、安全性和经济性受到极大的关注[11]。另外，大批现役的机械系统已经运行多年，剩余寿命逐渐减少，对此，除了加强日常检修等维保工作，更应该建立系统的健康管理制度。

针对机械设备的预测和健康管理 (prognostics and health management， PHM) 最早出现在美国军用装备中，并在A-7E飞机的发动机监控系统上成功应用。PHM是指利用尽可能少的传感器采集系统的各种数据信息，并对其进行相应的处理，提取特征量，在此基础上借助各种智能推理算法（如神经网络、数据融合、专家系统、机器学习和深度学习等），从基于力学、基于概率统计以及基于信息新技术等方面开展系统的健康状态评估和寿命预测，在系统故障发生前对其故障进行预测，并结合各种资源信息，做出适当的维修保障措施以实现系统的视情维修[8-10，12-13]。PHM系统一般应具备如下功能[14]：故障检测、故障隔离、故障诊断、故障预测、健康管理和寿命追踪。对于复杂装备和系统，PHM应能实现不同层次、不同级别的综合诊断、预测和健康管理[12]。

笔者认为，机械系统的健康管理首先应该在具体的健康管理要求下建立明确的健康指标，然后根据具体情况开展检查检测（监测）、健康评价和不健康状态的健康恢复等活动。在整个过程中应该贯彻系统论的观点，除了关注系统的使用阶段外，还应该关注机械系统全生命周期的各个阶段。采用的主要技术应包括：风险源识别、损伤和故障模式识别、失效模式识别、风险分析和风险管理、检测监测、寿命预测、维护保养和维修、资产完整性管理以及大数据、物联网等新技术。

4.2 生态系统健康管理

现代工业的飞速发展在推动人类文明进步的同时，也给人类带来了巨大的负面效应，生态问题和环境污染已成为全球共同关注的问题。尤其是近年来，资源的无序过度开发，工业废气、废水的粗放式排放，城市人口爆炸式的增长，致使城市上空悬浮颗粒物和污染急剧增加，空气质量大幅下降，严重影响到人们的身体健康和日常生产生活。雾霾天气已经被列为灾害性天气，受到社会各界的广泛关注，在雾霾的成因、区域雾霾研究以及治理方法等方面，学者们开展了大量的研究工作[15-16]。

学术界在雾霾成因研究方面，经历了初期的大气气溶胶研究[17]，到初步形成区域“灰霾”体系，再到步入区域灰霾的正轨研究[18]，最终到现在的多学科多视角研究等不同阶段[19]，历时三十余年，取得了众多具有代表性的成果，得出了许多有价值的结论，为我国的治霾工作提供了宝贵的智力支撑。同时，针对雾霾的特点和治理存在的问题，许多学者也提出了宝贵的建议。文献[20]认为应该采取以经济手段为主、多种手段并用的市场化雾霾治理措施；文献[21]认为雾霾治理的过程中既要加强纵向政府间合作关系，也要加强区域内横向政府间的合作关系；文献[22]认为解决雾霾问题的有效途径是公众参与；还有学者提出应该借助国外的治霾经验，结合我国的实际特点进行治理等其它手段[23-24]。

应该说上述建议和方法在我国的治霾进程中发挥了巨大的作用，也取得了良好的成效。但笔者认为对于雾霾的治理，可以在本文提出的系统健康管理的理论指导下进行。首先，应将一个区域的大气作为一个系统来看待，并将影响大气质量的各种因素分为子系统；然后，根据人们对空气质量的要求建立大气的健康指标；第三，对健康指标规定的项目进行检测和监测；第四，一旦发现大气质量偏离健康指标的情况，立即采取健康恢复措施，比如汽车限行、工地停工、企业停产等。当然，大气系统的健康管理，也可根据以往的检测监测数据和雾霾发生规律进行预测，一旦发现将来有偏离大气健康管理指标的倾向，也可采取相应的预防措施，比如发布雾霾黄色预警、橙色预警或红色预警以及采取的应对措施。

4.3 社会系统健康管理

在人类社会发展的各个阶段，社会事件时有发生，如：罗马共和国爆发的斯巴达克起义，我国秦朝末年的陈胜、吴广领导的大泽乡起义，明末李自成、张献忠农民起义，清朝晚期的太平天国运动等等。诚然，这些起义事件的元凶是当朝的统治腐朽、土地兼并、自然灾害等。但是，在人类文明高度发达的今天，也发生了诸如上海外滩的拥挤踩踏事件，广东佛山的“小悦悦”事件，以及“老人跌倒扶不扶”等事件。以上的社会事件说明了我国在许多制度方面仍不够完善，需要系统治理。

在学术界，针对社会系统治理问题，很多学者都做出了卓有成效的研究。文献[25]从社会政策体系、公民权利保障体系、公共服务体系等方面提出推进社会治理的实施策略。施雪华[26]开展了“服务型政府”的理论和实践的研究，并指出这将有益于我们推进现代化建设的进程。许耀桐，刘祺[27]认为我国的社会治理必须结合我国的实际，具有中国特色，要发挥政府的主导作用，重点在社会治理的体制创新。范如国[28]在分析社会本质是个复杂网络系统的基础上，认为开展复杂系统理论的研究，将为社会系统治理提供重要的借鉴意义。这些研究成果在预防社会恶性事件的发生，推进法制社会的建设等方面起着积极的作用，但也存在不足，缺乏系统论的理念。

因此，本文认为应该将一定区域内的人群，作为一个社会系统来看待，对人的管理以系统健康管理的理论来指导。对社会系统的健康管理，首先应从具体的健康管理要求开始，建立相应的健康指标，如道德指标、行为指标、经济指标、法治指标等；其次，按照建立的各项健康指标项目，对社会系统的运行状态参数进行监测和及时分析；第三，一旦发现社会运行状态参数偏离建立的健康指标，应该采取相应的人工干预措施，比如发现某些人群的贫困，可采取相应的低保措施，来使这些参数回归健康状态，从而达到社会系统运行的稳定和可持续发展。

5 结论

1)本文采用系统论的观点，提出了人工可干预系统健康管理的理论，并给出了系统健康管理理论的适用对象、目的、主要过程和内容以及主要的方法和手段；

2)开展系统的健康管理，其关键是建立科学的系统健康指标、制定切实可行的健康管理方案并加以实施；

3)系统健康管理方案的内容应至少包括系统的健康指标、检查检测项目与采用的方法及周期、健康评价及采用的方法、不健康项目原因的分析、恢复健康的措施和方法等；

4)通过初步研究，给出了机械系统、生态系统和社会系统等三个系统健康管理应用的设想；

5)本文仅是就系统健康管理的初步探讨，许多方面还需进一步开展理论研究和应用实践，希望有更多的科技工作者开展不同对象的系统健康管理理论研究和应用。

[1] 宋心红．健康体检词条实用指南[M]．上海：同济大学出版社，2 008：241.

[2] 陈君石，黄建始．健康管理师[M]．北京：中国协和医科大学出版社，2007：12.

[3] 黄建始．什么是健康管理[J]．中国健康教育，2007，4(23)：298-300.

[4] 陈建勋，马良才，于文龙，等．健康管理的理念和实践[J]．中国公共卫生管理，2006，(1)：7-9.

[5] 卢昌义，叶勇．湿地生态与工程——以红树林湿地为例[M]．厦门：厦门大学出版社，2 006：256.

[6] 蔡晓明，蔡博峰．生态系统的理论和实践[M]．北京：化学工业出版社，2012：356.

[7] Lee J, Wu F, Zhao W, et al. Prognostics and health management design for rotary machinery systems-Reviews, methodology and applications[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2014, 42(1-2): 314-334.

[8] Jardine A K S, Lin D, Banjevic D. A review on machinery diagnostics and prognostics implementing condition-based maintenance[J]. Mechanical Systems & Signal Processing, 2006, 20(7): 1483-1510.

[9] Bousdekis A, Magoutas B, Apostolou D, et al. Review, analysis and synthesis of prognosticbased decision support methods for condition based maintenance[J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2015: 1-14.

[10] 张小丽，陈雪峰，李兵，等．机械重大装备寿命预测综述[J]．机械工程学报，2011，(11)：100-116.

[11] Peng Y, Dong M, Zuo M J. Current status of machine prognostics in condition-based maintenance: a review[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 50(1): 297-313.

[12] 彭宇，刘大同，彭喜元．故障预测与健康管理技术综述[J]．电子测量与仪器学报，2010，24(1)：1-9.

[13] 孙博，康锐，谢劲松．故障预测与健康管理系统研究和应用现状综述[J]．系统工程与电子技术，2007，(10)：1762-1767.

[14] Vichare N M, Pecht M G. Prognostics and health management of electronics[J]. IEEE Transactions on Components & Packaging Technologies, 2006, 29(1): 222-229.

[15] 张小曳，孙俊英，王亚强，等．我国雾-霾成因及其治理的思考[J]．科学通报，2013，58(13)：1178-1187.

[16] 吴兑．近十年中国灰霾天气研究综述[J]．环境科学学报，2012，(02)：257-269.

[17] Tang X Y, Bi M T, Li J L, et al. A simulation of photochemical smog pollution in a petrochemical complex[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 1984, 4(1) :33-43.

[18] Wu D, Tie X X, Deng X J．Chemical characterizations of soluble aerosols in Southern China[J]. Chemosphere, 2006, 64(5): 749-757.

[19] Duan F K, He K B, Ma Y L, et al. High molecular weight organic compounds (HMW-OCs) in severe winter haze: Direct observation and insights on the formation mechanism[J]. Environmental Pollution, 2016, 218: 289-296.

[20] 蓝庆新，侯姗．我国雾霾治理存在的问题及解决途径研究[J]．青海社会科学，2015，(01)：76-80.

[21] 姜丙毅，庞雨晴．雾霾治理的政府间合作机制研究[J]．学术探索，2014，(7)：15-21.

[22] 王惠琴，何怡平．雾霾治理中公众参与的影响因素与路径优化[J]．重庆社会科学，2014，(12)：42-47.

[23] 杨拓，张德辉．英国伦敦雾霾治理经验及启示[J]．当代经济管理，2014，(04)：93-97.

[24] 张孝德，梁洁．从伦敦到北京：中英雾霾治理的比较与反思[J]．人民论坛·学术前沿，2014，(03)：51-63.

[25] 姜晓萍．国家治理现代化进程中的社会治理体制创新[J]．中国行政管理，2014，(02)：24-28.

[26] 施雪华．“服务型政府”的基本涵义、理论基础和建构条件[J]．社会科学，2010，(02)：3-11.

[27] 许耀桐，刘祺．当代中国国家治理体系分析[J]．理论探索，2014，(01)：10-14.

[28] 范如国．复杂网络结构范型下的社会治理协同创新[J]．中国社会科学，2014，(04)：98-120.

Research and Application Assumptions of the System Health Management Theory

Shen Gongtian Liu Yuan
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology Wuhan 430063)

Health management is an eff cient means to ensure the eff ciency, safety and reliable of all kinds of systems. A fter understanding the meaning of system, this paper puts forward the system health management (SHM) theory of artif cial intervention system based on the health management of people according to system theory. The suitable objects, purpose, main processes and contents, main methods and means of SHM are given. It is indicated that the key of SHM perform ing is to establish the scientif c health indicators, develop a practical health management program and perform it. Finally, according to the characteristics of mechanical systems, ecological systems and social systems, the application of ideas is put forward under the guidance of the health management theory.

Health management System Mechanical system Ecosystem system Social system

X 924

B

1673-257X(2017)06-0001-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.001

沈功田（1963～)，男，博士，研究员，博士研究生导师，从事特种设备安全与无损检测新技术研究工作。

沈功田，E-mail: shengongtian@csei.org.cn。

国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项“游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究”项目（2016YFF0203100）；国家“万人计划”特支经费项目

2017-05-17）