故障预测与健康管理体系结构综述

2021-04-12丁秋月和尧董超

航空维修与工程 2021年1期

丁秋月和尧董超

摘要：随着装备系统复杂化、综合化、智能化、自动化、精密化的不断发展提高，其可靠性、维修性、测试保障性、安全性以及全寿命周期管理的问题越来越受到重视，传统的事后故障维修诊断不利于装备的维修和后勤保障，因而故障预测与健康管理（PHM）技术应用而生。本文阐述PHM系统框架，明确不同PHM体系下的工作流程，实例分析了PHM体系结构的应用，最后归纳总结出实现PHM的关键技术。

关键词：故障预测与健康管理;PHM系统框架;PHM关键技术

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

0引言

现代装备设计采用更多的新材料、新技术、新工艺、新结构，用以减轻装备重量、满足极限载荷、实现复杂功能等要求，是科学技术、装备效率、后勤保障能力的大比拼。面对新装备，其后勤维修保障尤为重要。早期装备采用传统的基于浴盆曲线故障模型的定期全面翻修为主的预防维修思想，这种通过按使用时间进行的预防性维修工作，工作量大、周期长，不能充分发挥装备的使用效能，难以适应复杂系统装备的维修保障要求，同时维修耗时费力还成本高。视情维修在军用装备中的成功应用，使之逐渐向民用装备发展，其所具备的预测故障发生和对健康状态的管理催生了故障预测与健康管理（PHM）技术的产生。PHM是美国针对自身庞大而先进的装备提出的一种先进维修保障技术，可实现对装备的状态监控、故障综合诊断、故障预测、健康管理和寿命预测等[1]。

本文阐述标准PHM技术系统框架，给出基于不同类型装备可选实施的3种PHM系统结构，最后给出装备设计实例应用，并论述了PHM的关键技术。

1 PHM系统框架

1.1 PHM体系的标准结构

视情维修开放体系结构（Open System Architecture for Condition-Based Maintenance，OSA-CBM）最为典型[2]，是综合了不同类型的PHM系统设计而来的，如直升机健康与使用监测系统（Health and Usage Monitoring System，HUMS）、海军综合状态评估系统（In- tegrated Condition Assessment System，ICAS）、飞机状态监测系统（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）、发动机监测系统（Engine Monitoring System，EMS）、航天器集成健康管理系统（Integrated Vehicle Health Management System，IVHMS）、综合诊断预测系统（Integrated Diagnostics and Prognostics System，IDPS）等，如图1所示。

OSA-CBM体系结构由美国波音公司设计总结发起，汇集了工业制造、商业制造、军事、传感器技术、数据处理技术、计算机技术及科研研究院等众多组织机构联合研究讨论制定，该体系结构现已在美军军民领域的各种现代装備上进行了初步的应用和相关的验证。

OSA-CBM体系结构由数据采集和传输、数据处理、状态监测、健康评估、故障预测、自动推理决策及接口等7个部分组成。

1）数据采集与传输。采用光纤传感器、微机电系统、智能传感器等先进的传感器技术，进行收集表征装备的机械、电子、电气和液压部件的状态信息，作为PHM系统的数据基础，并进行相应的D/A或A/D转换后实施传输。

2）数据处理。对传感器采集和输送来的基础数据进行处理，包括：由于监测数据失真而进行的数据清理和恢复技术，为找出数据的变化规律和发展趋势的数据分析技术，为辨别装备故障模式的特征提取技术，为进行装备健康状态评估和故障预测的数据挖掘技术等。

3）状态监测。接受传感器、数据处理和其他监测模块的数据，通过与标准设定的失效判据进行比较，实现状态监控，同时发出相应的报警或警告信息。

4）健康评估。依据状态监测的情况和其他信息进行系统健康评估，在形成故障诊断记录的同时确定故障发生的可能性以及时间趋势。

5）故障预测。利用前述处理的数据进行状态评估、故障预测、剩余寿命预测等。

6）自动推理决策。通过系统自身的计算分析功能，给出更换部件、维护等保障活动的建议和方法措施。

7）接口。实现人—机、机—机之间的数据交流，最重要的是实现人机对话，保证数据信息传递的准确和高效。

1.2 PHM系统体系结构类型及选择

PHM系统体系结构描述其构成要素及其相互之间的关系，该系统结构不仅影响系统自身的复杂性，而且决定其行为特性与功能实现特性。建立某个装备的PHM系统结构时，依据装备的结构和功能复杂情况进行选择，不同类型装备的PHM系统结构也会不同。主要有3种类型：集中式体系结构、分布式体系结构和分层融合式体系结构[3-5]。

1）集中式体系结构

集中式体系结构中的中央故障管理控制器完成全权限的数据处理、故障预测和健康管理等任务。该体系结构的设计原理是装备的部件工作状态参数由传感器传输至中央故障管理控制器进行处理和分析，最终得出装备的状态情况和维修决策，如图2所示。

集中式体系结构的系统简单，信息传输路径明确，但要求中央故障管理控制器的功能强大，能够对传感器探测到的各种信息进行融合和数据分析处理，最终形成决策，因而该体系结构适用于装备系统不复杂、简单小型的组成结构。

2）分布式体系结构

分布式体系结构中各子系统拥有各自独立的故障管理控制器，各子系统故障管理控制器接收本系统的部件传感信息，独立完成预测与健康管理任务，最终进行综合显示，如图3所示。

分布式体系结构中各子系统的运行模式相当于一个独立的集中式体系结构，该体系结构应用在装备系统繁多但系统功能可明显区别的场合，从而可以实现分类处理而最终融合显示。然而最终决策缺乏系统级的综合，其形成的维修决策缺乏直接实际意义，仅有助于维护参考。

3）分层融合式体系结构

分层融合式体系结构是集中式体系结构和分布式体系结构的综合，基础信息由传感器传入相对应的功能模块下的故障管理控制器进行预先处理，形成处理后的重要信息流，传输至装备综合故障管理控制器进行全局诊断和分析，最终形成基于装备各系统状态的综合诊断信息和维修决策信息显示，如图4所示。

分层融合式体系结构的建立针对的是现代装备大型复杂的机电系统，由于系统间关系联系紧密无法区别开来，故障发生的原因由多重系统原因造成，某种情况下虚假的警告也会产生干扰。因而，对全局信息的综合分析处理就尤为重要，通过预先的数据处理，剔除不重要的信息，将关键重要信息传递给综合故障管理控制器，不仅可提高效率，还使故障诊断和维修决策更为准确和具有实际指导意义。

4）PHM系统体系结构类型的选择

PHM系统结构形式的选择受多种因素影响，可根据应用目的性原则、装备适用性原则、运行保障高效性原则，结合使用环境、装备结构特点和应用目的等综合信息进行选择。一般而言，对于一次性工作、小型、结构简单的装备，由于PHM主要用于状态评估以判断是否可用，可选用集中式体系结构;对于断续工作、大型、结构复杂，要求PHM为其进行故障预测进而帮助选择维修时机的装备，可选用分布式体系结构;对于大型、结构复杂且要求持续工作的装备，因为要对装备实行状态监测以避免事故的发生，所以分布融合式体系结构更为适合。无论选择何种形式，都应尽量选择技术成就高、经济性好且对软硬件要求低的结构形式。

2 PHM系统设计实例

2.1 典型先进航空发动机的PHM系统设计

航空发动机的使用可靠性要求高、维修保障性差、維护成本高，传统的机械控制或机械液压控制发动机技术以及经验型的预防为主的维修方式不利于充分使用航空发动机的效能，PHM技术的引入，极大地提高了航空发动机的使用可靠性和安全性，使得维修方式从定时维修转向视情维修为主，同时进行状态监控[6]。

F135涡轮风扇发动机是美国普惠公司为F-35飞机设计的，采用PHM系统，具备最先进的智能状态监视、故障诊断、寿命预测能力，如图5所示。

受制于当时电子计算机技术的发展水平，传统的燃气涡轮发动机几乎没有发动机监测手段，故障诊断和寿命预测几乎都是依靠有经验的工程师来进行，发动机的控制采用机械或机械液压控制技术，这些方式都不利于发动机发挥其综合使用效能。随着传感技术、数据处理技术、计算机技术、电子技术等的不断完善和进步，先进航空发动机逐渐引入这些新兴科技成果，如全权限数字电子控制（FADEC）技术，基于智能计算机的发动机控制系统通过传感器感受飞行员的操纵指令和发动机参数（空气流量、转速、温度、压力等）及外界参数，并将所有信息转换成数字电信号，传递给FADEC中央处理计算机进行综合数据处理，计算机经数模转换后给出控制指令，操纵伺服作动器或电静液作动器控制发动机。同时，该系统还可监测控制系统的输入、输出及计算机自身的工作状态，当检测到控制系统的任何异常后，会根据具体情况选择最为合适的控制方式，使发动机在失效安全模式下工作，同时将所监测到的异常信息存储在自身的存储器（CMDR）中，或将信息发送至飞机驾驶舱仪表板进行告警，机组可以根据告警信息采取相应的措施，飞机返回地面后，维修人员可提取存储的故障数据用于排故。

F-135的PHM系统设计可以满足对发动机进行全权限数字电子控制的需要，精确的燃油调节控制降低了油耗消耗率，节约了成本，电子计算机的自动监控告警功能减轻了飞行员的驾驶负担，同时，该型发动机可进行发动机综合诊断，不仅有利于维修人员快速精准地进行维修，而且有助于发挥飞机的综合效能，所具有的发动机寿命预测功能极大地提高了发动机寿命的预测精度，不仅有助于及时发现故障征兆，而且最大程度降低了飞机发生事故的概率，减少了人员伤亡和财产损失。

2.2 先进直升机机电系统PHM系统设计

直升机机电系统PHM系统设计采用分层融合式结构，同时利用智能推理技术，综合多种类型的推理机软件，从复杂的直升机机电系统部件一步步的综合应用到故障预测与健康管理，实现了视情维修，该系统可实现故障预测和告警的实时监控，对故障发生后的修正措施实施闭环管理，直至故障彻底解决达到系统设计的安全模式，如图6所示。直升机机电平台PHM系统将给出直升机维护的决策建议，指导地面维护人员进行视情维修，帮助直升机营运人降低成本，有利地保证了直升机工作的安全和效率，有利于发挥直升机应具有的工作效能[7]。

3 PHM技术的关键

PHM系统一般需要四个关键功能组成要素：状态监控、故障诊断、故障预测、健康管理，如图7所示。四个要素缺一不可，通过状态监控，了解当前环境和工作条件下装备的状态并明确事故征候和异常;机载软硬件进行分析和计算，得出故障诊断;通过对征候的分析，进而理解其原因和活动过程，通过预置于计算机软件中的预测模型方法进行故障预测;确定故障起因、故障位置和发生时间，指导实施装备的健康管理，解决后继续监测，以评估实施效果而改进系统，完善PHM系统设计，使之更加有效和成熟。

现代装备逐渐进行轻量化设计，为了取代传统的高密度、低强度材料，复合材料的使用极大地促进和发挥了装备的使用效能。面对新型材料的失效，传统的传感器设计将无法达成探测目的，即传感器的设计需要随着材料的变化而不断改进。如何设计传感器采集数据、采集什么数据来反馈装备故障寿命情况，又是一个很大的挑战，需要在实践中经过不断地积累和总结。计算机处理的数据内容将更加复杂，从基础元件或部件系统的传感器信息监测、提取、传递到数据集成的分析和综合诊断，只有每一个过程的实现和正确完成才能得到正确可靠的结论，如何从众多的数据信息中提取出有利于故障预测和健康管理的关键数据，就是PHM实现的关键技术。

4 结束语

PHM技术功能的实现由最初的数据采集，经过逐步传递信息流，到各个部分完成相关功能并传递下去，每一个部分都是开放的，不仅便于维护安装，同时模块化的开放设计便于集成当今各个领域的先进技术成果，使得系统的整体性能更加优越，同时还便于用户使用和管理。该体系结构最主要的作用是实现了装备的视情维修，较传统的定期检修而言，不仅大大降低了维修的人力和成本，同时还有利于提早发现装备的故障，这一功能正是当前复杂装备的保障所需。

隨着信息技术的不断进步，越来越多的装备将采用PHM技术进行全寿命周期的管理，进行故障预测和健康管理将极大地减少维护成本，保证装备的安全运行。