典型机电系统PHM评价指标分析

隆金波,曲昌琦,蒋觉义,曾照洋,陈 忱,杜 宝

(中国航空综合技术研究所，北京 100028)

0 引言

现代装备要求快速出动任务、保障规模小、机动水平高，需要在维修时能够及时处理故障，提高战备完好率，较少备件并降低寿命周期费用，这些需求要求装备系统具有较高的故障预测、健康评估与维修决策支持的能力。故障预测与健康管理技术(PHM, prognostics and health management)作为支撑装备综合保障的新型技术，已成为装备实现高效保障、智能维修的关键使能技术[1-2]，当前PHM技术已在装备的航空发动机、航电、机电等关键系统开展了广泛的研究，并取得了显著进展[3-4]。

PHM技术实现了装备系统从健康状态监测的方式向系统容错控制、自愈调控和智能维修决策的转变， 从被动的计划维修活动转向了预测性维修模式，从而实现了装备维修活动的时间准确性和部位准确性[5]。机电系统作为通用装备的重要组成部分，其可靠性水平直接影响整机的使用保障及维修活动，是装备系统PHM设计中关键和重要的组成部分。

PHM系统参数和评价指标是开展相关技术研究的设计输入与目标要求，也是对PHM成果进行验收核查的评价依据。国内航空主机所、科研院所与高校开展了大量的PHM技术的研究工作[6]，对技术的概念、内涵有了清晰的认识，对PHM系统与相关模型算法的研究和理论水平有了显著的提高和成效，并在某些装备制造中进行了工程应用，但由于缺乏PHM系统参数与指标体系的建立，导致设计阶段设计方难以明确PHM功能与性能的要求，定型阶段使用方缺乏统一的验收评价标准，使PHM系统工程的熟化进程缓慢。

本文结合装备典型机电系统PHM系统的能力需求，通过分析国外技术发展和标准现状，建立满足适用于装备设计与验证需求的机电PHM系统参数体系与评价指标，解决装备PHM系统开发中缺乏设计依据与评价指标的问题。

1 PHM技术发展

在技术发展方面，国外PHM技术经历了外部测试、机内测试技术(BIT，Built-in Test)、智能BIT技术、综合诊断技术、PHM共5个阶段[4]。 同时在维修决策技术方面，国外的发展也经历了事后维修、计划性预防性维护、基于状态的维护(CBM) 、智能维护[6]几个阶段。PHM技术在装备应用方面，也从过去的部件与分系统级逐渐发展到覆盖至平台级,通过逐步完善，PHM技术目前已形成了精简化、智能化、标准化的技术方法和技术体系[7]。

我国PHM的研究起源于20世纪50年代，近年来，以高校和研究所为主力的研究团队在PHM系统结构、关键技术、智能故障诊断及预测算法方面都有了研究和应用。政府和行业对PHM研究都进行了大力支持，并将很多PHM相关的课题列入了 “863”发展计划[8-10]。北京航空航天大学谢劲松[11]等人在PHM系统硬件验证平台方面进行了研究设计，并实现了验证平台与机载系统的融合；王晗中[12]等人 在雷达雷达装备维修保障系统方面进行了研究和应用， 提高了系统故障诊断和剩余寿命预测的能力；罗华[13]等人在无人机PHM技术方面进行了PHM拓扑结构和逻辑体系的研究。

国内在PHM技术研究和应用方面当前处于技术探索和型号初步实践阶段[14]，但目前在国内尚无体系化的PHM系统评价指标体系作牵引。随着PHM系统工程化应用的不断推进，PHM评价指标对于装备PHM系统研制和核查验证的需求将会越来越紧迫。

2 PHM评价指标标准研究

状态监测技术和故障诊断技术经过多年的应用发展，在技术方面已形成了较为完善的标准体系用于系统验证和产品检验[15]。国际标准化组织(ISO)、国际电子电气工程协会(IEEE)、机械信息管理开放标准联盟(MIM0SA)、美国汽车工程师学会(SAE)、美国联邦航空管理局(FAA)和美国陆军(US ARMY)等组织和机构陆续制定并开发了一系列标准、指南和规范。这些标准从多层面、多角度对PHM系统主要内容进行了规范化约束[15-17]。

PHM系统的验证指标体系不仅是开展相关技术研究的设计输入与目标要求，也是对PHM成果进行验收核查的评价依据[18]。国外在PHM评价指标方面也发布了相关的标准，较为通用的标准有ARP 5783《健康与使用监测指标》和AIR5909《发动机健康管理系统的诊断和预测指标》两箱标准，下面对2项标准进行研究分析。

2.1 ARP 5783《健康与使用监测指标》

ARP5783标准作为一项标准工程实践的指南，其目的是为旋翼与固定翼飞机等装备的健康与使用监测系统中的诊断算法性能评估提供参考。该标准首次发布于2008年2月，并于2012年10月以及2018年5月重新确认状态有效。该标准提供的健康与使用监测指标主要是出于两类需求：一是确保诊断算法能够保持在一个可接受的低虚警率的同时检测出故障，以提高操作的安全性；二是降低基于高性能诊断算法的操作所产生的成本。ARP5783推荐的指标的主要用途可分为以下几类：

1)衡量算法在检测故障时的有效性；

2)衡量算法对虚警的抑制能力；

3)评估算法对多故障、电磁瞬态、飞行条件、不同润滑状态及其它环境变量的灵敏度；

4)建立算法装机使用的接收准则；

5)评估算法执行故障诊断分类的性能。

在ARP5783标准中推荐了“有效性度量”、“分类能力度量”、“数据采集性能”3类PHM指标，如图1所示。

图1 ARP5783中获取的参数集合

2.2 AIR5909《发动机PHM系统诊断和预测指标》

AIR5909系列标准作为一项包含工程参考数据、历史信息及技术协作的资料文件，其主要目的是为飞行器发动机健康管理(EHM)中预测算法提供性能评估指标，首次发布于2016年2月。AIR5909在提供发动机预测方法、预测性能评估参数的同时，也提出了应用建议与注意事项，以增强标准的可操作性，AIR5909中提取的指标如图2所示。

图2 AIR5909中获取的预测性能参数指标

3 机电系统PHM评价指标体系构建

3.1 指标体系构建思路

PHM系统的验证指标体系不仅是开展相关技术研究的设计输入与目标要求，也是对PHM成果进行验收核查的评价依据。

本文在对国内外PHM技术发展、标准发展、功能性能、评价指标等的对比与剖析的基础上，将构建PHM功能与性能评价指标体系的基本思路确定为：主要从AIR5909、ARP5783中提取PHM功能性能评价指标，从CAP753、ARP1839等标准中分析提炼对于PHM系统功能的定性要求，随后融合上述三方面的内容，构建PHM功能与性能评价指标体系。

3.2 评价指标筛选

通过对PHM发展现状、PHM标准现状、机电系统PHM功能/性能及参数分析，结合机电PHM能力需求分析，初步构建PHM系统评价指标，PHM指标体系主要包括PHM状态监测及诊断指标、预测指标、维修决策与评价指标三部分。

3.2.1 监测及诊断指标

机电PHM系统的检测及诊断功能主要用于完成早期故障检测、故障隔离识别，从诊断算法性能评价的角度来看，本文将将其评价因子分解为如下4类：

1)统计分析：直升机机电系统级诊断评估的性能统计随着时间收集在各种分系统或部件上呈现出的多种故障模式数据；

2)准确性/精度：此类指标能够衡量在噪声、不确定性影响下机电系统PHM的诊断评估的置信度；

3)鲁棒性：考虑可能改变诊断结果的各种因素(环境、使用、设计等)的影响后，对算法的敏感性或鲁棒性进行评价。

4)响应时间：此类指标用于评价预测算法在保持准确性和精度的前提下完成故障诊断以促成及时制定行动决策的能力，在实际应用中往往难以准确获取。

所筛选的监测及诊断指标如表1所示。

表1 监测及诊断指标

3.2.2 预测指标

机电系统PHM的预测功能主要用于预计系统/部件的剩余使用寿命，然而预测结果的不确定性是难以避免的，因此需要对预测算法的性能进行准确评价。预测性能指标分为在线预测性能指标和离线预测性能指标，如表2所示。

表2 监测及诊断指标

3.2.3 决策评价指标

机电系统PHM相关技术的应用可以通过消除虚警、不必要的拆卸和不能复现指示，有效降低产品或系统的寿命周期费用，并且能够在减少测试与保障设备、减少人力与备件等方面缩小后勤保障规模。因此，可以通过对PHM技术的实施效果进行费效分析，利用成本效益风险评价指标定量反映系统PHM在经济性上表现出的水平。决策评价指标分为系统整体费效、维修效率、局部测试布局合理性三个方面，如表3所示。

表3 决策评价指标

3.3 评价指标体系构建

基于上述分析结果，并结合指标间的关联性分析，可以得出以下结论。

从信息获取难度上来看：考虑到机电PHM系统对于对关键部件实时监测与告警指示的意义，应首选获取难度较低的可测试与可计算指标，即应剔除诊断性能评价指标中的响应时间相关指标(信息难以获取)、传感器能力评价中的物理特性相关指标(不可测试或计算)。

从指标适用范围上来看：适用于PHM系统整体、关键部件的评价指标有明显区分，同时EHM的特殊地位也使得系统顶层评价指标中也有部分适用于发动机功能性能评价，考虑到前文中提出的指标体系整体逻辑层次性原则，因此不将适用对象层次作为主要的指标筛选标准。此外，对于适用对象类型上来看，初选指标中针对在线预测性能的相关指标在当前的PHM技术状态与条件下难以实现，因此剔除此类指标，并简化原架构中预测性能评价指标的下层结构，典型机电系统PHM评价指标体系如图3所示。

图3 典型机电系统PHM评价指标体系

4 PHM评价指标适用性分析

对于上文形成的各项指标，其评价方向、侧重点、意义、机理不尽相同，导致了指标适用范围之间存在差异，尤其是在针对典型机电系统不同类型的监测对象时有必要明确各项指标的适用范围。

4.1 PHM评价指标适用性分析流程

首先对机电PHM系统要求进行分析，分析对象的监测与诊断性能要求和预测性能要求，然后对照PHM评价指标体系进行指标获取难度和指标获取成本分析。在指标获取难度方面，对可测试指标进行测试难度分析、对可计算指标进行计算难度和准确度分析；在指标获取成本方面，分析测试环境搭建成本要求、测试周期要求和测试样本量要求。经过以上两个维度的分析，本着测试难度适中、测试成本可接受的原则，形成了完全适用类指标和选择适用类指标两个等级，PHM评价指标适用性分析流程如图4所示。

图4 PHM评价指标适用性分析流程

4.2 PHM评价指标适用性等级

完全适用性指标可完全覆盖对象PHM的性能评价要求，且指标测试难度低、计算方法明确、测试费用不高且测试周期较短，如在电子系统PHM评价过程中，检测率、漏检率、检测门限值等评价指标的符合性均可定量化描述，指标计算和获取有特定的理论计算依据，指标可通过软硬件故障注入试验等方式快速获取，此类标准定义为完全适用类标准。

部分适用类标准： 指标可部分覆盖评价该对象PHM系统的功能性能，且有部分指标虽可作为评价该系统的依据，但验证评价过程中指标获取难度较大，成本较高，部分指标评价结果准确度较低，且部分指标无法定量描述，评价客观度较低，部分指标只能参考类似系统或经验进行定性评价，如在液压、燃油、结构等系统或部件中，针对监测率、漏检率等指标，由于系统的退化类故障模式较多，指标验证过程中故障注入试验时间长，且由于试验样本数量的局限性，评价结果的置信度较低，大多数情况下只能依靠同类型号产品或这理论计算值定性评价，指标的适用性有一定的局限性。

典型机电系统PHM评价指标体系的适用性分析结果如表4所示。

表4 评价指标适用性分析结果

5 结束语

评价指标是PHM系统设计输入与目标要求，也是对PHM研制成果进行验收核查的评价依据。本文在分析国内外PHM技术发展和标准发展的基础上，分析国外先进健康管理标准中推荐的PHM评价指标，从指标适用性的角度进行分析和筛选，构建了面向典型机电系统的PHM评价指标体系，为典型机电PHM系统的设计和验证提供了依据。