基于AHP的复杂装备PHM技术应用推广影响因素分析∗

庞立伟 李 轲 佟怡铄 刘 晶

（海军工程大学 武汉 430033）

1 引言

故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）是视情维修理念的核心［1］。由于多方面影响，PHM技术在我国复杂装备的研制、使用与维护等方面的发展仍处于初级阶段，并未得到大规模推广。我国目前已经进入武器装备快速发展的阶段，为确保复杂装备充分发挥作战效能和提高经济可承受性，军用飞机等复杂装备给装备维修工程带来了更高的要求。在我国装备快速发展的新形势下，如何在装备维修保障技术中有效应用和推广PHM技术，是一个值得深入探讨的问题。目前国内外PHM研究成果大多集中在PHM技术和应用上［2］，在PHM综合分析方面特别是PHM技术推广应用方面的分析挖掘力度不够。因此有必要开展研究，分析国内外PHM应用推广特点和差距，总结PHM工程推广应用影响因素，提出有针对性的PHM应用推广原则、思路和建议，可以为国内装备的研制、生产与维护等应用提供指导，促进PHM技术的发展。

本文针对复杂装备维修保障现状和技术发展特点，提出了装备PHM应用推广影响因素体系，涵盖技术、应用环境、认知、组织、经济、实施等六个方面。在AHP法原理分析基础上，开展了国内装备PHM应用推广影响因素调查结果分析，给出了PHM应用推广影响因素权重分析结果，可用于指导后续PHM技术应用推广工作。

2 基于系统工程的装备PHM技术应用推广影响因素体系

结合国外PHM技术应用推广的成功经验，以及对国内发展高技术装备PHM技术应用推广现状的思考［3～4］，在系统工程方法论和软件工程的思想指导下，给出了国内高技术装备PHM技术成果转化和应用推广的系统运行过程和对应的影响因素如图1所示。PHM技术产品的成果转化与应用推广的起点是PHM科技成果的研究开发，即PHM的系统功能、应用经验以及产品技术能力等方面的工作；最终是通过PHM实施方面的举措（如技术成熟度水平、系统转化计划编制等）来实现对PHM成果进行生产与销售。PHM应用推广组织架构在中间起着沟通连接两者的桥梁作用。政府的政策标准引导、PHM的认知和重视程度与成果分享机制、相关机构的经济支持等三类影响因素则贯穿整个转化与应用过程始终，对研发方、应用推广组织机构、企业等都有影响。PHM技术成果形成产品生产并投入市场以后的反馈又返回给研发方和企业，影响着PHM成果研究发展的方向。主要包括以下因素。

图1 国内高技术装备PHM技术应用推广系统运行过程和对应的影响因素

2.1 技术影响因素

技术影响因素是PHM系统应用推广的最基础的影响因素，也是PHM系统应用推广的前提。鉴于PHM系统概念本身出现的时间并不长，很多技术还没有发展完善，仍处于发展之中，因此技术影响因素对PHM系统的应用推广来说也是不断发展完善的过程。主要包括：

1）PHM系统功能。不同领域的装备差别较大，各自具有的PHM系统功能要求和技术成熟度也不完全相同，从而决定了现有的多领域装备并不一定真正具备PHM功能。因此该因素是影响PHM系统成果转化和应用推广的重要前提。PHM系统功能主要偏重于PHM系统本身的功能、性能等［5～6］。例如：数据采集功能要求借助于各类检测装置，完成PHM所需基础数据的采集，不但包括通过各类传感器采集的在线数据，也包括通过定期点检等获得的离线数据，但对于有的不便采集测试的部件来说可能会有较大难度；数据处理要求采用各类数据处理算法，对采集的单个∕多个信号进行滤波去噪、特征提取、多信息融合等各类前处理，但是在严酷复杂环境下装备振动∕压力∕电磁等多源数据高精度高可靠传感、复杂工况下基于时频域综合数据处理方法的微弱信号特征精确提取等关键技术尚未完全突破。这些都给PHM系统功能带来不利影响，从而给PHM成果转化和应用推广带来了较大难度。目前该方向影响因素主要是虚警率较高、功能不完善、模型精准度管理难、软件兼容性差等。

2）PHM系统应用经验。装备PHM系统的本质也是一个装备工程系统，因此与许多其他装备系统相似，都经历了理论研究、实验室验证、半实物仿真验证、型号演示验证和最后投入装备定型生产等一系列过程，中间的过程会经历过多次迭代甚至反复，因此在不同型号的装备，甚至是同一类别装备的不同阶段的PHM系统的研发和应用过程中会形成很多经验教训，这些都是宝贵的财富，可以避免后续新型号研制和型号改进过程中PHM系统的研发走弯路。此外，军用战斗机、可重复载运工具（RLV）、军用直升机、舰船等复杂装备的PHM系统验证试验成本很高。例如，NASA的IVHM系统就在X-33、X-34、X-37等多型航天飞行器上进行过演示验证。在X-33上验证时，美国军方开展了53次测试任务，收集了25G数据，对这些飞行数据进行了分析以验证IVHM系统性能和功能。验证结果表明，试验集成和飞行测试表明了基于商用货架的开放式体系结构的先进性［7～9］。如果在PHM系统研制和应用推广时，能从以往型号装备的研制试验应用过程中吸取经验教训，无疑将会大有裨益。目前该方向影响因素主要是PHM系统应用成熟经验较少、应用经验交流不足等。

3）PHM产品技术能力。PHM产品技术能力是目前PHM研发和应用的核心技术的能力和差距分析，是当今最受关注的领域。主要包括传感器、模型和算法、决策支持技术、数据挖掘以及状态监测。目标是辅助实践者识别具体的技术就绪水平、差距、合作机遇和路线图。与其他影响因素相辅相成地使用将提高技术成功转化到使用项目的机遇。例如，针对PHM产品的异常检测技术能力，目前主要的关键技术包括基于数据驱动的关联异常检测技术、基于数据驱动与物理特性的聚集异常检测技术、基于专家经验模型与数据驱动结合的装备多元异常检测技术等，技术难点包括如何选择有效的异常识别方法、漏诊率和误诊率低的异常检测、异常检测结果可解释性差等。针对PHM产品的故障诊断技术能力，主要的关键技术包括基于数据驱动的复合故障诊断技术、基于知识和数据驱动的故障传递因果链分析技术、基于信号特征参数提取的早期微弱故障诊断识别技术、基于数据驱动的间歇故障诊断技术等，技术难点包括复杂系统多故障因素耦合导致故障难以相互隔离、装备早期故障信噪比低和提取技术难度大等。针对PHM产品的故障预测技术，主要的关键技术包括物理模型的构建和优化技术、基于物理模型的变工况条件下故障与寿命预测技术、基于有限数据资源的故障与寿命预测技术、基于数据驱动和模型的预测不确定性分析技术等，技术难点则包括提高故障预测准确度的有效方法、系统级故障预测、电子类对象故障预测等。上述PHM产品的技术能力都给PHM的研发和应用推广带来了很大的难度和挑战［10～11］。目前该方向影响因素主要是传感器技术，健康状态评估方法，诊断方法，预测方法，决策推理方法，融合∕集成方法等。

4）PHM体系结构。想要构建PHM系统，系统的结构设计不可忽视，它是构建的基础，降低PHM系统设计和开发的复杂度可以通过设计好的系统结构来完成，它还有利于各个功能的正常发挥。基于模型推理的系统结构、基于逻辑分层的系统结构以及基于区域管理器的系统结构是PHM系统结构中较为普及的三种形式。上述三种形式的设计思想是较为类似的，主要的不同点在它们适用的领域，在它们适用的领域里使用不同的方法和技术可以发挥更好的作用。为了方便统一，并且适合各类系统之间的交互作用，OSA-CBM已经作为PHM系统结构设计的行业标准，而且它已经被广泛使用在其他领域。它是综合了系统的共同设计的思想、应用技术以及方法的基于状态维修的开放式体系结构。在体系结构设计技术方面，OSA-CBM已经成为事实上的航空、航天、舰船等领域复杂装备PHM的体系框架，已得到了较为广泛的认可。例如通用电子（GE）、霍尼韦尔等单位提出的PHM系统总体设计均借鉴了OSA-CBM提出的技术框架。在此方面更多的工作是需要根据不同装备型号特点梳理装备PHM需求，形成有针对性的不同型号装备的PHM技术体系和系统体系架构。PHM体系结构包括必须掌握否则可能影响解决方案的各种体系结构，如若干机上和机下系统、分发、存储和使用体系结构。体系结构的作用是为评估针对特定解决方案的现有的和缺少的体系结构部件提供一种通用和开放的基础。主要目标包括识别机上和机下功能、确定健康状态数据的存储、分发和利用等。目前该方向影响因素主要是机上、机下、传输、软件、分发、利用等PHM体系架构的具体内容。

5）PHM基础设施能力。包括处理和存储硬件、网络、显示器和便携式维修辅助之类的保障设备和基础数据条件及数据库等。现有的基础设施对数据采集、传输和吞吐量之类的参数有限制。需要考虑这些元素，以确保能够实现与其他基础设施技术元素的充分集成。基础设施是一种系统化方法，它识别健康状态数据和信息在整个企业内的存储、交换或传输方面的能力差距和约束。基础数据库作为PHM基础设施能力的重要组成部分，其构建是PHM技术成功推广应用的关键环节。PHM技术的推广应用很大程度上依赖于装备的PHM数据库基础体系架构构建工作。国内装备PHM研究的一个不足是目前很多单位只关注系统级PHM问题，注重数据应用，却忽视数据来源与积累。由于研究零部件级的故障模式与机理需要投入大量的经费和试验数据的长期积累，其中，只有部分单位重视零部件级、模块级PHM问题，认真踏实地研究零部件级PHM问题，在许多关键零部件级的故障模式和机理还不明确，即没有建立数据库基础体系和缺乏坚实的基础的前提下，建立系统级PHM。目前该方向影响因素主要是基础数据库和数据管理保障、平台接口与自主保障信息系统接口、地面站环境、试验与集成工具、制造∕维修、ATE等。

6）PHM系统下一代能力。在以“工业4.0”为标志的互联网+时代，随着大数据和云计算等一系列关于智能制造和智能服务技术的发展及应用，复杂高技术装备测试与控制的智能化水平得到显著的提升，这就为PHM技术的推广应用提供了有力保证。大数据、云平台、人工智能等新兴技术已经成为未来PHM技术发展的热点领域。在装备PHM系统研制和应用推广中如何结合先进的下一代新信息技术是未来PHM发展的重点方向。以大数据为例，随着传感器设备和测控技术的发展，大型复杂装备数据呈现出参数多、数据量大、参数类型多样化等特点。传统的数据计算和存储方式难以满足当前试验要求，工业行业大型复杂装备大数据处理的需求日益明显。越来越多的工业企业已经慢慢从业务驱动向数据驱动转变，深挖数据价值成为装备试验未来发展的新思路。基于大数据的分布式计算和分布式存储能力已经成为提升未来大型复杂装备试验与测试能力、装备健康管理与视情维修的重要基础。我国在2017年发布的《大数据产业发展规划（2016－2020年）》中明确提出，“通过大数据监控优化流水线作业，强化故障预测与健康管理，优化产品质量，降低能源消耗。提升经营管理大数据应用水平，提高人力、财务、生产制造、采购等关键经营环节业务集成水平，提升管理效率和决策水平，实现经营活动的智能化。推动客户服务大数据深度应用，促进大数据在售前、售中、售后服务中的创新应用”。目前该方向影响因素主要如何是与下一代技术能力结合（如大数据、人工智能、云平台、物联网等）。

2.2 认知影响因素

该因素决定了解决PHM技术产品应用推广认识问题。主要包括PHM系统认知和重视程度、PHM应用人员态度、PHM系统研发应用认识、成果分享机制等。

2.3 组织影响因素

该因素有助于帮助PHM技术应用推广。通过PHM技术产品的应用推广计划方案和管理模式来开展PHM组织层面的工作，保障研制和应用工作有序进行。

2.4 应用环境影响因素

大环境方面，国家和企业的政策标准、法律法规等为PHM技术应用推广提供引导支持；小环境方面，PHM系统是否得到真正的重视、发挥真正的作用，还与PHM系统总体单位、应用单位的PHM的使用水平、管理经验等要素有关。

2.5 经济影响因素

该因素包括费效、风险评估、资源、数据类别、验证需求、指南、政策、采办策略等，通过对性能相对于实现性能的关键主宰因素（费用、效益、权重、风险等）进行建模，评估使用目标、费用、效益和设计约束，对有效落实解决方案非常关键。

2.6 实施影响因素

该因素包括用户对健康管理功能产生的数据的利用方式，可以用于确定转化计划。转化计划可能需要包括合格认证、培训和持续保障需求。

2.7 总结

为避免影响因素个人喜好的主观性问题，本文作者走访了国内航天航空、舰船、车辆等相关领域的总体设计单位、应用单位、高校、研究机构等单位并进行了调研，在大量的文献资料基础上，按照各因素之间相互独立且不具有相互依赖性提取出PHM技术推广应用的影响因素，进行取舍和划分，最终分类为技术、认知等6类因素，32种子因素。如表1所示。

表1 PHM技术推广应用的影响因素总结

3 层次分析法原理

层 次 分 析 法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是一种将定性和定量有机的结合起来的决策方法，具有适用性、简洁性、实用性等特点［12］。使用步骤如图2所示，主要包括：

图2 AHP使用步骤

1）首先，我们必须确定问题是什么，即模型的目标层。许多与问题相关的因素都需要经过筛选以及分类，并作为准则层。对于准则层下的因子，它被定义为子准则层。

2）构造判断矩阵。为了比较这两个因素的相对重要性，有必要建立耦合矩阵和这两个因素之间的关系。两个因素间的比值用1到9的标度表示，说明如下：1为同等重要；3为稍强；5为强；7为很强；9为绝对强；2，4，6，8为以上标度中间值；倒数值为aij=1∕aij。选取某一准则C，然后拿出被比较的元素 A1、A2、A3、……，假设有4个元素，则建立的判断矩阵A。

3）层次单排序及其一致性检验。包括：（1）在构造判断矩阵A后，计算A的最大特征值λmax，再运用特征方程AW=λmaxW，计算出特征向量W，然后对W做归一化处理，这种方法就是层次单排序。判断矩阵最大特征值和特征向量常用的计算方法包括和积法等。（2）平均随机一致性指标R.I。（3）计算一致性比例C.R.（Consistency Ratio）。当C.R.<0.1时，一致性可以接受，当C.R.≥0.1时舍弃。当为一阶、二阶矩阵时，C.R.=0。

4）合成权重及一致性检验。若上一层次A包含n个元素：A1，A2，···，An；其层次总排序权值分别为a1，a2，···，an；处于下层的B有m个元素B1，B2，···，Bm，其相对元素Aj的层次排序权值分为b1j，b2j，···，bmj，则形成B层次排序权值。

4 装备PHM应用推广影响因素权重分析案例

4.1 应用推广影响因素权重调查问卷设计

问卷是根据层次分析法（AHP）的形式设计的。确定在PHM应用推广影响因素之间相对权重是此调查问卷的目的所在。对处于同一层次的影响因素重要性进行两两比较。测量量表分为五个等级9，7，5，3，1 的数值分别对应的是绝对重要、十分重要、比较重要、稍微重要、同样重要。每层影响因素，都使用了两两对比表的打分，调查问卷中共有7个对比表需要打分。问卷调查的对象是PHM技术应用领域的相关工作人员，涉及到航空航天领域、舰船、交通等领域研究机构、企业及高校，基本涵盖了PHM技术应用的各参与方，可以比较全面地反映现实情况。调查问卷以电子邮件、纸质等方式发放，共收到问卷60份，有效率为100%。

4.2 基于AHP的应用推广影响因素权重具体分析

1）层次分析模型及构造。根据前面的分析结果，可以确定目标层为技术类因素、认知类因素、组织类因素、应用环境类因素、经济类因素、实施类因素；指标层见最底层的32个因素。

2）构造判断矩阵。建立目标层A：PHM应用推广影响因素，准则层为B1技术因素、B2认知因素、B3组织因素、B4应用环境因素、B5经济因素、B6实施因素，取调查问卷中的编号为1的数据作为示例，建立判断矩阵，对其他组的数据做同样处理，可建立B-C判断矩阵，进行各因素两两比较。

3）层次单排序及其一致性检验。由于客观事物的复杂性和主观理解的差异，有必要测试收集到的数据的一致性并评估其可靠性。仍以上述调查表数为例，运用和积法计算出判断矩阵A的最大特征值λmax=6.2154，及其对应的特征向量为W=［0.512，0.134，0.041，0.056，0.125，0.132］。将最大特征值代入计算公式：

查表得到R.I.=1.24。

4）一致性检验。计算 C.R.=C.I.∕R.I.=0.0347<0.1，通过一致性检验，同样对其他组数据进行一致性检验，得到C.R.的值。

4.3 应用推广影响因素权重分析结果

首先，对一致性检验合格的48份调查问卷的每个标度值进行平均值计算，Wi表示权重；然后形成表2所示的结果，即为构建的判断矩阵。

表2 第一层影响因素判断矩阵

对以上分析结果进行汇总，得出影响因素参数值。经过总排序及一致性检验，根据公式计算。C.R.=0.0064<0.1。通过一致性检验后，求各PHM应用推广影响因素的权重排序图形如图3所示。

图3 PHM技术应用推广影响因素调查分析计算结果

经分析，PHM技术应用推广影响因素调查分析计算结果与领域专家咨询结果较为一致。后续在进行PHM技术应用推广研究时可优选选择上述排序结果开展工作。

5 结语

复杂装备故障预测与健康管理是一项任重道远的工作，也是一项装备维修保障的系统工程。在复杂装备维修保障工程中引入PHM理念，可以使复杂装备的维修和维护任务分工更加明确，可显著减少装备灾难性事故的发生，是适应新时期复杂装备维修保障发展的重要技术。本文提出了基于AHP的PHM应用推广影响因素体系和影响因素分析案例，希望能够对PHM技术在装备维修保障中的有效应用和推广有所助益。