机载设备PHM适用性分析与系统框架设计.doc

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1、机载设备PHM适用性分析与系统框架设计张金春，曹彪，张继军（海军航空工程学院基础部，山东 烟台，）摘 要：针对现有大部分机载设备自身不具备故障预测与健康管理（PHM）能力的情况，从经济可行性和技术可行性两方面入手，对PHM在机载设备中的适用性进行了定性分析，给出了其适用条件。通过对现有PHM系统框架的分析，设计了机载设备离线PHM系统网状通用框架，并对其基本功能模块进行了分析。研究和分析结论对机载设备的PHM研究具有一定的借鉴作用。关键词：机载设备；PHM；适用性分析；基于状态的维修中图分类号：TP277 文献标识码：AApplicability analysis and system fra

2、mework design of PHM of airborne equipmentZHANG Jin-chun, CAO Biao, ZHANG Ji-jun(Basic Department of Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai , China)Abstract: For most of the existing airborne equipments lack of the ability of prognostic and health management (PHM), the applicability

3、 of PHM applied to the airborne equipments was analyzed through economy feasibility and technique feasibility, and the applicable conditions of PHM were given. General framework of PHM system of airborne equipments with network structure was design via the analysis of the existing frameworks of PHM

4、system, and the basic functional modules of it were analyzed. Research and analysis conclusion has a certain reference for PHM study of airborne equipments.Keywords: airborne equipment; PHM; applicability analysis; condition based maintenance作者简介：张金春（1960-），男，汉族，辽宁大连人，教授，硕士，主要研究领域为系统分析与集成、装备保障。 引言基于

5、状态的维修（Condition based maintenance，CBM）是一种先进的维修保障方式1-4，而故障预测与健康管理（Prognostic and health management，PHM）则是实现CBM的重要技术途径之一5-8，但是，并不是所有的设备都适合实施PHM技术。一方面，构建PHM系统是需要成本的；另一方面，有些设备本身不满足实施PHM的条件。以航空机载设备为例，各类机载设备的结构、功能各异，发生故障的类别及其影响也不尽相同，其中，机械系统的磨损、断裂、腐蚀、老化等故障的发生具有明显的发展过程，而且故障后果也相对比较严重，因此就具备实施PHM技术的可能。而有些设备或部件

6、由于故障的突发性或者故障后果的影响很轻微，就不适合实施PHM技术。基于此，本文参考文献1-2的思路和方法，从经济可行性和技术可行性两方面出发，对PHM在机载设备中的适用性进行定性分析，并通过对PHM系统框架的分析进一步给出机载设备离线PHM系统的网状通用框架。2 PHM在机载设备中的适用性分析2.1经济可行性分析依据CBM的实现方式4，PHM技术的实现方式主要有三种：第一种方式属于原生PHM系统，一般是与设备研制同步进行设计实现的，成本最高，但功能全面、效果最好，如F-35飞机自主式保障系统采用的PHM系统9；第二种方式一般是通过对设备的后期改造或改进实现的，成本较高，效果较好；第三种方式可以

7、将其称为离线PHM，与第一种方式有很大的不同，主要是通过外部测试设备、维修辅助设备等间接实现PHM部分功能，适用于不易进行改造的现役设备，成本相对较低，效果没有前两种好，但是能够为维修保障人员提供必要的维修决策支持，提高保障效率。目前现役机载设备大多都不具备可用于实现PHM的内置传感器，只留有测试或检测接口，而且也配备相关的测试设备，但是这些测试设备一般只具有故障检测或诊断功能，缺乏状态健康评估、故障预测以及维修辅助决策等PHM基本功能10。如果对这些机载设备进行改造或改进，抛开可行性不说，光是改造成本就是一笔不菲的费用。因此，在不改动现役机载设备的前提下，利用现有测试设备的数据获取能力，研究

8、并实现离线PHM的部分功能，进而提高机载设备的可用度、减少意外事故的发生，在经济上是可行的。2.2技术可行性分析故障是指产品在规定的条件下，不能完成规定的功能或丧失规定功能的状态11。根据上述定义以及故障的发展过程，可将故障区分为潜在故障与功能故障1-2。通常情况下，设备故障的发生会有一个渐变的过程，均存在由潜在故障发展到功能故障的过程。在故障发展过程中，从潜在故障发现点（P点）到功能故障点（F点）发生之前的时间间隔称为潜在故障期或P-F（Potential failure-Functional failure）间隔期1-2,12，如图1所示。该图反映了产品从开始退化到故障（缺陷）可能被发现的

9、点（潜在故障点P），如果未能发现并予以修正，则产品会继续退化直至到达功能故障点F。因此，P-F间隔期也可以认为是设备的状态退化过程。如果在设备的状态退化过程中能够发现潜在故障，那么，就可以采取有效的措施预防或避免功能故障的发生，而P-F间隔期（状态退化过程）的长短则决定了是否可以采取这样的有效措施。因为如果设备的状态退化速度太快，维修人员无法在该过程内做出有效的反应，那么就可以认为该设备不具有潜在故障。用于检测潜在故障的工作是PHM工作的组成部分，对设备进行检查后，如果设备满足规定的性能指标则可继续使用。图1 P-F曲线示意图设备或部件的磨损、老化、腐蚀、疲劳、失调等故障模式，均存在P-F间隔

10、期（状态退化过程）。如果这些过程能够被监测/检测到，就可以采用PHM对其进行维修决策分析。2.3 PHM的适用对象对于各种具体的设备或部件，并不是全部都可以实施PHM工作。如机载设备中的机械类设备，其故障的发生有一个缓慢发展的过程，即存在明显的潜在故障状态，具备实施PHM的条件，但是，如果该设备的故障不具有安全性后果，而且实施PHM的成本要高于故障造成的损失，那么就没有实施PHM的必要。对于电子类设备，其性能退化过程具有隐蔽性，并且在时间上可能比机械类的要短，但不能就此判断其不适合实施PHM，需要借助其它硬件和软件手段进行综合判断。通过上述分析可知，PHM的适用对象必须满足如下条件1：（1）能

11、够确定设备或部件明显的潜在故障状态；（2）在P-F间隔期内对设备或部件状态进行监测确实可行；（3）P-F间隔足够长，便于能够采取某些维修措施或活动；（4）实施PHM的成本要低于故障后的损失。3 机载设备PHM系统框架设计3.1 机载设备离线PHM系统通用框架设计PHM系统采用的是开放体系结构（Open System Architecture，OSA），如图2所示。不同应用领域中的PHM系统的类型可能会因需求不同而有所不同，但它们体现出来的基本思想是相似的，区别主要表现在具体采用的技术和理论方法的不同13。图2所示的PHM体系结构主要由8个模块组成，且框架结构是一种串行结构。对于大部分连续或离散

12、监测的PHM系统，上述串行结构虽然可以实现根据装备的当前状态以决定是否采取某些维修活动，但是，实践中，根据设备或部件的历史数据甚至经验，特别是对于新设备，同样可以对可能的状态以及故障或剩余使用寿命进行分析并进行维修决策。另外，由于不同的PHM系统可能具有不同数量的功能模块，所以模块之间的关系并不一定是串行结构、缺一不可的1。图2 PHM开放体系结构为此，针对现役机载设备的实际情况，对上述PHM系统框架进行如下改进：（1）应根据所研究对象的复杂程度、重要程度等构建具体的PHM系统。PHM系统最基本的功能模块包括：数据获取、状态监测与健康评估、故障（剩余使用寿命）预测和维修分析与决策。因此，在对具

13、体的机载设备进行PHM系统相关研究时，应根据机载设备的重要性、复杂性以及经济性等因素进行综合权衡。图3 离线PHM系统网状结构通用框架（2）将离线PHM系统框架结构设计为网状结构的通用框架，在该框架中，各模块之间既相互联系又相对独立。图3所示为网状结构形式的机载设备离线PHM系统通用框架。该离线PHM系统的实现是通过外置平台的方式，可以与测试系统融合在一起，也可以是单独的平台。该系统从测试系统或测试设备接收获取设备数据，通过相应的软件实现PHM的部分功能。3.2 基本功能模块分析对于离线PHM系统，状态监测、状态健康评估、故障/剩余使用寿命预测、健康管理等模块可以作为其最基本的功能模块。在此，

14、对离线PHM系统中的这4个基本模块作进一步的探讨。（1）状态监测模块状态监测是为了实现对机载设备状态的跟踪而进行的采集、识别、分类和解译的活动，是防止关键性设备或部件发生灾难性故障的重要手段。在对设备或部件进行监测时，首先需要选择合适的监测参数：在正常模式下，这些参数应当具有稳定性，而在非正常或非健康模式下它们将指示某类趋势，如振动等级增强或压力降低等。设备或部件的许多故障在发生之前都会有特定的征兆，其相应的参数会发生一系列的变化14。状态监测是借助于恰当的仪器设备或技术手段，采集能够反映装备状态或故障信息的重要参数，这些状态参数应能真正反映装备的故障状态。随着设备的复杂化以及自动化程度的不断

15、提高，状态监测技术在维修活动中的应用也在迅速增加，为设备具有高可用度和降低意外停机提供了强有力的支持。通过不间断地监测反映设备状态参数的变化，可以获得设备早期故障的信息，只要设备运行良好，没有因早期故障的出现而发生状态变化，那么通过相关技术手段获得的设备状态参数就应该保持不变。对于武器装备，状态监测方法主要有在线状态监测、手动检查和便携式状态监测三种方式。不同的状态监测技术所用的监测仪器都有一定的局限性，如果能综合地运用各种状态监测技术，将能够比较准确地反映出设备当前的真实状态。（2）状态健康评估模块状态健康评估模块的主要作用是：在功能故障发生前，指示被监测部件、分系统或系统的劣化状况，并对其

16、健康状况进行综合评估；在功能故障发生后，对故障进行定位。状态健康评估依据状态退化趋势、工作状况与负荷，以及历史维修数据等，对设备内部的零部件当前“健康状况”进行诊断评估，以便为后续的故障预测和维修决策提供依据。通过状态评估与故障诊断以达到如下目的15： 查明隐患和初期的异常情况； 评估状态（性能）劣化状况； 故障根源定位。近些年来，得益于计算机技术、人工智能和模式识别等先进技术的发展，故障诊断技术不断得到发展，特别是智能故障诊断方法得到广泛的研究，为设备故障诊断提供了良好的技术手段。（3）故障/剩余寿命预测模块该模块可以从上述各模块获得数据，根据未来的工作剖面预测设备的状态。该模块能够预测指定

17、时间的设备状态或剩余使用寿命。故障预测是应用相关预测模型或智能预测系统对处于潜在故障状态的设备进行故障预测或剩余使用寿命预测16。故障预测需要基于内容的推理，包括：领域内的知识、传感器数据、预测模型和历史的故障数据统计。预测领域是一个活跃领域，随着预测技术的成熟和更多可用的诊断与预测信息的出现，监测系统将会需要更加实时的信息平台。在实际应用中，一个复杂的武器装备系统中的不同传感器可以提供不同的信息，采用数据融合技术可以将来自不同传感器的信息进行有效的综合提取，从而得到故障预测所需要的能够全面反映装备状态的有效信息。在研发PHM系统及其相应的PHM应用软件时，应当多采用信息融合技术，使PHM系统

18、具有综合外在知识和内部信息的分析推理功能或能力。（4）健康管理模块该模块的输入为状态健康评估模块和故障/剩余寿命预测模块的数据，通过定性与定量分析，按照给定的目标（费用、可用度或风险）给出最佳的维修工作（活动）计划和维修时机，并对备件进行管理17。在对设备进行状态监测、健康评估与故障预测的基础上，通过进行维修分析与决策，根据设备的状态信息适时而合理地安排预防性维修活动，可以比较好地解决“过维修”和“欠维修”两者之间的矛盾，避免严重故障后果的发生。对于特定任务的维修策略，需要根据其故障后果，按照任务可靠度、可用度或维修费用等为目标进行维修分析与决策。当设备处于正常状态时，只需要进行例行的日常维护

19、保养即可。当设备处于潜在故障阶段时，通过及时的状态监测以及准确的健康评估、预测和分析决策，进而决定是否需要进行预防性维修。当被监测的状态参数值超出阈值并且状态退化很快达到功能故障点时，设备会发生功能故障，此时需要进行修复性维修。4结论PHM技术是我国下一代武器装备实现自主式保障的关键技术，但我军目前现役飞机基本不具备此功能。因此，在现有条件下，对机载设备进行PHM研究以提高保障效率，具有重要的军事和经济意义。本文的主要研究工作相对比较笼统，在后续的研究中，将会结合部队实际需求和具体的各类设备进行PHM关键技术研究。参考文献：1 康建设状态维修及分析决策技术研究R中国国防科学技术报告，2010:

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21、1-116.5 Yogesh G, Ibrahim Z, Sagar, et al. A framework for prognostics and health management of electronic system C. 2008 IEEE Aerospace Conference, 2008: 1-9.6 Michael G P. Prognostics and health management of electronics M. John Wiley & Sons Inc, Hoboken, New Jersey, 2008: 3-20.7 曾声奎，Michael G P，吴

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23、山东烟台：2012.11 王子玲，许爱强，杨智勇装备故障诊断和预测技术综述J火力指挥与控制，2008, 33(Suppl): 8-10.12 张秀斌视情维修决策模型及应用研究D国防科学技术大学，湖南长沙：2011.13 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, 29(10): 1762-1767.14 李长杰，谢小东，明新国基于状态监测的民机机载设备寿命预测方法现状研究J机械制造，2013, 51(8): 42-45.15 朱大奇，王盛林基于知识的故障诊断方法综述J安徽工业大学学报（自然科学版），2002, 19(3): 197-204.16 李斌，胡雷刚，肖明清航空电子设备故障预测框架与方法J空军工程大学学报（自然科学版），2011, 12(2): 6-11.17 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.作者简介：张金春（1960-），男，汉族，辽宁大连人，教授，硕士研究生，主要研究领域为系统分析与集成、装备保障。曹彪（1983-），男，汉族，安徽临泉人，讲师，硕士研究，主要研究领域为装备保障。张继军（1979-），男，汉族，山东安丘人，工程师，博士研究生，主要研究领域装备保障。联系方式：曹彪，caobiao2001