故障预测与健康管理(PHM)技术研究

故障预测与健康管理（PHM）技术研究1内容提纲PHM概述定义、沿革、特征、意义PHM技术体系结构、关键技术、工程设计设计工具、验证与确认PHM应用典型应用举例2故障诊断与综合健康管理——与医学概念的类比医学工程疾病诊断故障诊断通过观测、化验和医疗仪器,通过传感器、信号处理和检测仪结论由医生给出结论由诊断软件给出多科会诊综合诊断多科医生一同诊断当前疾病运用多种诊断技术诊断当前故障疾病预防与保健故障预测与健康管理体检、疾病预测、保健体系健康监测、高级故障诊断、故障/寿命预测(健康、亚健康、疾病、寿命预测,(健康、亚健康、故障、部件寿命预测,保健措施;过去、现在和将来)决策/维修建议;过去、现在和将来)3PHM概述技术沿革技术特征研究意义4综合运载器健康管理从VHM(VehicleHealthManagement)到IVHM（IntegratedVHM）“综合”（即“I”）意味着健康管理遍及运载器的所有部分及生命周期的所有阶段。预测及健康管理（PHM,PrognosticsandHealthManagement）这是联合攻击战斗机JSF研制中对IVHM概念的另一种提法，它的PHM（空中）+JDIS（地面）构成完整的IVHM系统。健康管理技术演变（1）5故障检测、隔离和重构（FDIR，FaultDetection,IsolationandReconfiguration），60/70年代的空间工业中采用，以各子系统的BIT为基础，以故障代码的形式报告，以报警为主，重构在低层系统实现，缺少预测。运载器健康监控（VHM,VehicleHealthMonitoring），从概念上它只是FDIR的一部分，对象针对运载器。健康管理技术演变（2）6系统健康管理（SHM，SystemHealthManagement）首次将安全性、可靠性、故障管理、可测试性及成本分析纳入一个统一的构架，定义了一个结构化的健康管理系统。运载器健康管理（VHM，VehicleHealthManagement）“管理”跨度为两个方面：①自主重构②安全且成本有效地实现任务目标而分配资源健康管理技术演变（3）7以信息为依据的维修（IM，InformedMaintenance）或基于状态的维修(CBM,Condition-basedMaintenance)根据所掌握的运载器状况来进行有针对性的维修。以飞行中的实时报告、部件的寿命记录、历史数据、维修案例等为依据，高效组织维修活动，降低维修成本，减少维修时间。健康管理技术演变（4）85级预测——是否可以预报部件/子系统失效，并且根据要求或实际情况进行维修？是否可以与控制综合？4级高级诊断——是否能够在部件失效前得知其性能正在降低？能否根据运行情况监测到异常、间歇性故障和单次出现的事件？CND能否最少？3级集成系统结构——在给定系统运行、保障和安全性需求时，系统软、硬件结构能够提供IHM要求的数据和资源吗？IHM系统容易升级吗？存在支持技术成熟化的闭环处理过程吗？2级综合诊断——可以在不同子系统之间追踪引起失效的根本故障吗？诊断分析与设计是系统工程过程中的一个有机组成部分吗？数据与分析模型可以共享/重用吗？1级内置测试（BIT）——基于定义的离散阈值判断，是故障还是可以接受的性能？健康管理技术演变（5）92.飞机PHM技术演变过程(一）PHM技术的一般演变过程（二）舰载机PHM能力演变过程（三）大型客机PHM能力演变过程10（一）PHM技术的一般演变过程发展阶段：应用层次：部件级2.飞机PHM技术演变过程分系统级系统集成（区域管理器）外部测试机内测试（BIT）智能BITPHM综合诊断11(1)从外部测试到机内测试（BIT）（60-70年代）早期的飞机系统比较简单，航电系统为分立式结构，依靠人工在地面上检测和隔离飞机中的问题（外部测试）。这些飞机由彼此独立的模拟系统构成；随着飞机系统变得复杂，机内测试（BIT/BITE）被引入飞机中，先是为了警告飞行员在重要部件中出了关键故障，后来又成为支持机械师查找故障的助手。（一）PHM技术的一般演变过程2.飞机PHM技术演变过程12(2)从BIT到智能BIT（80年代）•为了解决常规BIT存在的问题，美国原罗姆航空发展中心（RADC）在80年代初率先提出运用人工智能技术来改善BIT的效能，以降低虚警、识别间歇故障，这就是所谓的智能BIT。•智能BIT是指，采用人工智能及相关技术，将环境应力数据、BIT输出信息、BIT系统历史数据、被测单元输入/输出、设备维修记录等多方面信息综合在一起，并经过一定的推理、分析、筛选过程，得出关于被测单元状态的更准确的结论，从而增强BIT的故障诊断能力。•20多年来，智能BIT技术有了迅速发展，先后出现了综合BIT、信息增强BIT、改进决策BIT、维修历史BIT、自适应BIT和暂存监控BIT等多种智能BIT技术。•智能BIT技术已经应用到F-16与F-15的改型和新研制的F-22、JSF等第三、第四代航空装备中。（一）PHM技术的一般演变过程2.飞机PHM技术演变过程13(3)综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代）20世纪70-80年代，复杂装备在使用中暴露出测试性差、故障诊断时间长、BIT虚警率高、使用与保障费用高、维修人力不足等各种问题，引起美英等国军方和工业部门的重视。美军及工业界分别针对自动测试设备(ATE)、技术资料、BIT及测试性等各诊断要素相继独立地采取了很多措施，力图解决这些使用与保障问题，结果不理想。问题的根源在于各诊断要素彼此独立工作，缺少综合；而且除测试性和BIT外，都是在主装备设计基本完成后才开始设计的。从解决现役装备保障问题的角度出发，美国国防部颁布军用标准和国防部指令，强调采用“综合后勤保障”的途径来有效解决武器装备的保障问题。“诊断”问题成为贯彻综合后勤保障的瓶颈。美国原安全工业协会于1983年首先提出了“综合诊断”的设想，对构成武器装备诊断能力的各要素进行综合，并获得了美国军方的认可和大力提倡。（一）PHM技术的一般演变过程2.飞机PHM技术演变过程14(3)综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代）美英等国相继开始研究综合诊断方案，并在现役装备改进改型和新一代装备研制中加以应用。A.美国军方综合诊断的研究与应用a.80年代中期相继实施了综合诊断研究计划通用综合维修和诊断系统（GIMADS）计划(空军)综合诊断保障系统（IDSS）计划(海军)维修环境中的综合诊断(AIDME)计划b.1991年4月，颁布军标和指南，把综合诊断作为提高新一代武器系统的诊断能力和战备完好性，降低使用与保障费用的一种有效途径。DoD颁布军用标准MIL-STD-1814《综合诊断》美国空军也颁发了综合诊断指南AFGS-87256c.1990年，DoD和各军种赞助一些综合诊断演示验证项目和旨在改进装备诊断能力的多项研究项目，并在现役装备中加以应用。d.同时，在20世纪80年代中后期开始研制的新一代装备（空军F-22、海军的攻击核潜艇SSN-21、陆军的主战坦克MIA2等）及在研的JSF上都应用综合诊断的新思路。（一）PHM技术的一般演变过程2.飞机PHM技术演变过程15(3)综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代）e.1999年，OSD启动了“综合诊断开放系统方法演示验证”（OSAIDD）研究计划，探讨统一的、通用的综合诊断功能实现方法的可行性。OSAIDD的战略目标是：降低费用，增加互用性，加快引入新技术。该项目通过对军、民领域内具有不同测试和诊断特征的10个典型案例的深入研究和演示验证，最终提出一种基于信息的综合诊断开放式体系结构，并制定了实施路线图。B.美国工业界综合诊断的研究活动a.开发综合诊断软件工具，在美军多种武器型号和NASA航天系统的研制、测试和维修中应用哈里斯公司开发了“武器系统测试性分析软件（WSTA）质量技术系统公司开发了TEAMS综合诊断工具集乔达诺自动化公司开发了并行工程工具集（CETS）和“诊断师”工具等。b.美国国防工业协会(NDIA)的综合诊断相关工作首先提出ID的概念,多年来一直致力于ID的研究和推广应用综合诊断小组委员会开展了嵌入式诊断方法研究借助综合诊断和改进BIT来降低虚警率的措施方法研究受JSF项目委托,开展电子预测能力和数据需求研讨和研究（一）PHM技术的一般演变过程2.飞机PHM技术演变过程16(3)综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代）c.机械产品综合诊断研究美“联合大学综合诊断研究中心”，正针对机械故障机理、无损检测技术、机械状态监控方法等展开广泛研究。d.测试与诊断联盟的相关活动1999年4月美国成立了由测试与诊断行业协会和公司参加的测试与诊断联盟（TDC）。TDC目前包括美国国防部、BAE系统公司、洛克西德·马丁公司、霍尼韦尔公司、雷神公司、泰瑞达公司、安捷仑公司等32名成员。TDC正在通过推动跨行业合作，共享测试与诊断领域（特别是民用测试与诊断领域）好的做法、经验和教训，跨行业协调研发资源和民用解决办法，促进在军工产品中采用开放式综合诊断体系结构和开放式自动测试系统。C.综合诊断的发展趋势综合诊断向测试、监控、诊断、预测和维修管理一体化方向发展，主要表现在：诊断系统复杂性和综合程度日益增加；综合诊断系统向基于信息的开放式体系结构发展，诊断数据采用标准通信方式；模型成为诊断设计和诊断功能的基础，即基于模型的诊断；嵌入式诊断和预测功能日益加强，并出现了专用的诊断分系统（区域管理器）;广泛运用人工智能（机器学习）技术，诊断系统自主能力日益提高.（一）PHM技术的一般演变过程2.飞机PHM技术演变过程17(4)PHM技术诞生需求牵引：系统复杂性、信息化和综合化程度大幅度提高装备维修保障工作重点已由传统的以机械修复为主，逐步转变为以信息的获取、处理和传输并做出维修决策为主。以往的事后维修和定期维修已经无法很好地满足现代战争和武器装备对装备保障的要求，在这种情况下，美军20世纪90年代末引入民用领域的CBM,作为一项战略性的装备保障策略，其目的是对装备状态进行实时的或近实时的监控，根据装备的实际状态确定最佳维修时机，以提高装备的可用度和任务可靠性。技术推动：大容量存储、高速传输和处理、信息融合、MEMS、网络等信息技术和高新技术的迅速发展。契机：美军重大项目F-35联合攻击机（JSF）项目的启动。（一）PHM技术的一般演变过程2.飞机PHM技术演变过程18F-8A-7AV-8BF/A-18A/BF/A-18E/FE-2CV-22H-60H-53JSFCapabilities+Performance（二）舰载机PHM能力的演变过程F-14C/D1970198019902000T-45COSSIIMD2.飞机PHM技术演变过程借助发动机状态监控系统，使得A-7E飞机因发动机故障引发的事故率减少90%；飞机每飞行小时的维修工时率减少66%；飞机总的事故率降低66%。19F-8A-7AV-8BF/A-18A/BF/A-18E/FE-2CV-22H-60H-53JSFCapabilities+Performance（二）舰载机PHM能力的演变过程F-14C/D1970198019902000T-45COSSIIMD由于缺乏综合诊断能力，在存储、传输和处理离机数据方面缺乏有效手段，致使AV-8B、F/A-18A/B、T-45、E-2C、F-14C/D的诊断能力的有效性大打折扣。计算能力的提高和智能BIT的应用致使F/A-18E/F和V-22的诊断能力有大幅度提升。2.飞机PHM技术演变过程20F-8A-7AV-8BF/A-18A/BF/A-18E/FE-2CV-22H-60H-53JSFCapabilities+Performance（二）舰载机PHM能力的演变过程F-14C/D1970198019902000T-45COSSIIMD对于V-22项目和H-53及H-60直升机项目，从齿轮箱到航空电子设备，整