国外综合诊断、预测与健康管理的发展历程

国外综合诊断、预测与健康管理的发展历程张宝珍引言随着现代武器装备复杂性、综合化、智能化程度的不断提高，为了以更经济有效的方式满足现代战争联合作战和网络中心战等新型作战模式对武器作战效能和敏捷、准确和经济的持续保障能力的需求，综合的故障诊断、预测与健康管理（PHM）技术获得美英等军事强国越来越多的重视和应用。PHM是对武器系统传统使用的机内测试（BIT）和状态（健康）监控能力的进一步拓展，这种发展的主要技术要素是从状态监控向健康管理的转变，这种转变引入了预测能力，借助这种能力识别和管理故障的发生、规划维修和供应保障，其主要目的是降低使用与保障费用、提高装备系统安全性、战备完好性和任务成功性，实现基于状态的维修（CBM）和自主式保障。所谓预测，即预计性诊断部件或系统完成其功能的状态，包括确定部件的残余寿命或正常工作的时间长度；所谓健康管理，是根据诊断/预测信息、可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策的能力。PHM代表了一种方法的转变，即从传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测，反应性的通信转向主动性的3Rs（即在准确的时间对准确的部位采取正确的维修活动）。PHM重点是利用先进的传感器的集成，并借助各种算法和智能模型来诊断、预测、监控和管理飞机的状态。这一技术的实现将使传统的事后维修或定期维修被基于状态的维修（CBM，亦称视情维修）所取代。PHM技术早在2000年就被列入美国国防部威胁减少局的《军用关键技术》报告中，国防部最新的防务采办文件将嵌入式诊断和预测技术视为降低总拥有费用和实现最佳战备完好性的基础，进一步明确确立了PHM技术在实现美军武器装备战备完好性和经济可承受性方面的重要地位。目前，PHM已成为美国国防部采购武器系统的一项要求。一、预测与健康管理技术的发展演变过程PHM技术的演变过程是人们认识和利用自然规律过程的一个典型反映，即从对故障和异常事件的被动反应，到主动预防，再到事先预测和综合规划管理。PHM技术是在传统的状态（健康）监控和故障诊断技术基础上发展起来的。随着系统和设备性能和复杂性的增加以及信息技术的发展，PHM技术的发展经历了由外部测试到机内测试（BIT）→测试性成为一门独立的学科→综合诊断的提出与发展→预测与健康管理（PHM）系统的形成等的发展演变过程。在应用产品层次上，从过去的部件和分系统级发展到现在的覆盖整个平台各个主要分系统的系统集成级；在机械产品和电子产品等领域经历了不同的发展历程，并最终汇聚形成一种综合的故障诊断、预测与健康管理系统。1.由外部测试到机内测试早期的系统比较简单，由彼此独立的模拟系统构成，其故障诊断主要采用人工测试，维修测试人员的经验和水平起着重要作用。航电系统为分立式结构，依靠人工在地面上利用专用或通用测试设备检测和隔离飞机中的问题（外部测试）。外部测试设备需要和被测对象连接，获取其状态信息之后才能进行测试和诊断。有些重要的系统和设备，如飞机上的各系统和设备，操作人员需要实时了解其运行状态，如有故障能及时采取措施，所以需要被测系统本身具有一定的自测试能力，这就产生了嵌入式的机内测试（BIT）。BIT最初是为了警告飞行员有重要部件出了关键故障，后来又成为支持机械师查找故障的助手。早期的BIT只是检测几个主要参数，由人工判断是否为故障，故障隔离则由外部测试设备来完成。后来，由于技术的进步，系统和设备复杂程度增加，检测故障也更困难，因而要求有更强的BIT能力。部件的小型化，特别是计算机技术的广泛应用，为BIT发展提供了有利条件，机内测试能力得到了迅速提高，并出现了能够自动检测和隔离故障的机内测试设备（BITE）。2.测试性成为一门独立学科随着外部测试和机内测试的发展就产生了测试性设计问题。对于复杂的系统和设备，其故障诊断需要综合运用机内测试和外部测试能力才能实现最佳的诊断能力。而要进行机内测试，必须首先把BIT/BITE设计到被测系统中去；要进行外部测试，被测系统要能够方便地与外部测试设备连接，以提供充分的状态信息。因此，需要对被测系统进行测试性设计。1985年，美国国防部颁布了军用标准《电子系统和设备的测试性大纲》（MIL-STD-2165），把测试性作为与可靠性、维修性同等重要的产品设计要求，规定了电子系统和设备各研制阶段应实施的测试性设计、分析与验证要求及实施方法，标志着测试性成为一门与可靠性、维修性并列的独立学科。3.综合诊断的提出与发展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。经过深入研究发现，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，其它诊断要素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。在此过程中，“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（现在的国防工业协会NDIA）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。综合诊断通常定义为通过考虑和综合测试性、自动和人工测试、维修辅助手段、技术信息、人员和培训等构成诊断能力的所有要素，使武器装备诊断能力达到最佳的结构化设计和管理过程。其目的是以最少的费用最有效地检测、隔离装备内已知的或预期发生的所有故障，以满足装备任务要求。综合诊断不是一项新技术或技术组合，也不是一个产品，而是一种系统工程过程。综合诊断的实施必须从装备设计开始，并贯穿于其寿命周期的各个阶段。综合诊断实施的基本途径在于“综合”，即通过有效的组织和配置使各组成单元成为一个整体协同地起作用，具体包括各诊断要素的综合、各维修级别的综合和寿命周期各阶段的综合三方面的内容。美国国防部从80年代中期开始相继实施了一系列综合诊断研究计划，并于1991年4月颁布了军用标准《综合诊断》（MIL-STD-1814），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。综合诊断策略在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F-35（JSF）飞机上得到应用。90年代以后，英、法等欧洲发达国家及俄罗斯也效法美国的做法，提倡在武器装备中通过采用类似综合诊断系统方案的综合维修系统来实现最大的故障检测和隔离能力，以提高武器装备的战备完好性，降低寿命周期费用。冷战结束后，随着美军军费的缩减以及老龄武器装备的日渐增多，美军方和工业界都认识到，影响综合诊断推广应用的主要障碍是缺少一个针对综合诊断的开放系统方法。于是，在1999年，美国国防部办公厅（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，以降低费用，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。美国工业界和学术界也积极开展了综合诊断研究活动。比如，美国国防工业协会NDIA（原美国安全工业协会）多年来一直致力于综合诊断的研究和推广应用，综合诊断这个概念就是该协会首先提出的。近些年来，NDIA系统工程委员会开展了嵌入式诊断方法研究；研究和提出通过综合诊断和改进BIT来降低虚警率的具体措施建议；并受JSF项目委托，开展了电子预测能力和数据需求研讨和研究；为改善机械系统的诊断和预测能力，美“联合大学综合诊断研究中心”，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。4.预测与健康管理系统的形成自20世纪90年代末以来，随着信息技术突飞猛进的发展和广泛应用，综合诊断系统向测试、监控、诊断、预测和维修管理一体化方向发展，并从最初侧重考虑电子系统扩展到电子、机械、结构、动力等各种主要分系统都考虑到，形成综合的诊断、预测与健康管理系统的时机已经成熟。总的来说，PHM系统是在需求牵引、技术推动下，并借助JSF项目的研制契机而诞生的。随着系统复杂性、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，这些需要借助PHM技术来实现；另一方面，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，意味着允许在机上实时完成更多的数据存储和处理功能，消除过多依赖地面站来处理信息的需要，为PHM能力创造了条件；加之，90年代中期启动的JSF项目提出了经济承受性、杀伤力、生存性和保障性四大支柱目标，并因此提供了自主式保障方案，借此机遇诞生了比较完善的、高水平的PHM系统。二、PHM技术的应用概况PHM系统正在成为新一代的飞机、舰船和车辆系统设计和使用中的一个组成部分。PHM技术首先在直升机上得到了应用，并具体演变成使用和状态管理系统（HUMS）。英国自20世纪90年代初期以来已开展了大量的研究工作，开发出直升机HUMS，用来监控悬翼轨迹和平衡、发动机性能和完好状态、齿轮箱和传动副完好状态以及结构使用情况等参数；跟踪疲劳寿命；提供维修趋势信息。美国国防部正在验证的新一代HUMS——JAHUMS具有全面的PHM能力和开放、灵活的系统结构。目前，HUMS在加拿大、荷兰、新加坡、南非、以色列等国的军用直升机中得到广泛应用。PHM/HUMS不仅应用于直升机上，在固定翼飞机和导弹上也开始有应用，如阵风（Rafale）战斗机、B-2轰炸机、“全球鹰”无人机、无人作战飞机（UCAV）、“鹰”教练机、C-130“大力神”运输机、AMRAAM导弹系统等也采用了各种类似系统，美陆军的RQ-7A/B“影子”200战术无人机系统、美国海军P-8A多任务海上飞机也将装备了类似系统。美国空军研究实验室提出了与PHM/HUMS类似的综合系统健康管理（ISHM）系统方案。PHM技术也是美英等国正在联合研制的第四代联合攻击战斗机F-35（JSF）为实现自主式保障而引入的一项核心技术，JSF的PHM技术是美国国防部正在倡导的基于状态的维修（CBM）技术的一个具体体现。美国各军种及其他机构与之类似的技术发展项目如海军的综合状态评估系统（ICAS）和预测增强诊断系统（PEDS）项目、陆军的诊断改进计划（ADIP）、嵌入式诊断和预测同步（EDAPS）计划、NASA第2代可重复使用运载器的航天器综合健康管理（IVHM）系统等。JSF所采用的PHM系统代表了美军目前CBM技术所能达到的最高水平。除了在军事领域的应用之外，PHM还在民用飞机、汽车、桥梁、核电站、大型水坝等军用领域获得广泛应用，成为21世纪名符其实的军民两用技术。有关PHM技术的学术交流活动也非常活跃。NASA举办了首届国际宇航“综合系统健康工程和管理”（ISHEM）（航天领域的PHM）论坛，将其作为一门新的学科推出；美国圣地亚国家实验室与美国能源部、国防部、工业界和学术界合作建立了预测与健康管理（PHM）创优中心（COE），支持PHM技术开发和技术试验和确认；马里兰大学成立预测与健康管理联合会，致力于电子预测与管理方法的研究和培训；美国、欧洲和日本都纷纷召开PHM研讨会，而这些会议的共同热门话题就是电子预测技术。人们普遍认为，电子预测技术目前虽然远未达到成熟，尚不能进入应用，但它代表了PHM未来的一种重要发展趋势。参与PHM