PHM智能诊断及健康管理保障系统

目录

1、PHM的基本概念

2、国外PHM技术发展情况

3、国内PHM技术发展状况

4、国内外PHM技术差距分析

5、PHM发展与应用建议

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1、PHM的基本概念

该技术体系基于状态的维修理念发展而来，在资产管理中注重状态感知功能。它通过关注设备的状态感知能力,借助数据分析手段,实现对其健康状况、故障高发部位及其运行周期的监控,从而实现对设备故障的精准预测,显著提升了运维效能。

早期应用主要集中在航空发动机领域中，在此领域的代表有GE F404和PW F117等著名发动机型号。其声名大噪的关键时期在于美国第五代战斗机（F-35）项目中智能后勤信息系统ALIS的成功实施，在该系统中整合了飞机状态监控、健康评估以及故障预测等多个核心功能模块，并涵盖了维修与后勤保障等多个方面的工作内容。值得注意的是，在此之前开展的应用更多停留在测试与监控阶段或者是健康管理层面，并未真正实现故障预测功能以达到全面健康管理的效果目标。而正是基于具备故障预测能力的概念设计才使得F-35成为真正意义上的先进 Persistent Homology（PH）技术运用实例

可追溯至上世纪七十年代时期的技术发展背景下，《性能健康管理》（Performance Health Management, PHM）概念的萌芽已初见端倪。这一技术体系最初应用于至上世纪八十年代初的美国F-18“大黄蜂”战机F404发动机监测系统中。然而，在那个阶段的技术环境下，并未发展出具备故障预测功能、关注大数据分析以及突出显示大数据分析能力的相关体系框架。因此，在当时所应用的技术手段中，“大黄蜂”战机并未真正实现具备现代意义上的PHM特性。具体而言，在该阶段的应用中主要实现了剩余寿命评估、操作极限监控、传感器失效检测、熄火检测、着陆推力评估以及飞行员启动记录等功能模块的支撑；但明显缺乏关键的故障预警机制和综合性的数据分析能力支撑。

早期关于PHM的研究较少地关注故障预测这一领域。尽管F-22拥有相似的设备和系统架构，在功能划分上它仍未能完全实现预测性维护的目标。值得注意的是，在飞行阶段收集的部分数据信息与着陆后获取的数据相比尚显不足。然而通过将维修辅助计算机连接到该接口并发送激励信号可以实现对关键部件测试数据的有效获取这一技术手段在当时已是较为先进的手段但其应用局限性仍在一定程度上限制了其作为真正预测健康管理技术的地位

随着现代武器装备日益复杂化、综合化以及智能化程度的不断提升，在追求信息化战争时代实现武器装备作战效能及快速响应、精准打击和持续保障需求的过程中，在20世纪90年代中期时期，PHM技术应运而生，并受到了包括美国和英国等军事强国在内的广泛关注。

该技术通过整合监测数据、专业知识库及维修保障信息等资源，并结合多种智能算法和推理模型实现武器装备运行状态的全程感知与管理功能。该系统能够有效提升故障检测与隔离效率，并最终完成智能任务规划及基于设备状态（历史、当前及未来状态）的智能维护工作。当前该技术已形成一项关键核心技术，并推动着现代武器装备自主化后勤管理和全生命周期成本优化的发展方向。

该系统通过PHM技术实现了从传统的健康监测模式向健康管理（容错控制与余度管理、自愈调控、智能维修辅助决策、智能任务规划等）的重要转变。它不仅将故障检测与诊断的能力提升到对未来健康状态进行预测的高度，并将被动式的反应性维修模式转为主动、前瞻性的维修活动。这种转变确保了在准确的时间段内对正确的部位实施精确的维护措施。该技术的主要功能体现在以下几个方面:首先是对关键系统/部件的状态实时监测（包括传感器采集的各项参数及其性能指标）；其次是基于这些数据进行故障检测与隔离；然后是基于历史数据和实时信息进行健康趋势分析及寿命预估；接着是基于上述分析结果制定最优的维修策略；最后是建立完善的资源保障体系以支持以上各项功能运行

2、国外PHM技术发展情况

1、发展概况

伴随着系统与设备日益复杂的趋势以及信息技术的不断进步，在国外PHM技术的发展历程中经历了多个阶段：首先是外部测试阶段；随后依次开展机内测试（BIT, Built-in Test）、智能BIT；接着进入综合诊断阶段；最后完成整个PHM体系的构建。与此同时，在维修决策技术方面也经历了从事后维修到周期预防性维护再到状态维护（CBM, condition based maintenance），并在其发展过程中逐渐形成了以CEM为基础并更加注重设备未来健康状态的智能维护模式。在产品应用层面，则从早期仅涵盖部件及分系统层面发展至对整个平台各主要分系统的系统集成级管理；同时也在电子产品应用范畴上向机构与结构领域以及机电产品等其他相关领域延伸。经过不断的完善与发展，在这一过程中PHM已建立起由精简化、智能化、同步化等特性组成的标准化技术支持体系，并形成了较为完善的标准化技术支持体系框架。通过建立涵盖数据釆集与传输、数据处理（包括状态监测与评估预测诊断功能）、决策支持功能以及综合信息管理功能的技术结构体系，并且还制定了相应的技术和标准规范体系及机制保障措施

当前阶段而言, PHM技术已获得了包括美英在内的众多军事强国的深入研究和广泛应用, 并正逐步成为新一代武器装备研制及应用过程中不可或缺的重要领域之一. 其中具有代表性的PHM相关系统包括: F-35飞机PHM系统,直升机健康与使用监控系统(HUMS),波音公司的飞机状态管理系统(AHM),NASA飞行器综合健康管理(IVHM),美国海军综合状态评估系统(ICAS)以及预测增强诊断系统(PEDS)等

2、应用成效

在《PHM解读（一）》一文中也提及到，在欧美国家中对PHM技术的应用极为广泛而且规模庞大。统计数据显示，在降低维护保障成本的同时，并显著提升了武器装备的安全性、可用性和完好度，并确保任务的成功实施以及战争能力的持续提升方面发挥了重要作用

3、PHM验证评价

通过验证评价可以确定PHM设计方案是否满足预期目标，并进而为方案优化和改进措施的制定提供依据。在整个PHM生命周期中扮演着不可或缺的角色。美国已公开的PHM验证系统如表2所示。

国外PHM验证评价系统特点及趋势如下：

经过精心构建的故障数据库集成了多种类型的数据,包括仿真故障注入数据、试验台故障注入数据、武器装备测试数据及实际运行数据等,这些数据涵盖了从理论模拟到实际应用的完整生命周期。随着技术进步,半实物仿真与全数字仿真是推动系统发展的重要手段,尤其是在提升系统可靠性和效率方面具有重要意义.

本研究涉及PHM全生命周期管理：涵盖数据采集、数据处理以及信息管理等多环节，并对传感器设备及其数据采集系统、故障诊断和预测相关的算法模型、辅助决策支持系统以及信息整合管理系统等功能模块进行了全面的验证工作。

3） 可模拟用户操作，实现人在回路的测试。

建立一套规范化且灵活配置的验证评价指标体系；该体系涵盖全面，并包含偏差（即误差）、稳定性、一致性（即重复性）、可靠性以及不确定性等方面。

5） 端到端测试环境，验证过程可跟踪复现。

一种基于网络化的集成化软硬件架构，在满足OSA-CBM标准的基础上实现了通用PHM服务接口的应用，并通过多供应商基于PHM技术的协同验证完成了系统的可靠性评估工作

4、发展规划

基于对NASA及其下属空军在航天健康管理（PHM）领域相关技术规划的分析研究，在航空航天装备的具体应用背景下

3、国内PHM技术发展状况

1、基础理论

改写说明

目前，已初步形成了健康表征、健康度量以及演化规律的挖掘方法体系，并构建了相关的诊断与预测模型的设计方法。在PHM验证基础研究方面，在“十二五”期间开展了技术方法研究工作，并开发了相应的演示系统与辅助工具进行验证评价和试验设计等技术支撑。

2、工程技术

基于装备使用与维护保障情况的基础上

3、工程应用

当前我国在装备PHM系统工程应用方面的整体水平已明显落后于国外发达国家先进水平，并未全面开展该技术的工程化转化与实际应用工作。在航空领域方面，在型号技术攻关工作中重点开展了飞控作动器系统测试性设计与验证、旋转作动器驱动装置诊断与性能衰退预测等关键技术研究，并对其相关验证工作进行了实施；同时还在推进卫星电源系统状态监测及性能退化预测研究，并对载人航天的关键系统进行了状态监测与故障容错控制；船舶领域方面则针对主机与辅机系统的关键设备（如柴油机、泵类设备等）实施了状态监测、故障诊断以及运行辅助维修决策的技术应用；最后在兵器领域针对发射车完成了网络环境下车载状态监测辅助维修指导以及监测中心增强诊断功能，并将其应用于任务与维修辅助决策工程中

4、国内外PHM技术差距分析

国内PHM技术尚属较新的领域,其研究起步相对滞后,尽管已进行过大量研究工作并取得了显著研究成果,但早期阶段主要侧重于追踪国际工程应用的成功案例；但在基础理论和技术体系构建以及系统的综合集成方面仍显不足。具体表现为以下几个方面：第一,在基础理论与技术体系构建方面存在不足；第二,在系统综合集成能力上有所欠缺；第三,在技术研发与实际应用之间缺乏有效结合

在PHM系统集成与使能工具设计方面

在复杂系统健康管理领域，国外已全面开展基于PHM（预测性维护）的维修决策研究工作并取得显著实践成果；同时，在智能材料和智能结构等前沿领域也取得了大量研究成果，并已实现部分技术的应用。相比之下，国内装备管理仍主要采用周期性预防性维护方式；基于PHM的装备任务规划与维修策略研究相对薄弱；我国在装备自愈技术方面的起步较晚，在自愈材料与智能结构领域的理论研究占主导地位，而实际应用研究尚处于探索阶段。

3）在复杂系统健康诊断与预测领域方面，在国内外的研究方面也存在明显差距。其中，在某些特定方向上已经达到了国际先进水平。就方法研究而言，在故障物理、数据驱动、模型以及专家知识等多个领域都进行了相关技术的研究。然而，在技术成熟度和应用广度方面上来说，国外处于领先地位，并且在新型智能传感器技术及装置的应用研发方面更为突出地领先于国内。

4）在PHM能力试验验证方面上，在国际层面已有系统性深入的研究工作取得显著成果。在国内针对PHM设计验证的领域已进行了初期探索与实践。然而，在综合建模、试验验证以及能力评价方面的成熟技术体系尚未形成。此外，在相关的辅助工具及平台支撑系统开发成果上也较为有限。

5、PHM发展与应用建议

基于上述分析所得出的结论，在借鉴国外的相关发展经验的基础上，国内PHM技术研究可以从以下几个方面着手推进。

在推进PHM技术发展规划方面，参考NASA及美国空军的技术规划方案，在我国航空航天船舶与兵器等相关领域也需要逐步制定涵盖各领域的技术发展计划其中一项重点是基于基础失效物理和零部件基础研究延伸至子系统级监测与诊断系统的设计与优化工作并最终构建整体系统的PHM应用方案以实现整个系统的PHM应用部署

在PHM的基础理论和技术领域中,需解决以下关键问题:首先,应针对故障诊断和预测的需求,突破新型智能传感器的技术瓶颈.其次,在不同部件、设备及系统层次上准确评估系统的健康状况,并揭示其健康演变规律.再次,在故障预测存在不确定性的前提下,需提升预测的有效性和准确性.最后,应在复杂系统中实现维修优化决策、健康自愈控制,并推进健康管理.

3）在PHM工程应用方面。一是在系统集成应用方面，在遵循并行工程原理的基础上，在确保被监控产品的设计同步性要求下实施PHM系统的构建过程，在保证各子系统的协同优化上取得显著成效；二是探讨如何通过诊断预测能力的认知、功能仿真试验验证以及定量性能评价等方法来综合评估PHM系统的效能。

结论

主要依靠现代武器装备实现自主式后勤（automatic logistics, AL）并降低全寿命周期费用的关键核心技术，PHM技术正引起了普遍关注。本文系统梳理了国外PHM技术应用效果及发展动态，并探讨了国内外技术差距，在此基础上提出了关于PHM发展与应用的建议。综上所述，在充分考虑PHM技术多学科交叉特点的基础上提出我国的发展建议。

基于技术自身发展规律及我国PHM技术现状的分析与研究基础之上,规划出一套科学化、系统化的顶层战略规划和技术发展蓝图,并明确相应的技术和时间里程碑目标.

2）顺应技术发展趋势，在现有基础上主动采纳当前流行的大型数据分析方法、云计算平台、自主运行系统以及信息物理集成系统和微机电精密装备处理技术等软硬件信息处理手段的基础上，进一步夯实PHM核心技术基础。

基于系统工程理论，在PHM技术及其设计—开发—应用全过程中，不断提升我国PHM体系的综合建模能力、协同设计水平以及验证评价效能，并最终构建一套标准化和开放化的接口协同设计工具及一体化验证平台。

声明：以上本文摘自《计算机计量与控制杂志》