PHM智能诊断及健康管理保障系统

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

1、PHM的基本概念

故障预测与健康管理PHM（Prognostics Health Management）为了满足自主保障、自主诊断的要求提出来的，是基于状态的维修CBM (视情维修，condition based maintenance)的升级发展。它强调资产设备管理中的状态感知，监控设备健康状况、故障频发区域与周期，通过数据监控与分析，预测故障的发生，从而大幅度提高运维效率。

PHM早期应用主要集中于航空发动机领域，例如GE的F404发动机、PW的F117发动机等等。让它声名显赫的时期，是在F35联合战斗机项目的智能后勤信息系统ALIS，该系统囊括了飞机系统状态监控、健康评估、故障预测、维修计划、后勤保障等若干功能。在F35之前的PHM，只是测试、监控，或者是健康管理，都不是真正意义的PHM。F35战机是第一个真正有故障预测概念的，才能称得上PHM。

PHM最早可以源自70年代，早在1982年F-18大黄蜂机队F404发动机检测系统，用于大黄蜂战机的发动机的监测。那时候，似乎没有故障预测功能，也没有着重于大数据分析，或是没有凸显出大数据分析能力。这其实不属于真正的飞机PHM。当时只有剩余寿命评估、操作极限监控、传感器失效检测、熄火检测、着陆推力评估、飞行员启动记录等，缺失了故障预测功能。 [1]

早期资料上的PHM都很少涉及故障预测，尽管F22已经有了类似的设备与系统，但是F22的PHM应该还属于状态监测范围。F22在飞行时传输部分数据，落地后采集全部数据。可以通过维修辅助计算机插入接口，发送激励信号采集重点部件测试数据，在当时已经很先进了。但是似乎还处于基于状态监测的健康管理水平，不能称之为预测健康管理(PHM)。

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信息化战争对武器装备作战效能和快捷、精确、持续保障的要求，20世纪90年代中期，PHM（故障预测与健康管理）技术应运而生，随即得到了美英等军事强国的高度重视。

PHM技术是指釆用传感器信息、专家知识及维修保障信息，借助各种智能算法与推理模型实现武器装备运行状态的监测、预测、判别以及管理，实现低虚警率的故障检测与隔离，并最终实现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，以取代传统基于事件的事后维修或基于时间的定期检修。当前，PHM技术已成为现代武器装备实现自主式后勤（automatic logistics, AL）和降低全寿命周期费用的关键核心技术。

PHM技术实现了武器装备管理方法从健康监测向健康管理（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）的转变，从对当前健康状态的故障检测与诊断转向对未来健康状态的预测，从被动性的反应性维修活动转向主动性、先导性的维修活动，从而实现在准确的时间对准确的部位釆取准确的维修活动。PHM技术的主要功能如图1所示，主要包括关键系统/部件的实时状态监控（传感器监测参数与性能指标等参数的监测）、故障判别（故障检测与隔离）、健康预测（包括性能趋势、使用寿命及故障的预测）、辅助决策（包括维修与任务的辅助决策）和资源管理（包括备品备件、保障设备等维修保障资源管理）、信息应需传输（包括故障选择性报告、信息压缩传输等）与管理等方面。

2、国外PHM技术发展情况

1、发展概况

随着系统和设备复杂性的增加以及信息技术的发展，国外PHM技术的发展，经历了外部测试，机内测试（BIT, Built-in Test）、智能BIT、综合诊断、PHM共5个阶段。于此同时，维修决策技术的发展也经历了事后维修、周期预防性维护、状态维护（CBM, condition based maintenance）、智能维护（在CEM的基础上，更多考虑设备未来的健康状态）。PHM技术在产品应用层次上，从过去的部件与分系统级，发展到覆盖整个平台各个主要分系统的系统集成级；PHM技术在产品应用层面上，从电子产品扩展至机构与结构、机电产品等领域。通过逐步完善，PHM目前已形成了包含精简化、智能化、同步化、标准化、持续化的技术方法体系，制定了包含数据釆集与传输、数据处理（状态监测、健康评估、预测诊断）、决策支持、综合信息管理功能的技术结构，并形成了相对完善的技术标准体系，以及技术转化应用与技术集成机制。

目前，PHM技术已经得到美英等军事强国的深度研究与推广应用，并正在成为新一代飞机、舰船和车辆等武器装备研制阶段与使用阶段的重要组成部分。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）。

2、应用成效

在PHM解读（一）中也提到，欧美各国的PHM技术应用范围覆盖各类先进武器装备，而且数量众多。统计数据充分证明了PHM在降低维修保障成本，提高武器装备安全性、可用度与完好性，确保任务成功性，提升作战效能方面的重要作用。

3、PHM验证评价

验证评价是确认PHM设计结果是否达到设计要求，从而对设计完善和改进提出反馈的重要手段，是PHM设计开发、成熟化及部署应用的关键环节。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：

1）丰富的故障数据库：包含仿真故障注入数据、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。半实物仿真以及全数字仿真是未来发展趋势。

2）针对PHM全流程：从数据采集、数据处理、辅助决策及信息管理等多个层次，对传感器及数据采集系统、故障诊断与预测算法模型、推理模型、辅助决策模型等功能模块进行验证。

3）可模拟用户操作，实现人在回路的测试。

4）标准化、可配置的验证评价指标体系；评价指标覆盖面广，包括误差、稳定性、重复性、可靠性、不确定性等方面。

5）端到端测试环境，验证过程可跟踪复现。

6）分布式、网络化的开发式软硬件架构，符合OSA—CBM的通用PHM服务接口，多地理位置供应商PHM联合验证。

4、发展规划

在分析NASA和美国空军PHM相关技术规划的基础上，以航空航天装备为例，国外未来的PHM技术发展规划可总结为3个技术层次（如图2所示）。从失效物理、数据分析、传感器等基础技术研究，到子系统级的监测、诊断、预测和失效缓解技术研究，再到机体结构、机载系统和推进系统等PHM设计，最后实现对全机的故障预测与健康管理。该技术发展规划主要针对3个重点领域（综合飞行健康评估与管理、飞行环境风险检测与管理、PHM系统综合集成技术）、七个任务方向（机体结构、推进系统、机载系统、环境风险检测与管理、PHM体系结构、PHM能力验证、系统集成与评价）展开。

3、国内PHM技术发展状况

1、基础理论

我国在PHM系统设计与验证基础理论与方法研究方面起步较晚，研究基础比较薄弱。“十五”以来，国内相关院所主要在航空航天装备领域开展了一系列的PHM系统设计基础研究工作，并结合型号技术攻关，边研究边验证、迭代完善、双线并行，取得了一定的成果。

目前，已初步构建了一套典型机电、电子、结构类产品的健康表征、健康度量与演化规律挖掘的方法体系，形成了相关的诊断与预测模型设计方法。PHM验证基础研究方面，“十二五”期间开展了一定的PHM系统验证与评价、试验验证系统设计等技术方法研究，并形成了相关演示系统与辅助工具。

2、工程技术

结合装备使用和维修保障情况，我国在航空、航天、船舶、兵器等领域正逐步开展相关工程技术研究。在PHM系统能力与需求分析基础上，从物理结构、综合诊断、信息处理以及功能结构等方面进行了PHM体系架构与集成的初步研究；与此同时，也开展了PHM系统参数指标体系、标准规范等研究。在上述研究基础之上，开发了相应的结构健康监测智能传感器、结构健康监测集成验证平台、机电PHM原型系统与案例库、系统测试性设计分析工具、嵌入式智能诊断原型系统，以辅助开展PHM系统设计。

3、工程应用

我国在装备PHM系统工程应用方面，已远滞后于国外发达国家先进水平，目前PHM技术尚未开展全面工程转化应用。在航空领域，围绕型号技术攻关，针对飞控作动器系统、旋转作动器驱动装置、液压能源系统、附件机匣、供电系统、航电处理机、金属/复合材料机体结构等开展了测试性设计与验证、诊断与性能衰退预测等技术研究及相关验证。在航天领域，目前卫星电源系统主要开展太阳电池阵、蓄电池与控制器的在轨状态监测、性能退化预测、运行管理与延寿；载人航天也针对部分关键系统开展了状态监测与故障容错控制。在船舶领域，针对主机与辅机系统关键设备（柴油机、泵类设备、调距桨装置、舰面系统等），主要开展状态监测、故障诊断、运行与辅助维修决策等技术应用。在兵器领域，针对发射车开展了网络环境下的车载状态监测与辅助维修指导、监测中心增强诊断、任务与维修辅助决策工程应用。

4、国内外PHM技术差距分析

PHM技术在国内相对来说还是一个比较新颖的概念，研究起步较晚。虽然开展了大量工作，并取得了显著的研究成果，但前期主要是跟踪国外工程应用，在相关基础理论与技术、系统综合集成等方面的研究还较少。具体表现在：

1）在PHM系统集成与使能技术方面。国外已开展了大量的相关研究和应用工作，国内仅是跟踪国外的工程应用，设计方面相对落后，PHM系统集成与使能工具设计相关研究较少，尚无具体工程应用案例，亟待进一步深入研究。

2）在复杂系统健康管理方面，国外已开展了大量的基于PHM的维修决策研究工作和应用；同时，国外已在自愈材料、智能结构方面开展了大量的研究，部分技术已有应用。国内装备仍以周期性预防维护为主，基于PHM的装备任务规划与维修策略研究工作较少；我国在装备自愈研究方面开展较晚，自愈材料与智能结构研究方面以理论研究为主，而应用研究较少。

3）在复杂系统健康诊断与预测方面，国内外在此方面研究差距不大，某些方向已达到国际先进水平。在方法研究上，国内外均开展基于故障物理、数据驱动、模型、专家知识的诊断与预测技术研究。但是，在技术成熟度上与应用广度上，国外领先国内。尤其在应用于PHM的新型智能传感器技术及装置研发上，国外已远领先于国内。

4）在PHM能力试验验证方面，国外已开展了大量研究工作，国内在PHM设计验证方面，也开展了初步的研究工作，但目前还没有成熟的PHM体系综合建模、试验验证与能力评价技术方法体系，相关验证辅助工具与平台成果还较少。

5、PHM发展与应用建议

综合以上差距与不足，通过分析国外发展经验，国内PHM技术研究可以重点从以下几个方面开展。

1）在PHM技术发展规划方面。借鉴NASA和美国空军的PHM发展规划，我国航空、航天、船舶与兵器领域也必须制定循序渐进的技术发展计划，如：从基础的失效物理、零部件的基础研究，到子系统级的监测、诊断、预测和容错控制技术研究，再到机身、机载系统和推进系统等的PHM设计，最后实现全机的PHM。

2）在PHM基础理论与技术方面。在PHM基础理论与技术方面需要解决以下几个问题：一是如何针对故障诊断与预测的需求，开展新型智能传感器攻关？二是如何针对不同部件、设备、系统层次，准确地度量系统的健康状态，挖掘系统健康演化规律？三是针对故障预测的不确定性，如何提高预测的有效性与准确性？四是如何有效实现的复杂系统的维修优化决策、健康自愈与控制，实现健康管理？

3）在PHM工程应用方面。一是在系统集成应用方面，如何采用并行工程原理，将PHM与被监控产品设计同步，实现PHM系统协同设计；二是如何进行PHM的诊断预测能力认知、功能仿真试验验证、以及定量性能评价。

结论

作为现代武器装备实现自主式后勤（automatic logistics, AL）和降低全寿命周期费用的关键核心技术，PHM技术正逐渐受到国内外研究机构的广泛关注。本文总结了国外PHM技术发展的应用成效与发展状况，分析了国内外技术差距，并在此基础之上给出了PHM发展与应用建议。综合上述总结与分析，依据PHM技术综合多学科专业的特点，我国PHM技术的发展建议总结为以下几点：

1）遵循技术自身发展规律和我国PHM技术现状，制定科学化的顶层技术路线图和技术里程碑。

2）紧跟技术发展潮流，积极借鉴当前流行的大数据分析、云计算、自主系统、信息物理系统、微机电系统等软硬件信息处理与技术手段，强化PHM关键技术基础。

3）依据系统工程原理，在PHM技术与系统的设计—开发—应用过程中，逐步提升我国PHM体系综合建模、协同设计与验证评价能力，并形成一套标准化、开放化接口的协同设计工具与一体化验证平台。

声明：以上本文摘自《计算机计量与控制杂志》