预测与健康管理技术研究

故障预测与健康管理（PHM）技术研究
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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
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故障诊断与综合健康管理 ——与医学概念的类比

医学 疾病诊断
多科会诊 疾病预防与保健
工程 故障诊断
通过传感器、信号处理和检测仪 结论由诊断软件给出
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PHM概述
技术沿革 技术特征
研究意义
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健康管理技术演变（1）
综合运载器健康管理
从 VHM (Vehicle Health Management )到IVHM （Integrated VHM） “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, Prognostics and Health Management）
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。
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健康管理技术演变（2）
故障检测、隔离和重构
（FDIR，Fault Detection, Isolation and Reconfiguration），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。
通过观测、化验和医疗仪器, 结论由医生给出 多科医生一同诊断当前疾病
综合诊断
运用多种诊断技术诊断当前故障
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)
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。
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2. 飞机PHM技术演变过程
（一） PHM技术的一般演变过程
(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。
V-22 F/A-18E/F E-2C T-45 F/A-18A/B AV-8B F-8 F-14 C/D
H-60 H-53 COSSI IMD
A-7
19
1970
1980
1990
2000
2. 飞机PHM技术演变过程
（二）舰载机PHM能力的演变过程
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、T45、E-2C、F-14C/D的诊断能力的 有效性大打折扣。
运载器健康监控
（VHM, Vehicle Health Monitoring），从概念上 它只是FDIR的一部分，对象针对运载器。
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健康管理技术演变（3）
系统健康管理
（SHM，System Health Management）
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。
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。
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（一） PHM技术的一般演变过程
(3 )综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代）
2. 飞机PHM技术演变过程
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-87256 c. 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。
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。
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2. 飞机PHM技术演变过程
（二）舰载机PHM能力的演变过程
JSF
Capabilities + Performance
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%。
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
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（一） PHM技术的一般演变过程
V-22 F/A-18E/F E-2C T-45 F/A-18A/B AV-8B F-8 20 F-14 C/D H-60 H-53 COSSI IMD
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健康管理技术演变（5）
5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？
(3 )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
2. 飞机PHM技术演变过程
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.
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2. 飞机PHM技术演变过程
（一） PHM技术的一般演变过程
(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。
运载器健康管理
（VHM，Vehicle Health Management ）
“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
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健康管理技术演变（4）
以信息为依据的维修
（IM，Informed Maintenance） 或 基于状态的维修 (CBM, Condition-based Maintenance) 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。
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2. 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