20十世紀末，美軍在聯(lián)合戰(zhàn)斗機（JSF）計劃中提出故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）概念。PHM是實現(xiàn)JSF自主后勤保障計劃（AL）的兩大關鍵技術之一，能夠顯著降低使用、保障和維修費用，提高飛行器的安全性和可用性。在目前作戰(zhàn)平臺的測試技術中，主要采用傳統(tǒng)的機內測試（BIT）和有限的狀態(tài)監(jiān)控維修方式。這種方式耗費資源大、維修效率低，且無法解決高技術指標與經濟可承受性之間的矛盾。PHM技術的發(fā)展是對傳統(tǒng)維修方式的轉變，即從事后維修和預防性維修向事前維修的轉變。它包括兩層含義，一是故障預測，即預先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，確定部件正常工作的時間長度；二是健康管理，即根據診斷/預測信息、可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策的能力。

PHM系統(tǒng)概述

目前PH M主要是利用先進的集成傳感器，如渦流傳感器、小功率無線綜合微型傳感器、無線微機電系統(tǒng)（MEMS），并借助各種算法，如Gabor變換、快速傅里葉變換、離散傅里葉變換，以及智能模型，如專家系統(tǒng)、神經網絡、模糊邏輯等，來預測、監(jiān)控和管理系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

通俗來講，PHM系統(tǒng)是通過在飛行器結構和系統(tǒng)內部最重要、最易受損的位置上布置相當于神經元的各類微小傳感器，實時監(jiān)測布控位置結構、系統(tǒng)等方面的各種信息，實時獲知飛行器的損傷及故障等問題，實現(xiàn)全機健康狀態(tài)的集成化管理。通過相當于人體神經網絡的各類連接線路，傳遞到健康管理系統(tǒng)進行運算分析預測，及時診斷發(fā)生的故障和損傷，從而提前獲知飛行器的某些指標是否處于正常狀態(tài)。通過監(jiān)測飛行器系統(tǒng)的各項“生理”指標，對損傷和故障進行實時診斷。飛行器可以自行判斷其故障是不會影響正常工作的“小問題”，還是威脅生命但不易察覺的“重大隱患”。就像人們看病一樣，當飛行器處于亞健康狀態(tài)時第一時間向“醫(yī)生”發(fā)出警告。通過飛行器對自身“病情”的“陳述”，后勤保障人員可以采取相應的維護措施，以此來提高飛行器的安全性與可靠性。

針對不同類型的復雜系統(tǒng)往往會開發(fā)出不同的PHM系統(tǒng)，但其設計的基本思路是相同的，區(qū)別主要表現(xiàn)在不同領域具體應用的技術和方法不同。視情維修的開放體系結構（OSA-CBM）由美國機械信息管理開放系統(tǒng)聯(lián)盟（MIMOSA）綜合所有PHM系統(tǒng)的設計思想和技術方法所制定和發(fā)布，可用于指導實際構建機械、電子和結構等應用領域的PHM系統(tǒng)。目前，該體系結構已在包括航空、船舶系統(tǒng)、汽車制造以及其他各工業(yè)領域在內的各領域多種系統(tǒng)中得到初步應用驗證。

F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機的PHM系統(tǒng)

據不完全統(tǒng)計，PHM技術使F-35故障不能復現(xiàn)率減少82%，維護人員減少20%～40%，出勤率提高25%，保障費用相較前代機種減少50%，使用壽命達 8000飛行小時。

F-35戰(zhàn)斗機的PHM系統(tǒng)由機載智能實時監(jiān)控系統(tǒng)和地面飛機綜合管理系統(tǒng)組成，采用分層推理結構，便于從部件級到全系統(tǒng)綜合應用故障診斷和預測技術。F-35采用系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和部件級三級系統(tǒng)實現(xiàn)信息綜合。部件級是指飛機部件中的軟、硬件監(jiān)控程序，包括智能傳感器，機內測試和機內測試設備（BITE）。該級設備采集自身的監(jiān)測信息和飛機的狀態(tài)參數(shù)，利用故障診斷算法進行成員級的故障診斷，將有關信息提交給分系統(tǒng)級管理器。分系統(tǒng)級包括推進系統(tǒng)、結構、燃油系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等。分系統(tǒng)健康管理軟件駐留在綜合處理機（ICP）中，各分系統(tǒng)具有數(shù)據處理、狀態(tài)監(jiān)控、健康評估、故障預測和自助推理的功能，連續(xù)監(jiān)測飛機相應分系統(tǒng)運行狀況。分系統(tǒng)將故障推理結果傳送給系統(tǒng)級管理器，系統(tǒng)級管理器對所有分系統(tǒng)的故障進行關聯(lián)分析，實現(xiàn)故障隔離和故障定位，最終形成飛機健康狀態(tài)信息和維修信息傳給地面飛機綜合管理系統(tǒng)。地面根據獲得的信息判斷飛機的安全性，為制定飛行計劃，實施技術狀態(tài)管理，更新飛機狀態(tài)記錄，調整任務安排，確定維修任務以及分析整個機群的健康狀況提供支持。

無人機PHM系統(tǒng)結構設計

設計原則

與有人機系統(tǒng)相比，由于機上沒有駕駛員，因此需要更高的自我監(jiān)控和自我診斷能力。無人機系統(tǒng)具有全天候、高分辨率、遠距離、實時、保密、小型、通用、寬收容、網絡化的特點，機載武器、電子對抗設備、機載電子計算機及其軟件的維護保障等都成為后勤保障的重要內容，勢必要求無人機測試項目繁多、測試精度高；隨著無人機自動化程度增高、早期故障率高的電子元器件被大量使用，增加了系統(tǒng)的脆弱性，造成備件和維修工作的增加；為增強作戰(zhàn)效能，無人機載油、載彈量明顯增加，機務準備的內容和充填加掛的工作量成倍增加，有的還需要機務人員在無人機起飛前將航跡、狀態(tài)、任務數(shù)據輸入任務計算機。這種情況下，無人機能否做到快速出動、高強度出動，關鍵在于對無人機健康狀態(tài)的快速判斷。因此，相比有人系統(tǒng)，無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)能力對PHM系統(tǒng)的依賴程度增加。

基于新型無人機系統(tǒng)的發(fā)展，對無人機PHM系統(tǒng)進行設計時要遵循以下設計原則：

（1）關鍵系統(tǒng)/過程壽命周期內，能確保增強維修性、安全性、降低使用費用；

（2）PHM系統(tǒng)應為開放式體系結構，系統(tǒng)/過程界面變動最小，方便子系統(tǒng)和組件的變更、升級及更換；

（3）結構和環(huán)境要求，需嚴格控制PHM系統(tǒng)重量；

（4）健康監(jiān)測的要求，包括故障、監(jiān)測、顯示、交互、協(xié)議/類型，必須與當前系統(tǒng)運行過程緊密相關；

（5）可擴展性要求與通用要求；

（6）供電與系統(tǒng)兼容性要求。

系統(tǒng)結構

在視情維修的開放體系結構基礎上，將無人機作戰(zhàn)平臺PHM體系結構在物理上分為機載系統(tǒng)部分和地面運行平臺部分。

數(shù)據采集和傳輸模塊

該模塊實現(xiàn)數(shù)據的采集、數(shù)據的轉換以及數(shù)據的傳輸?shù)裙δ埽峁㏄HM系統(tǒng)得以實施運行的數(shù)據基礎。該部分技術應用主要根據系統(tǒng)需求以及采用的不同方法和技術選擇相應的待監(jiān)測的各種參數(shù)信息（如工作參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和性能參數(shù)等），選定待監(jiān)測的參數(shù)后，據此選用各種傳感器。表1給出了專門用于記錄和跟蹤失效機理的PHM傳感器的被測量、使用特點和常用型號等。

但在實際使用過程中，由于電磁干擾、空間布局限制等各種因素，傳感器的安放位置與數(shù)量并不能達到理想狀態(tài)，目前優(yōu)化傳感器數(shù)據傳輸方法是解決該問題的有效途徑之一?，F(xiàn)有的幾種傳輸方法中，藍牙傳輸缺乏實時性、安全性及可靠性；有線傳輸需要連接電纜，受空間布局限制，安裝困難；無線網絡技術節(jié)省空間、安裝便利，但成本較高，且抗電磁干擾能力極差，數(shù)據失真嚴重。因此，根據美軍的飛行經驗，衛(wèi)星通信相比來說是比較好的選擇。

數(shù)據處理模塊

該模塊將接收來自各數(shù)據處理模塊處理后的信號和數(shù)據以及各傳感器采集到的數(shù)據，之后將數(shù)據處理成后繼所需的健康評估、故障預測和狀態(tài)監(jiān)測等部分處理要求的協(xié)議格式。數(shù)據處理一般包括兩個步驟，第一步通常叫做信號預處理，目的是增強信號的特征，這樣便于有效地提取有用的信息，這些有用的信息指示出有缺陷的部件或子系統(tǒng)的狀態(tài)。采用的方法包括濾波、放大、數(shù)據壓縮、數(shù)據確認和降噪以改善信噪比。第二步目的在于從預處理數(shù)據中提取特征或狀態(tài)指標，這些預處理后的數(shù)據中包含了早期故障的一些特征。模塊采用的技術包括對不同數(shù)據模塊進行轉換，數(shù)據信息噪聲去除、高通濾波、數(shù)據壓縮、信號自相關等。因數(shù)據應用目的不同，數(shù)據處理的方式和技術也不同，如實現(xiàn)故障識別和故障隔離目的需應用特征提取技術；去除大量冗雜的原始數(shù)據則需應用數(shù)據簡化技術；將連續(xù)數(shù)據轉化為離散數(shù)據則采用循環(huán)計數(shù)的方法。

狀態(tài)監(jiān)測模塊

該模塊利用數(shù)據采集模塊和數(shù)據處理模塊的數(shù)據，并將這些數(shù)據同預定的失效判據等進行判斷來評判當前系統(tǒng)的狀態(tài)，并且根據預先設定的各種參數(shù)指標閾值、極限值來提供故障報警能力。無人機狀態(tài)監(jiān)控應覆蓋全機從上電到斷電的整個過程，飛機在起飛前狀態(tài)是否完好非常重要，在模塊中應將這部分予以單獨提示。此外，在監(jiān)測過程中，應可以使用BIT重試技術來防止虛警。

健康評估模塊

該模塊接收的數(shù)據主要來自不同的狀態(tài)監(jiān)測模塊以及其他健康評估模塊。主要評估被監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀態(tài)，這里的被監(jiān)測系統(tǒng)也可以是子系統(tǒng)，而健康狀態(tài)不但包括是否出現(xiàn)故障，還包括是否有參數(shù)退化現(xiàn)象等，經過評估，可以記錄產生故障診斷并確定故障發(fā)生的可能性。系統(tǒng)的健康評估不但基于各種健康狀態(tài)工作情況、歷史數(shù)據還包括系統(tǒng)的歷史維修數(shù)據等。該模塊主要實現(xiàn)了對系統(tǒng)的量化評價并為故障預測提供定量的系統(tǒng)性能數(shù)據。

診斷處理過程是將系統(tǒng)的歷史健康信息及趨勢、系統(tǒng)當前運行狀態(tài)，系統(tǒng)的維護保障記錄等信息進行融合處理，從而得出故障診斷結果。常用的故障診斷方法主要有基于模型的方法、基于數(shù)據的方法、基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、基于知識的智能故障診斷方法、基于案例推理的方法等。常用的健康評估方法主要有基于模糊評判的方法和基于專家系統(tǒng)的方法等。

故障預測模塊

該部分可以綜合利用系統(tǒng)狀態(tài)檢測，健康評估等各模塊的數(shù)據信息，來評估和預測被監(jiān)測系統(tǒng)未來一段時間的健康狀態(tài)，包括剩余使用壽命等參數(shù)。故障預測能力的強弱是PHM系統(tǒng)能否進行健康管理的顯著特征之一。

該層根據健康評估結果并結合系統(tǒng)關鍵特征的未來趨勢來預測設備未來狀態(tài)，評估剩余使用壽命。一般采用基于物理模型的預測、基于特征擴展的智能預測、基于數(shù)據驅動的預測等方法。用上述方法對系統(tǒng)重要特征參數(shù)的統(tǒng)計得到一個隨時間變化的系統(tǒng)故障率曲線，據此預測系統(tǒng)可能發(fā)生故障的時間和概率，或者對系統(tǒng)損傷過程進行建模然后根據模型來判斷系統(tǒng)未來的狀態(tài)。

自動推理決策模塊

該部分接受來自系統(tǒng)健康評估、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)故障預測部分的數(shù)據。其功能主要是為使用者提出維修建議和更換要求，即讓無人機開口“說話”，為維修人員制定包括維修保障的安排、調整設備操作的配置、調整任務計劃等。該部分實現(xiàn)了PHM系統(tǒng)自助決策、管理的能力，是另一顯著特征之一。它需要考慮操作的歷史記錄、當前與將來的任務以及可用資源的限制等做出綜合判斷，包括任務可行性分析、風險預測以及資源信息管理等過程。

接口

該部分主要包括人-機接口和機-機接口兩部分。其中，人-機接口包括狀態(tài)監(jiān)測模塊的預警信息顯示以及健康評估報告，為故障預測和推理決策摸塊提供飛行器的健康參數(shù)、異常情況和報警等數(shù)據信息的顯示等，使操作人員可以方便快捷地獲取所需數(shù)據。機-機接口能夠使上述各模塊之間及PHM系統(tǒng)可以同其他系統(tǒng)之間進行數(shù)據信息傳輸。

目前我國的無人機型號多，系統(tǒng)結構差異大，所以無人機PHM系統(tǒng)必須是一個開放式體系結構，具有即插即用能力，即一方面可不斷更新或加入新的模塊，另一方面具有與其他系統(tǒng)進行信息交換和集成的能力。其接口技術主要從以下幾個方面加以考慮：PHM系統(tǒng)各模塊之間；無人機其他子系統(tǒng)同PHM系統(tǒng)之間；部件級PHM同系統(tǒng)級PHM之間；人-機接口；PHM系統(tǒng)同其他決策支持、計劃、庫存、自動化以及維修系統(tǒng)的接口。

需要指出的是，上述體系結構中的各模塊之間并沒有明顯的界限，均存在著數(shù)據信息的交叉反饋。此外，目前關于健康評估和故障預測等方面的研究工作大部分集中在部件、子系統(tǒng)上，形成了一些比較成熟的預測技術，但還存在故障診斷不夠全面、故障發(fā)生發(fā)展和傳播的機理不明確、虛警率高、系統(tǒng)級故障關聯(lián)不明確、預測準確性低、壽命周期成本利用率低等問題。因此，未來應在現(xiàn)有的技術水平上，加深對故障的理解和認識，建立準確的有關故障發(fā)生發(fā)展和傳播的數(shù)學模型，建立一種診斷和預測的架構，選擇和集成恰當?shù)脑\斷和預測方法，各取所長，提高信息的利用率，實現(xiàn)對故障多角度、多參數(shù)的診斷和預測，完善和提高診斷和預測的水平。

結束語

綜合健康管理系統(tǒng)是故障預測診斷體系的發(fā)展方向，對提高無人機安全性能、維修保障效率，降低壽命周期費用將起到重要作用。但PHM作為一個復雜的系統(tǒng)工程，必須研制階段就加以考慮，在國內該方面的研究還處于起步階段。因此，在應用綜合健康系統(tǒng)的設備方面，今后還要在工程實踐中進行大量的驗證工作。

（責任編輯：王瀟一）