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(1.江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司，江蘇 靖江 214500； 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的智能化、集成化和自動(dòng)化程度日益提高，功能越來越完善，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。設(shè)備之間的強(qiáng)耦合和強(qiáng)相關(guān)性對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的故障診斷能力提出了更高的要求。以往依靠專家經(jīng)驗(yàn)、或依賴定期設(shè)備檢測數(shù)據(jù)來進(jìn)行診斷和定位已經(jīng)難以滿足故障檢測與維修需要，所帶來的人工不確定、維修滯后、過渡維修或維修不足以及維修效率低等問題不可避免。

多年來，人們一直致力于尋求先進(jìn)的維修理論和最佳的維修技術(shù)，預(yù)測并防止故障的發(fā)生，期望能夠準(zhǔn)確掌握裝備(設(shè)備)的當(dāng)前狀況，進(jìn)行故障預(yù)測、精確實(shí)施維修，最終實(shí)現(xiàn)以最低的資源消耗獲得最佳的維修效益，從而使裝備最大限度地發(fā)揮其應(yīng)有的效能。隨著故障預(yù)測與健康管理(prognostic and health management，PHM)技術(shù)在國內(nèi)快速發(fā)展，大量科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校、工程單位等均開展了PHM技術(shù)的研究和應(yīng)用，智能傳感器、診斷和預(yù)測、健康評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)也取得一系列的科研成果，在此背景下，借鑒國內(nèi)在航空航天、國防軍事等科研領(lǐng)域中取得的裝備健康管理的成功經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)，可以為目前在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估和維修工作中所面臨的難題提供系統(tǒng)級(jí)解決方案。

1 PHM技術(shù)簡介

PHM是指利用各種傳感器，通過在線監(jiān)測、定期巡檢和離線檢測相結(jié)合的辦法，廣泛獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，借助各種智能推理算法(如物理模型、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、模糊邏輯、專家診斷系統(tǒng)等)來評(píng)估設(shè)備本身的健康狀態(tài)；在系統(tǒng)發(fā)生故障之前，結(jié)合歷史工況信息、故障信息等多種信息資源對(duì)故障的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修[1]。PHM的設(shè)計(jì)主旨不是直接消除故障，而是感知并且預(yù)測故發(fā)生的時(shí)限，從而達(dá)到在出現(xiàn)始料未及的故障之前開展有針對(duì)性保障活動(dòng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成裝備保障從狀態(tài)監(jiān)控向狀態(tài)管理的轉(zhuǎn)變[2]。在系統(tǒng)維修保障中積極采用PHM技術(shù)，可以達(dá)到以下3個(gè)目標(biāo)[3]：

1)通過減少備件、保障設(shè)備、維修人力等保障資源需求，降低維修保障費(fèi)用；

2)通過減少維修，特別是計(jì)劃外維修次數(shù)，縮短維修時(shí)間，提高戰(zhàn)備完好率；

3)通過健康感知，減少任務(wù)過程中故障引起的風(fēng)險(xiǎn)，提高任務(wù)成功率。

PHM系統(tǒng)的一般框架如圖1所示。

圖1 PHM系統(tǒng)的一般框架示意圖

傳感器為PHM系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后為可識(shí)別、可直接調(diào)用的數(shù)據(jù)格式，提取含有故障分量的特征參數(shù)，供狀態(tài)檢測模塊識(shí)別、判斷、報(bào)警；對(duì)于有參數(shù)退化現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，通過健康評(píng)估軟件評(píng)估當(dāng)前健康程度，由故障預(yù)測程序確定故障發(fā)生的可能性以及發(fā)生時(shí)間，進(jìn)而判斷該部件或部位的剩余壽命，該結(jié)論與維修業(yè)務(wù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)相結(jié)合的維修決策，產(chǎn)生指導(dǎo)維修操作的動(dòng)作、行為建議。上述各個(gè)模塊均具有人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。

2 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)

2.1 基本概念

機(jī)電一體化概念是日本在20世紀(jì)70年代提出，是機(jī)械和電子的集成，用Mechatronics表示。機(jī)電一體化將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)一般包括機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測與傳感裝置、控制與信息處理這五大部分組成。

圖2 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)一般組成

2.2 常見故障模式

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)因其機(jī)、電相結(jié)合的特點(diǎn)，最易發(fā)生故障的性能薄弱環(huán)節(jié)以及故障模式為：

1)電氣控制部分，由溫濕度環(huán)境、元器件壽命、老化、疲勞、輻射、氣壓導(dǎo)致的檢測與傳感裝置、控制與信息處理部分的器件損壞、模塊故障燈；

2)機(jī)電結(jié)合部分，長期使用、外力導(dǎo)致的連接故障、接觸不良、斷開、指令錯(cuò)誤、異常干擾等故障；

3)機(jī)械類故障，如長期使用、環(huán)境、強(qiáng)振動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)裝置或執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞、裂紋、斷裂、磨損、缺陷、擦傷、潤滑不良；靜電、腐蝕、電解；熱老化、溶化、熱擊穿、凍裂；變形等故障。

3 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)健康管理

基于PHM的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)視情維修體系，體現(xiàn)為自動(dòng)診斷維修需求并將這些需求通知維修人員以便及時(shí)采取保障措施的能力。隨著科技的快速發(fā)展，基于PHM實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的健康管理已經(jīng)切實(shí)可行，合理運(yùn)用PHM技術(shù)，可以提高大型試驗(yàn)裝備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、降低維修難度和維修經(jīng)費(fèi)，具有非常重要的意義。

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用健康管理技術(shù)的架構(gòu)包含傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、性能評(píng)估、壽命預(yù)測和維修決策以及人機(jī)交互顯示等幾大部分。由于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)自身的復(fù)雜性與特殊性，在各個(gè)功能模塊的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上也有自己的特點(diǎn)。

3.1 傳感器

大多數(shù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)故障在發(fā)生前，一般都具有某些征兆，通過選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞑杉硎鞠到y(tǒng)正常與否的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)信息的有效獲取。

目前復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)常規(guī)檢測量包括熱學(xué)、輻射量、機(jī)械量、磁、化學(xué)量等多種類型。具體常用的傳感器如振動(dòng)、應(yīng)力、壓力、位移、流量、聲音、轉(zhuǎn)速、沖擊、溫濕度、電壓、電流等，針對(duì)不同類型的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，應(yīng)選擇某幾種或多種檢測方式相結(jié)合，達(dá)到準(zhǔn)確檢測的目的。

3.2 數(shù)據(jù)處理

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由各種傳感器或者系統(tǒng)自身運(yùn)行都將會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。不同類型的數(shù)據(jù)需要不同的分析手段，且原始數(shù)據(jù)往往不能用于直接診斷。為了提取包含故障信息的特征分量，對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行處理。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理分為兩類：

1)直接處理傳感器輸出信號(hào)。

簡單的故障信息可以通過單一傳感器的數(shù)據(jù)即可識(shí)別。常用的傳感器數(shù)據(jù)處理方法以及提取的特征參數(shù)如表1所示。

表1 常用傳感器數(shù)據(jù)處理方法及特征參數(shù)

以上計(jì)算得到的特征參數(shù)僅對(duì)某一種或幾種典型故障比較敏感。對(duì)于復(fù)雜的故障，在分析時(shí)需要綜合多個(gè)參數(shù)，才能得到更符合實(shí)際的結(jié)論。

2)綜合計(jì)算多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的控制環(huán)路的性能直接影響到系統(tǒng)能否完成預(yù)定功能。因此，如何得到復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)控制環(huán)路的性能，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)綜合評(píng)估、診斷的難點(diǎn)之一。這也是復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)區(qū)別于機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備的主要特點(diǎn)之一。

評(píng)估控制系統(tǒng)的環(huán)路性能通常采用兩種方法：解析模型法和實(shí)驗(yàn)法。由于絕大多數(shù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的解析模型很難得到，而不精確的解析模型對(duì)評(píng)估和預(yù)測結(jié)果的影響非常大，因此常常采用實(shí)驗(yàn)法對(duì)控制系統(tǒng)環(huán)路性能進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)法的原理是在機(jī)電控制系統(tǒng)的各個(gè)控制回路的輸入、輸出級(jí)加入傳感器，使控制系統(tǒng)各個(gè)回路的輸入和輸出都是可觀測的，通過實(shí)時(shí)分析給定輸入與期望輸出的差異，得到超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間、上升時(shí)間、響應(yīng)延遲時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差、跟蹤誤差、相關(guān)系數(shù)、協(xié)方差等特性參數(shù)，進(jìn)而對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的控制特性進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。

3.3 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警，提供友好的人機(jī)交互界面。目前在工業(yè)控制領(lǐng)域大量采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，如國外的Intouch、ifix、Cimplicity、Citech、WinCC、ASPEN-tech、TRACE MODE、Movicon、RSView32、Optimax等等；國內(nèi)組態(tài)王、世紀(jì)星、三維力控等，都在很多工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。

3.4 健康評(píng)估

健康評(píng)估是以當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合歷史存儲(chǔ)信息，對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)情況進(jìn)行綜合評(píng)定的過程。實(shí)現(xiàn)健康評(píng)估的核心問題是建立系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型及關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

層次結(jié)構(gòu)模型常常按照功能組成進(jìn)行劃分，一般可以分為系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部件、部位四級(jí)。部位的健康評(píng)估取決于該部位所安裝的傳感器數(shù)據(jù)分析結(jié)論；而部件的健康評(píng)估取決于該部件的各個(gè)監(jiān)測部位健康情況。非關(guān)鍵部件健康狀態(tài)的傳遞可以采用均方根傳遞、關(guān)鍵部件健康狀態(tài)的傳遞可以采用最小值原則等。

關(guān)鍵指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系是健康評(píng)估結(jié)論是否合理的前提，通常采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為絕對(duì)判別標(biāo)準(zhǔn)、相對(duì)判別標(biāo)準(zhǔn)和類比判別標(biāo)準(zhǔn)三種。

1)對(duì)于工況明確、符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，采用絕對(duì)判別標(biāo)準(zhǔn)予以評(píng)估；

2)工業(yè)控制領(lǐng)域中，往往復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)際情況與國家標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，此時(shí)采用相對(duì)判別標(biāo)準(zhǔn)來確定指標(biāo)評(píng)價(jià)體系；將正常工作狀態(tài)下的指標(biāo)情況設(shè)置為參考基準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)一定偏差時(shí)，根據(jù)偏差的程度來衡量健康程度；

3)同類復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可以采用類比判別標(biāo)準(zhǔn)來快速制定指標(biāo)體系。

3.5 壽命預(yù)測

目前已經(jīng)有多種方法應(yīng)用于故障預(yù)測，不同的故障預(yù)測方法對(duì)系統(tǒng)的適用性、應(yīng)用成本和預(yù)測精度都有所不同[4]。壽命預(yù)測功能建立在積累大量的數(shù)據(jù)和專家知識(shí)后，構(gòu)建壽命預(yù)測模型，通過調(diào)用適合的預(yù)測算法，形成壽命預(yù)測結(jié)論。壽命預(yù)測模塊主要包括以下幾部分：(1)預(yù)測參數(shù)提取。針對(duì)預(yù)測需求，對(duì)預(yù)測輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)預(yù)處理，以滿足預(yù)測模型輸入接口要求，包括了野值、噪聲剔除，X-11數(shù)據(jù)分析等，提取的內(nèi)容包括了數(shù)據(jù)項(xiàng)。(2)性能預(yù)警。利用基于等效物理模型、統(tǒng)計(jì)評(píng)估、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等方法，對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵性能進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與預(yù)警門限比較，給出性能預(yù)警提示。(3)壽命預(yù)測推理。采用基于物理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測模型，分析壽命預(yù)測對(duì)象的剩余壽命，評(píng)價(jià)剩余壽命預(yù)測可信性。

3.6 維修決策

維修決策模塊是健康管理系統(tǒng)與日常運(yùn)營業(yè)務(wù)結(jié)合最緊密的功能模塊。通過讀取狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預(yù)測的結(jié)論，結(jié)合裝備管理數(shù)據(jù)庫中的部件信息、業(yè)務(wù)優(yōu)化決策要素，根據(jù)安全性、任務(wù)性、可用度和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)性后果，綜合選擇決策目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建決策優(yōu)化模型[5]，調(diào)用決策算法以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化維修決策，決策的結(jié)論可以與業(yè)務(wù)部門的業(yè)務(wù)流程綁定，從而直接進(jìn)入到維修流程中。

維修決策模塊分為數(shù)據(jù)接口管理、決策要素管理、維修決策程序、決策報(bào)告管理等功能模塊。如圖3所示。

圖3 維修決策管理軟件

4 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)視情維修業(yè)務(wù)體系

采用復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)健康管理后，必然對(duì)現(xiàn)行的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)維修管理體制帶來變化，對(duì)日常的狀態(tài)評(píng)估到維修申請(qǐng)流程均會(huì)帶來影響。應(yīng)用健康管理后的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)視情維修體系示意圖如圖4。

圖4 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)視情維修業(yè)務(wù)體系流程示意圖

由圖4可知，應(yīng)用健康管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)視情維修以后，系統(tǒng)運(yùn)行前的性能確認(rèn)、運(yùn)行期間的監(jiān)測顯示可以為系統(tǒng)安全運(yùn)行提供保障；出現(xiàn)故障報(bào)警后，根據(jù)故障情況制定應(yīng)急維修方案或視情維修方案，形成最優(yōu)化決策報(bào)告，并提交至維修流程中。維修工作是否順利完成也可通過健康管理系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)。

5 應(yīng)用與分析

基于上述復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)的體系方法，在某型低速風(fēng)洞中，針對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)與洞體本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部署與應(yīng)用，其系統(tǒng)功能層次如圖5所示。

圖5 風(fēng)洞健康管理系統(tǒng)功能層次

如圖5，系統(tǒng)分為4個(gè)層次：

1)現(xiàn)場采集層。負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、處理、上傳工作。本項(xiàng)目現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息包括振動(dòng)、溫度、壓差、轉(zhuǎn)速、液位、濕度等物理參數(shù)以及電壓、電流等電氣參數(shù)?，F(xiàn)場采集層中配備相應(yīng)的傳感器、信號(hào)線纜及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集、處理傳感器信息并上傳到測控局域網(wǎng)。

2)數(shù)據(jù)層。負(fù)責(zé)完成對(duì)測控局域網(wǎng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)及基于數(shù)據(jù)的應(yīng)用。硬件設(shè)備組成上主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、機(jī)械裝置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、web服務(wù)器等，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫記錄存儲(chǔ)各個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備上傳到測控局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和維護(hù)管理；裝備管理數(shù)據(jù)庫記錄了大量裝備運(yùn)行過程中的維修、維修數(shù)據(jù)等。

3)業(yè)務(wù)層。負(fù)責(zé)完成風(fēng)洞自主式維修保障系統(tǒng)的業(yè)務(wù)分析層面的工作，包括分析實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)布；運(yùn)用故障診斷技術(shù)和故障診斷算法進(jìn)行故障建模、故障推理、故障診斷和故障預(yù)測；結(jié)合歷史數(shù)據(jù)評(píng)估被測裝備性能，建立性能衰退模型，開展壽命預(yù)測等工作。

4)表示層。表示層是直接體現(xiàn)用戶應(yīng)用的層次，包括試驗(yàn)管理員對(duì)試驗(yàn)過程的全程管理，如獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析統(tǒng)計(jì)裝備狀態(tài)、處理并上報(bào)應(yīng)急事件等；運(yùn)行工程師對(duì)試驗(yàn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，如配置系統(tǒng)的功能及參數(shù)、獲取實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、查看歷史數(shù)據(jù)、分析診斷故障等；裝備管理員對(duì)試驗(yàn)裝備的維修、維護(hù)過程的全面管理等。

系統(tǒng)經(jīng)過長期的應(yīng)用運(yùn)行，大大提高了風(fēng)洞維修保障各方面效能，對(duì)比如表2所示。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)裝備應(yīng)用健康管理系統(tǒng)前后維修效能對(duì)比表

6 小結(jié)

PHM技術(shù)可有效地減少復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行和工作過程中的各類意外風(fēng)險(xiǎn)，為復(fù)雜系統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)知、缺陷規(guī)避和解決提供支撐。目前國內(nèi)在PHM、視情維修等相關(guān)技術(shù)方面發(fā)展迅猛，然而在實(shí)際工程中的應(yīng)用還遠(yuǎn)未到普及的程度。從復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的性能評(píng)估業(yè)務(wù)、故障識(shí)別以及維修方案的制定等業(yè)務(wù)上，應(yīng)用健康管理技術(shù)后的維修保障體系向更加智能化、自動(dòng)化、最優(yōu)化方向發(fā)展，狀態(tài)評(píng)估更為及時(shí)、準(zhǔn)確，根據(jù)健康管理的結(jié)論指導(dǎo)維修，實(shí)現(xiàn)適時(shí)適度的視情維修模式。因此，深入研究PHM技術(shù)在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

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