王凱 秦曉光 張小強(qiáng)

【摘 要】剩余壽命是衡量長貯存設(shè)備的重要性能指標(biāo)，如何準(zhǔn)確預(yù)測此類設(shè)備的剩余貯存壽命并據(jù)此制定合理的預(yù)測維護(hù)策略，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與外界環(huán)境的影響是必須要考慮的關(guān)鍵問題。本文主要對此類問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并總結(jié)了影響研究進(jìn)展的關(guān)鍵問題。

【關(guān)鍵詞】軍用設(shè)備;剩余壽命;預(yù)測與維護(hù)

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，許多工程設(shè)備、軍事裝備造價日益昂貴，組成與功能更加復(fù)雜。此類設(shè)備一旦發(fā)生失效將引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，在設(shè)備失效之前如果能夠準(zhǔn)確預(yù)測設(shè)備的剩余壽命，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定適當(dāng)?shù)木S護(hù)策略，就可以最大限度的保證設(shè)備正常運(yùn)行，盡可能避免因為失效引起的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、任務(wù)延誤和環(huán)境破壞。以下從剩余壽命預(yù)測概述、研究現(xiàn)狀和存在問題三個方面進(jìn)行論述。

一、剩余壽命預(yù)測與維護(hù)研究概述

剩余壽命預(yù)測及預(yù)測維護(hù)問題的研究一般以設(shè)備處于連續(xù)工作狀態(tài)或者工作狀態(tài)占據(jù)全壽命周期的絕大部分時間為研究背景，但此類研究忽略了設(shè)備的貯存狀態(tài)和貯存時間。但是，很多軍事領(lǐng)域和航天領(lǐng)域的設(shè)備在使用之前長期處于貯存狀態(tài)，貯存期在設(shè)備的全壽命周期內(nèi)居于主要地位。例如，導(dǎo)彈作為一種長期貯存、一次使用的武器裝備，其貯存時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作時間。所以剩余壽命是衡量導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)。只有綜合考慮工作狀態(tài)和貯存狀態(tài)，準(zhǔn)確的預(yù)測剩余貯存壽命才能夠為后續(xù)的預(yù)測維護(hù)策略提供更加合理的決策支持。對提高此類設(shè)備的任務(wù)可靠性以及減少后勤保障費用具有重要意義，也是裝備健康管理的迫切需求。

工程實際中，設(shè)備除了具有工作和貯存兩種狀態(tài)以外，在工作時還存在不同的運(yùn)行狀態(tài)。此外，設(shè)備工作時還會受到外部環(huán)境如溫度、濕度、壓力、風(fēng)力等的影響，不同的運(yùn)行狀態(tài)所處的外部環(huán)境不盡相同。更重要的是運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境狀態(tài)一般都具有隨機(jī)時變特性。其具有兩個鮮明特點：一是使用之前長期處于貯存狀態(tài);二是受作戰(zhàn)、訓(xùn)練、演習(xí)以及戰(zhàn)略威懾等不同任務(wù)的驅(qū)動，運(yùn)行狀態(tài)和所處環(huán)境呈現(xiàn)出隨機(jī)時變特征。

二、剩余壽命預(yù)測研究現(xiàn)狀

剩余壽命預(yù)測作為預(yù)測與健康管理技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對合理制定設(shè)備維護(hù)策略和備件訂購管理策略，降低全壽命周期維護(hù)保障費用以及延長設(shè)備服役壽命具有非常重要的作用。如前所述，剩余壽命預(yù)測包括剩余工作壽命預(yù)測和剩余壽命預(yù)測?，F(xiàn)有的剩余壽命預(yù)測方法大致可分為三類：失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法、加速測試法和退化數(shù)據(jù)建模法。

（1）失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法依賴于設(shè)備的歷史失效數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析確定設(shè)備的貯存壽命分布，統(tǒng)計結(jié)果反映了這一組設(shè)備的共有特性。 Mclain 和 Warren 利用同類設(shè)備的歷史失效數(shù)據(jù)，通過基于似然函數(shù)的統(tǒng)計推斷法擬合失效分布函數(shù)，得到了設(shè)備的貯存壽命分布。此類方法需要大量的歷史失效數(shù)據(jù)。但是，同一批次設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、負(fù)載等因素不盡相同，單個設(shè)備之間也存在差異性。而且隨著現(xiàn)代設(shè)計方法和制造工藝的不斷改進(jìn)，設(shè)備的可靠性越來越高，壽命越來越長，短期內(nèi)無法獲得足夠多的失效數(shù)據(jù)。

（2）加速測試法包括加速壽命測試與加速退化測試。為了獲得足夠多的失效數(shù)據(jù)，通過設(shè)定不同的溫度應(yīng)力水平進(jìn)行加速壽命測試，然后根據(jù)不同應(yīng)力水平下得到的失效數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析法擬合加速壽命模型，進(jìn)而外推得到正常應(yīng)力下的貯存壽命分布。加速壽命測試一般具有較高的試驗成本，可利用加速退化測試的方法研究剩余貯存壽命預(yù)測問題。加速退化測試法通過設(shè)定不同的應(yīng)力水平得到設(shè)備的加速退化數(shù)據(jù)，然后構(gòu)建包含應(yīng)力參數(shù)的加速退化模型得到非正常應(yīng)力下的貯存壽命分布，最后通過估計模型中的未知參數(shù)外推得到正常應(yīng)力下的壽命分布。由于只需得到退化數(shù)據(jù)，加速退化測試法可以降低試驗成本。但加速測試法對加速試驗的樣本量、測試時間、測試項目、應(yīng)力水平的選擇以及試驗參數(shù)的選定都有嚴(yán)格的規(guī)定。

（3）退化數(shù)據(jù)建模法不采用加速試驗，而是通過狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)獲取設(shè)備工作時的退化數(shù)據(jù)，通過建模設(shè)備的性能退化過程進(jìn)而預(yù)測剩余貯存壽命。近年來，研究人員開始考慮基于退化建模的剩余貯存壽命預(yù)測方法。如Feng等考慮高電壓脈沖電容器在貯存狀態(tài)與工作狀態(tài)之間相互切換，且退化過程依賴于電容器所處的狀態(tài)，通過構(gòu)建多階段Wiener 過程建模貯存與工作狀態(tài)的退化過程，進(jìn)而預(yù)測剩余貯存壽命。上述研究都假設(shè)在設(shè)備全壽命周期內(nèi)貯存與工作狀態(tài)的切換時間是確定已知的，沒有體現(xiàn)狀態(tài)切換過程的隨機(jī)時變特性。

綜合上述分析可以看出，實際上，設(shè)備在工作時常處于不同的運(yùn)行狀態(tài)，這些運(yùn)行狀態(tài)之間是隨機(jī)切換的。此外，設(shè)備在工作時還會受到各種外部環(huán)境因素的影響。如前所述，運(yùn)行狀態(tài)的切換以及外部環(huán)境因素的變化都可統(tǒng)稱為隨機(jī)時變環(huán)境，單純考慮貯存與工作狀態(tài)而忽略隨機(jī)時變環(huán)境狀態(tài)會導(dǎo)致預(yù)測的剩余壽命具有較大的不確定性。因此在預(yù)測剩余壽命時，必須要考慮隨機(jī)時變環(huán)境的影響。

三、剩余壽命預(yù)測研究存在問題

對于導(dǎo)彈等長期貯存設(shè)備而言，一方面，實踐表明導(dǎo)彈在長期貯存過程中也會發(fā)生緩慢的性能退化。如通過監(jiān)測不同工作階段的健康狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其貯存之前和之后的退化數(shù)據(jù)的大小具有忽然增加的趨勢。這種變化在短期不明顯，但在長期貯存時的影響是不可忽視的。另一方面，此類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和所處環(huán)境會依據(jù)任務(wù)的不同而隨機(jī)切換。此類設(shè)備的性能退化過程會不可避免地受到隨機(jī)時變環(huán)境的影響。環(huán)境狀態(tài)的隨機(jī)切換使得設(shè)備的退化規(guī)律表現(xiàn)出階段差異性特征。因此，考慮將設(shè)備貯存狀態(tài)視為一種特殊的“環(huán)境狀態(tài)”，在統(tǒng)一的退化模型框架下研究隨機(jī)時變環(huán)境影響下的剩余壽命預(yù)測，難點是如何在統(tǒng)一的模型框架下分別描述貯存狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)對退化過程的影響。