隆金波,曲昌琦,蔣覺義,曾照洋,陳 忱,杜 寶

(中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

0 引言

現(xiàn)代裝備要求快速出動任務(wù)、保障規(guī)模小、機(jī)動水平高，需要在維修時(shí)能夠及時(shí)處理故障，提高戰(zhàn)備完好率，較少備件并降低壽命周期費(fèi)用，這些需求要求裝備系統(tǒng)具有較高的故障預(yù)測、健康評估與維修決策支持的能力。故障預(yù)測與健康管理技術(shù)(PHM, prognostics and health management)作為支撐裝備綜合保障的新型技術(shù)，已成為裝備實(shí)現(xiàn)高效保障、智能維修的關(guān)鍵使能技術(shù)[1-2]，當(dāng)前PHM技術(shù)已在裝備的航空發(fā)動機(jī)、航電、機(jī)電等關(guān)鍵系統(tǒng)開展了廣泛的研究，并取得了顯著進(jìn)展[3-4]。

PHM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝備系統(tǒng)從健康狀態(tài)監(jiān)測的方式向系統(tǒng)容錯控制、自愈調(diào)控和智能維修決策的轉(zhuǎn)變， 從被動的計(jì)劃維修活動轉(zhuǎn)向了預(yù)測性維修模式，從而實(shí)現(xiàn)了裝備維修活動的時(shí)間準(zhǔn)確性和部位準(zhǔn)確性[5]。機(jī)電系統(tǒng)作為通用裝備的重要組成部分，其可靠性水平直接影響整機(jī)的使用保障及維修活動，是裝備系統(tǒng)PHM設(shè)計(jì)中關(guān)鍵和重要的組成部分。

PHM系統(tǒng)參數(shù)和評價(jià)指標(biāo)是開展相關(guān)技術(shù)研究的設(shè)計(jì)輸入與目標(biāo)要求，也是對PHM成果進(jìn)行驗(yàn)收核查的評價(jià)依據(jù)。國內(nèi)航空主機(jī)所、科研院所與高校開展了大量的PHM技術(shù)的研究工作[6]，對技術(shù)的概念、內(nèi)涵有了清晰的認(rèn)識，對PHM系統(tǒng)與相關(guān)模型算法的研究和理論水平有了顯著的提高和成效，并在某些裝備制造中進(jìn)行了工程應(yīng)用，但由于缺乏PHM系統(tǒng)參數(shù)與指標(biāo)體系的建立，導(dǎo)致設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方難以明確PHM功能與性能的要求，定型階段使用方缺乏統(tǒng)一的驗(yàn)收評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使PHM系統(tǒng)工程的熟化進(jìn)程緩慢。

本文結(jié)合裝備典型機(jī)電系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的能力需求，通過分析國外技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，建立滿足適用于裝備設(shè)計(jì)與驗(yàn)證需求的機(jī)電PHM系統(tǒng)參數(shù)體系與評價(jià)指標(biāo)，解決裝備PHM系統(tǒng)開發(fā)中缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)與評價(jià)指標(biāo)的問題。

1 PHM技術(shù)發(fā)展

在技術(shù)發(fā)展方面，國外PHM技術(shù)經(jīng)歷了外部測試、機(jī)內(nèi)測試技術(shù)(BIT，Built-in Test)、智能BIT技術(shù)、綜合診斷技術(shù)、PHM共5個(gè)階段[4]。 同時(shí)在維修決策技術(shù)方面，國外的發(fā)展也經(jīng)歷了事后維修、計(jì)劃性預(yù)防性維護(hù)、基于狀態(tài)的維護(hù)(CBM) 、智能維護(hù)[6]幾個(gè)階段。PHM技術(shù)在裝備應(yīng)用方面，也從過去的部件與分系統(tǒng)級逐漸發(fā)展到覆蓋至平臺級,通過逐步完善，PHM技術(shù)目前已形成了精簡化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方法和技術(shù)體系[7]。

我國PHM的研究起源于20世紀(jì)50年代，近年來，以高校和研究所為主力的研究團(tuán)隊(duì)在PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、智能故障診斷及預(yù)測算法方面都有了研究和應(yīng)用。政府和行業(yè)對PHM研究都進(jìn)行了大力支持，并將很多PHM相關(guān)的課題列入了 “863”發(fā)展計(jì)劃[8-10]。北京航空航天大學(xué)謝勁松[11]等人在PHM系統(tǒng)硬件驗(yàn)證平臺方面進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證平臺與機(jī)載系統(tǒng)的融合；王晗中[12]等人 在雷達(dá)雷達(dá)裝備維修保障系統(tǒng)方面進(jìn)行了研究和應(yīng)用， 提高了系統(tǒng)故障診斷和剩余壽命預(yù)測的能力；羅華[13]等人在無人機(jī)PHM技術(shù)方面進(jìn)行了PHM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邏輯體系的研究。

國內(nèi)在PHM技術(shù)研究和應(yīng)用方面當(dāng)前處于技術(shù)探索和型號初步實(shí)踐階段[14]，但目前在國內(nèi)尚無體系化的PHM系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系作牽引。隨著PHM系統(tǒng)工程化應(yīng)用的不斷推進(jìn)，PHM評價(jià)指標(biāo)對于裝備PHM系統(tǒng)研制和核查驗(yàn)證的需求將會越來越緊迫。

2 PHM評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)研究

狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和故障診斷技術(shù)經(jīng)過多年的應(yīng)用發(fā)展，在技術(shù)方面已形成了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系用于系統(tǒng)驗(yàn)證和產(chǎn)品檢驗(yàn)[15]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際電子電氣工程協(xié)會(IEEE)、機(jī)械信息管理開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(MIM0SA)、美國汽車工程師學(xué)會(SAE)、美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)和美國陸軍(US ARMY)等組織和機(jī)構(gòu)陸續(xù)制定并開發(fā)了一系列標(biāo)準(zhǔn)、指南和規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)從多層面、多角度對PHM系統(tǒng)主要內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)范化約束[15-17]。

PHM系統(tǒng)的驗(yàn)證指標(biāo)體系不僅是開展相關(guān)技術(shù)研究的設(shè)計(jì)輸入與目標(biāo)要求，也是對PHM成果進(jìn)行驗(yàn)收核查的評價(jià)依據(jù)[18]。國外在PHM評價(jià)指標(biāo)方面也發(fā)布了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，較為通用的標(biāo)準(zhǔn)有ARP 5783《健康與使用監(jiān)測指標(biāo)》和AIR5909《發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的診斷和預(yù)測指標(biāo)》兩箱標(biāo)準(zhǔn)，下面對2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究分析。

2.1 ARP 5783《健康與使用監(jiān)測指標(biāo)》

ARP5783標(biāo)準(zhǔn)作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)工程實(shí)踐的指南，其目的是為旋翼與固定翼飛機(jī)等裝備的健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)中的診斷算法性能評估提供參考。該標(biāo)準(zhǔn)首次發(fā)布于2008年2月，并于2012年10月以及2018年5月重新確認(rèn)狀態(tài)有效。該標(biāo)準(zhǔn)提供的健康與使用監(jiān)測指標(biāo)主要是出于兩類需求：一是確保診斷算法能夠保持在一個(gè)可接受的低虛警率的同時(shí)檢測出故障，以提高操作的安全性；二是降低基于高性能診斷算法的操作所產(chǎn)生的成本。ARP5783推薦的指標(biāo)的主要用途可分為以下幾類：

1)衡量算法在檢測故障時(shí)的有效性；

2)衡量算法對虛警的抑制能力；

3)評估算法對多故障、電磁瞬態(tài)、飛行條件、不同潤滑狀態(tài)及其它環(huán)境變量的靈敏度；

4)建立算法裝機(jī)使用的接收準(zhǔn)則；

5)評估算法執(zhí)行故障診斷分類的性能。

在ARP5783標(biāo)準(zhǔn)中推薦了“有效性度量”、“分類能力度量”、“數(shù)據(jù)采集性能”3類PHM指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 ARP5783中獲取的參數(shù)集合

2.2 AIR5909《發(fā)動機(jī)PHM系統(tǒng)診斷和預(yù)測指標(biāo)》

AIR5909系列標(biāo)準(zhǔn)作為一項(xiàng)包含工程參考數(shù)據(jù)、歷史信息及技術(shù)協(xié)作的資料文件，其主要目的是為飛行器發(fā)動機(jī)健康管理(EHM)中預(yù)測算法提供性能評估指標(biāo)，首次發(fā)布于2016年2月。AIR5909在提供發(fā)動機(jī)預(yù)測方法、預(yù)測性能評估參數(shù)的同時(shí)，也提出了應(yīng)用建議與注意事項(xiàng)，以增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，AIR5909中提取的指標(biāo)如圖2所示。

圖2 AIR5909中獲取的預(yù)測性能參數(shù)指標(biāo)

3 機(jī)電系統(tǒng)PHM評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建思路

PHM系統(tǒng)的驗(yàn)證指標(biāo)體系不僅是開展相關(guān)技術(shù)研究的設(shè)計(jì)輸入與目標(biāo)要求，也是對PHM成果進(jìn)行驗(yàn)收核查的評價(jià)依據(jù)。

本文在對國內(nèi)外PHM技術(shù)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展、功能性能、評價(jià)指標(biāo)等的對比與剖析的基礎(chǔ)上，將構(gòu)建PHM功能與性能評價(jià)指標(biāo)體系的基本思路確定為：主要從AIR5909、ARP5783中提取PHM功能性能評價(jià)指標(biāo)，從CAP753、ARP1839等標(biāo)準(zhǔn)中分析提煉對于PHM系統(tǒng)功能的定性要求，隨后融合上述三方面的內(nèi)容，構(gòu)建PHM功能與性能評價(jià)指標(biāo)體系。

3.2 評價(jià)指標(biāo)篩選

通過對PHM發(fā)展現(xiàn)狀、PHM標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀、機(jī)電系統(tǒng)PHM功能/性能及參數(shù)分析，結(jié)合機(jī)電PHM能力需求分析，初步構(gòu)建PHM系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)，PHM指標(biāo)體系主要包括PHM狀態(tài)監(jiān)測及診斷指標(biāo)、預(yù)測指標(biāo)、維修決策與評價(jià)指標(biāo)三部分。

3.2.1 監(jiān)測及診斷指標(biāo)

機(jī)電PHM系統(tǒng)的檢測及診斷功能主要用于完成早期故障檢測、故障隔離識別，從診斷算法性能評價(jià)的角度來看，本文將將其評價(jià)因子分解為如下4類：

1)統(tǒng)計(jì)分析：直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)級診斷評估的性能統(tǒng)計(jì)隨著時(shí)間收集在各種分系統(tǒng)或部件上呈現(xiàn)出的多種故障模式數(shù)據(jù)；

2)準(zhǔn)確性/精度：此類指標(biāo)能夠衡量在噪聲、不確定性影響下機(jī)電系統(tǒng)PHM的診斷評估的置信度；

3)魯棒性：考慮可能改變診斷結(jié)果的各種因素(環(huán)境、使用、設(shè)計(jì)等)的影響后，對算法的敏感性或魯棒性進(jìn)行評價(jià)。

4)響應(yīng)時(shí)間：此類指標(biāo)用于評價(jià)預(yù)測算法在保持準(zhǔn)確性和精度的前提下完成故障診斷以促成及時(shí)制定行動決策的能力，在實(shí)際應(yīng)用中往往難以準(zhǔn)確獲取。

所篩選的監(jiān)測及診斷指標(biāo)如表1所示。

表1 監(jiān)測及診斷指標(biāo)

3.2.2 預(yù)測指標(biāo)

機(jī)電系統(tǒng)PHM的預(yù)測功能主要用于預(yù)計(jì)系統(tǒng)/部件的剩余使用壽命，然而預(yù)測結(jié)果的不確定性是難以避免的，因此需要對預(yù)測算法的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)。預(yù)測性能指標(biāo)分為在線預(yù)測性能指標(biāo)和離線預(yù)測性能指標(biāo)，如表2所示。

表2 監(jiān)測及診斷指標(biāo)

3.2.3 決策評價(jià)指標(biāo)

機(jī)電系統(tǒng)PHM相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以通過消除虛警、不必要的拆卸和不能復(fù)現(xiàn)指示，有效降低產(chǎn)品或系統(tǒng)的壽命周期費(fèi)用，并且能夠在減少測試與保障設(shè)備、減少人力與備件等方面縮小后勤保障規(guī)模。因此，可以通過對PHM技術(shù)的實(shí)施效果進(jìn)行費(fèi)效分析，利用成本效益風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)定量反映系統(tǒng)PHM在經(jīng)濟(jì)性上表現(xiàn)出的水平。決策評價(jià)指標(biāo)分為系統(tǒng)整體費(fèi)效、維修效率、局部測試布局合理性三個(gè)方面，如表3所示。

表3 決策評價(jià)指標(biāo)

3.3 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

基于上述分析結(jié)果，并結(jié)合指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性分析，可以得出以下結(jié)論。

從信息獲取難度上來看：考慮到機(jī)電PHM系統(tǒng)對于對關(guān)鍵部件實(shí)時(shí)監(jiān)測與告警指示的意義，應(yīng)首選獲取難度較低的可測試與可計(jì)算指標(biāo)，即應(yīng)剔除診斷性能評價(jià)指標(biāo)中的響應(yīng)時(shí)間相關(guān)指標(biāo)(信息難以獲取)、傳感器能力評價(jià)中的物理特性相關(guān)指標(biāo)(不可測試或計(jì)算)。

從指標(biāo)適用范圍上來看：適用于PHM系統(tǒng)整體、關(guān)鍵部件的評價(jià)指標(biāo)有明顯區(qū)分，同時(shí)EHM的特殊地位也使得系統(tǒng)頂層評價(jià)指標(biāo)中也有部分適用于發(fā)動機(jī)功能性能評價(jià)，考慮到前文中提出的指標(biāo)體系整體邏輯層次性原則，因此不將適用對象層次作為主要的指標(biāo)篩選標(biāo)準(zhǔn)。此外，對于適用對象類型上來看，初選指標(biāo)中針對在線預(yù)測性能的相關(guān)指標(biāo)在當(dāng)前的PHM技術(shù)狀態(tài)與條件下難以實(shí)現(xiàn)，因此剔除此類指標(biāo)，并簡化原架構(gòu)中預(yù)測性能評價(jià)指標(biāo)的下層結(jié)構(gòu)，典型機(jī)電系統(tǒng)PHM評價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 典型機(jī)電系統(tǒng)PHM評價(jià)指標(biāo)體系

4 PHM評價(jià)指標(biāo)適用性分析

對于上文形成的各項(xiàng)指標(biāo)，其評價(jià)方向、側(cè)重點(diǎn)、意義、機(jī)理不盡相同，導(dǎo)致了指標(biāo)適用范圍之間存在差異，尤其是在針對典型機(jī)電系統(tǒng)不同類型的監(jiān)測對象時(shí)有必要明確各項(xiàng)指標(biāo)的適用范圍。

4.1 PHM評價(jià)指標(biāo)適用性分析流程

首先對機(jī)電PHM系統(tǒng)要求進(jìn)行分析，分析對象的監(jiān)測與診斷性能要求和預(yù)測性能要求，然后對照PHM評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行指標(biāo)獲取難度和指標(biāo)獲取成本分析。在指標(biāo)獲取難度方面，對可測試指標(biāo)進(jìn)行測試難度分析、對可計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算難度和準(zhǔn)確度分析；在指標(biāo)獲取成本方面，分析測試環(huán)境搭建成本要求、測試周期要求和測試樣本量要求。經(jīng)過以上兩個(gè)維度的分析，本著測試難度適中、測試成本可接受的原則，形成了完全適用類指標(biāo)和選擇適用類指標(biāo)兩個(gè)等級，PHM評價(jià)指標(biāo)適用性分析流程如圖4所示。

圖4 PHM評價(jià)指標(biāo)適用性分析流程

4.2 PHM評價(jià)指標(biāo)適用性等級

完全適用性指標(biāo)可完全覆蓋對象PHM的性能評價(jià)要求，且指標(biāo)測試難度低、計(jì)算方法明確、測試費(fèi)用不高且測試周期較短，如在電子系統(tǒng)PHM評價(jià)過程中，檢測率、漏檢率、檢測門限值等評價(jià)指標(biāo)的符合性均可定量化描述，指標(biāo)計(jì)算和獲取有特定的理論計(jì)算依據(jù)，指標(biāo)可通過軟硬件故障注入試驗(yàn)等方式快速獲取，此類標(biāo)準(zhǔn)定義為完全適用類標(biāo)準(zhǔn)。

部分適用類標(biāo)準(zhǔn)： 指標(biāo)可部分覆蓋評價(jià)該對象PHM系統(tǒng)的功能性能，且有部分指標(biāo)雖可作為評價(jià)該系統(tǒng)的依據(jù)，但驗(yàn)證評價(jià)過程中指標(biāo)獲取難度較大，成本較高，部分指標(biāo)評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度較低，且部分指標(biāo)無法定量描述，評價(jià)客觀度較低，部分指標(biāo)只能參考類似系統(tǒng)或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性評價(jià)，如在液壓、燃油、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)或部件中，針對監(jiān)測率、漏檢率等指標(biāo)，由于系統(tǒng)的退化類故障模式較多，指標(biāo)驗(yàn)證過程中故障注入試驗(yàn)時(shí)間長，且由于試驗(yàn)樣本數(shù)量的局限性，評價(jià)結(jié)果的置信度較低，大多數(shù)情況下只能依靠同類型號產(chǎn)品或這理論計(jì)算值定性評價(jià)，指標(biāo)的適用性有一定的局限性。

典型機(jī)電系統(tǒng)PHM評價(jià)指標(biāo)體系的適用性分析結(jié)果如表4所示。

表4 評價(jià)指標(biāo)適用性分析結(jié)果

5 結(jié)束語

評價(jià)指標(biāo)是PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入與目標(biāo)要求，也是對PHM研制成果進(jìn)行驗(yàn)收核查的評價(jià)依據(jù)。本文在分析國內(nèi)外PHM技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的基礎(chǔ)上，分析國外先進(jìn)健康管理標(biāo)準(zhǔn)中推薦的PHM評價(jià)指標(biāo)，從指標(biāo)適用性的角度進(jìn)行分析和篩選，構(gòu)建了面向典型機(jī)電系統(tǒng)的PHM評價(jià)指標(biāo)體系，為典型機(jī)電PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了依據(jù)。