摘要：目前，飛機系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)境正面臨復雜性、綜合化、智能化等的挑戰(zhàn)，對民用飛機系統(tǒng)的故障預測與健康管理系統(tǒng)的研究就顯得極其重要，本文從故障預測與健康管理（PHM）的內(nèi)涵以及主要功能著手，提出了飛機PHM系統(tǒng)的設(shè)計模型與注意事項。

關(guān)鍵詞：飛機系統(tǒng) 故障預測與健康管理 故障診斷 系統(tǒng)設(shè)計

1 故障預測與健康管理（PHM）系統(tǒng)的基本內(nèi)涵

預測與健康管理PHM（Prognosties and Health Management）技術(shù)的主要原理是利用先進的傳感器技術(shù)對系

統(tǒng)性能相關(guān)的參數(shù)進行捕獲、收集、記錄，然后將這些特征參數(shù)與期望的狀態(tài)值進行對比，再使用智能算法和模型對所收集的數(shù)據(jù)和信息進行檢測、分析、預測和調(diào)整，從而通過這一系列活動來確保整個系統(tǒng)或設(shè)備的工作狀態(tài)運行良好。一般具備如下功能[1]：故障檢測、故障隔離、故障診斷、故障預測、健康管理和壽命追蹤。

這類技術(shù)主要包括兩個方面的內(nèi)容：

一是故障預測（prognostics），即提前對部件或系統(tǒng)工作的狀態(tài)進行檢測，及時對故障隱患進行檢測預警，具體而言一般包括確定部件或者系統(tǒng)的剩余壽命或正常工作的時間長度。

二是健康管理（health management），這里所謂的健康是一個專業(yè)術(shù)語，PHM系統(tǒng)中的健康指的是實際狀態(tài)下的機器設(shè)備性能與理想正常性能狀態(tài)之間的偏差程度，健康管理則指根據(jù)診斷或者預測所得到的結(jié)果，根據(jù)可用資源和使用需求對維修活動進行決策。目前，PHM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，比如核電站設(shè)備、制動裝置、發(fā)動機、傳動裝置等。

PHM技術(shù)使得事后維修或定期維修策略發(fā)生了變化，而這種更方便更安全的轉(zhuǎn)變能夠為現(xiàn)實裝備保障帶來多方面功能的提升[2]：提供系統(tǒng)失效的高級告警；提供視情維護能力；能夠為將來的設(shè)計、評估和系統(tǒng)分析獲得歷史數(shù)據(jù)及知識；通過維護周期的延長或及時的維修活動提高系統(tǒng)的可用性；通過縮減檢查成本、故障時間和庫存，降低全壽命周期的成本；減少間歇性故障和無故障發(fā)現(xiàn)的發(fā)生。

2 故障預測與健康管理（PHM）系統(tǒng)的組成部分

通常情況下，PHM系統(tǒng)的構(gòu)成主要有以下六個部分組成，但是各部件之間并沒有完全明顯的界限，而是彼此之間存在著數(shù)據(jù)信息的交叉和反饋，從而形成一個彼此聯(lián)系的有機整體。

2.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸。該部分是PHM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，主要利用各種傳感器對整個系統(tǒng)進行檢測，采集整個系統(tǒng)的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，并通過傳輸系統(tǒng)傳入PHM系統(tǒng)內(nèi)，將所收集到的數(shù)據(jù)有效轉(zhuǎn)換成可以進行參考和作出決策的信息。

2.2 信息歸納處理。接收從傳感器或其他數(shù)據(jù)處理模塊上所產(chǎn)生的信號和數(shù)據(jù)，將這些信號或者數(shù)據(jù)按照一定的格式進行處理，以便用于進一步的健康評估和后續(xù)零件的故障預測，這一部分產(chǎn)生的輸出結(jié)果主要采取以下形式：經(jīng)過濾、壓縮簡化后的傳感器數(shù)據(jù)，頻譜數(shù)據(jù)以及其它特征數(shù)據(jù)等。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測。該部分接收從傳感器或者其他處理數(shù)據(jù)模塊中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信號，然后將這些數(shù)據(jù)與預定的失效判據(jù)的進行比較來判定此時狀態(tài)下的系統(tǒng)安全性，并根據(jù)預定的閾值和各種參數(shù)的極限值的設(shè)定具有故障報警功能。

2.4 健康評估。這一部分接受來自不同狀態(tài)監(jiān)控模塊和其他健康評估模塊傳出的數(shù)據(jù)和信號，以各種健康狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)參數(shù)和維修歷史記錄等為參考來評估判定被監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀態(tài)，具有產(chǎn)生故障診斷數(shù)據(jù)和確定失敗可能性的作用。

2.5 故障預測決策。該部分實現(xiàn)了PHM系統(tǒng)管理的功能，大體思路是首先接受來自狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預測部分產(chǎn)生的各類信號和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)所收集的信號對零件更換以及維修活動提出修改措施，從而確保被測系統(tǒng)能夠在發(fā)生故障之前及時進行維修，避免了故障事故的發(fā)生。

2.6 接口。該部分主要分為人-機接口和機-機接口兩大類，其中人-機接口包括狀態(tài)監(jiān)測模塊的警告信息顯示以及健康評估、預測和決策支持模塊的數(shù)據(jù)信息的表示等，機-機接口使得上述各模塊之間以及PHM系統(tǒng)同其它系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息可以進行傳遞交換。

3 故障預測與健康管理（PHM）系統(tǒng)的設(shè)計分類

在設(shè)計民用飛機的PHM系統(tǒng)時，可以參考以下三類PHM模型然后結(jié)合實際進行設(shè)計。

3.1 基于模型的故障診斷與預測。依據(jù)對象系統(tǒng)的故障特征與模型參數(shù)有著相近或緊密聯(lián)系的特性，基于模型的故障診斷與預測的技術(shù)能深入飛機的整體系統(tǒng)的本質(zhì)和具有實時的故障預測功能，其所依據(jù)的故障診斷與預測技術(shù)的整體系統(tǒng)是經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)驗證過的，因此通常所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和決策比較真實、可靠。

3.2 基于狀態(tài)信息的故障診斷與預測。這一設(shè)計的原理是通過對飛機上各類設(shè)備的工作狀態(tài)和工作環(huán)境采取實時監(jiān)測的措施，并借助人工智能等先進的計算訪求技術(shù)，來診斷、預測和合理安排設(shè)備未來的維修調(diào)度時間，從而可以有效降低設(shè)備的全壽命周期費用，進一步增加設(shè)備的穩(wěn)定性，從一定程度上可以減少檢修或診斷的耗費。

3.3 基于知識的故障診斷與預測。這一設(shè)計不需要精確的數(shù)學模型，而是有效的利用相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗知識來進行設(shè)計，雖然目前還不夠成熟，但是卻是很有前景的方法。通常情況下，一般將這一設(shè)計技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合使用進行設(shè)計，可以獲得更好的設(shè)計效果。

4 故障預測與健康管理（PHM）系統(tǒng)設(shè)計中的問題與設(shè)計思路

4.1 不確定性。在對電子產(chǎn)品進行故障預測，不確定性的存在會影響預測精度的提高，因此就需要對不確定進行分析和研究，不確定性的來源有很多方面的原因，比如儀器測量不可能完全和正確結(jié)果高度一致、各種參數(shù)本身存在的不確定性、失效評價標準所需的評價環(huán)境和狀態(tài)無法保持不變、未來使用的不確定性、定量評估模型的不確定性、維修決策有時難以制定。而減少不確定性的根本方法就是要盡量限制產(chǎn)生不確定性的來源，通常情況下所采用的有效方法是增強傳感器測量、改善制造程序、優(yōu)化損傷模型等。

4.2 間歇失效。間歇失效指的是一種特殊的失效形式，主要有三方面的表現(xiàn)：不能鑒定的失效、未來不能復現(xiàn)的失效、特殊的失效模式和失效機理。其中不能復現(xiàn)的故障（CND）占到航電產(chǎn)品故障比例的40%-85%。隨之便要產(chǎn)生高額的維修費，產(chǎn)生這種失效方式的原因主要有兩個：一個是電子產(chǎn)品檢驗的時間不夠充分，使得不合格產(chǎn)品未能被淘汰掉而被當做正品使用。另一個是載信號連接器連接點上存在腐蝕所致，這類原因比較普遍，但目前還無更好的方法來削弱失效的影響。

4.3 潛在的失效源。任何一個飛行器都是由成千上萬個電子產(chǎn)品構(gòu)成的，而這些電子產(chǎn)品又是由大量電子元件構(gòu)成的，由于每一個元件可能具有多個可測量的性能參數(shù)，而這些性能參數(shù)彼此可能存在著很大的差異和區(qū)別，并且不同元件之間往往具有非常復雜的性能相關(guān)性，因此導致電子元件上具有大量潛在的失效源。

4.4 傳感技術(shù)存在局限性。在飛機上的故障預測與健康管理系統(tǒng)中，為了確保時時掌控飛機的運行狀況，就需要連續(xù)監(jiān)測各類器件的壽命周期載荷，但是目前的傳感技術(shù)卻還無法達到這種要求，另外傳感系統(tǒng)的安裝空間受到電路板大小的限制，通常情況下，電子板的空間會小于傳感器的尺寸，而且安裝到電子產(chǎn)品中的傳感器還可能與電子產(chǎn)品的性能互不兼容，甚至彼此會產(chǎn)生不利的影響。

在進行PHM設(shè)計時一般按照以下思路進行，首先要根據(jù)正確合理的標準選擇監(jiān)測部件，確定監(jiān)測參數(shù)，然后可以將各類設(shè)計方法有機統(tǒng)一起來，以提高設(shè)計的科學性、安全性和準確性。另外在進行設(shè)計之前要注意收集飛機主要系統(tǒng)的各項歷史數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對這些歷史數(shù)據(jù)進行提取總結(jié)分析，便于對整個設(shè)計過程進行參考。

參考文獻：

[1]MICHAEL G P.Prognostics and health management of electronics[M].John Wiley & Sons. Inc.， Hoboken， New Jersey，2008：3-20.

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[3]孫博，康銳，謝勁松.故障預測與健康管理系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2007，29（10）：1762-1767.

[4]王立綱.民用飛機系統(tǒng)的故障預測與健康管理系統(tǒng)設(shè)計[J].航空維修與工程，2011.

作者簡介：

石湘（1963-），男，湖南邵陽人，工程師，研究方向：電器設(shè)備。