航空電子系統(tǒng)PHM技術(shù)的探究

李曉洋

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航空電子系統(tǒng)PHM技術(shù)的探究

李曉洋

交通運(yùn)輸部北海第一救助飛行隊(duì)，遼寧 大連 116031

隨著經(jīng)濟(jì)及科技的快速發(fā)展，航空領(lǐng)域獲得了迅速發(fā)展，尤其是故障預(yù)測與健康管理技術(shù)（也稱PHM技術(shù)）的應(yīng)用，推動了航空電子系統(tǒng)的不斷飛躍?；诖?，主要分析了航空電子系統(tǒng)的PHM技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以及研究了航空電子設(shè)備健康信息的獲取與處理，最后總結(jié)了航空電子系統(tǒng)PHM的支撐技術(shù)，提高航空電子系統(tǒng)PHM技術(shù)的水平。

航空電子；故障預(yù)測；健康管理

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下，航空電子系統(tǒng)的PHM技術(shù)得到的快速發(fā)展。目前，傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)已經(jīng)不能滿足時(shí)代的要求，PHM技術(shù)已經(jīng)成為未來航空電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，它不僅能夠降低維護(hù)費(fèi)用，而且也能夠確保戰(zhàn)備的完好性，提高任務(wù)的成功率。PHM技術(shù)在航空領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 航空電子系統(tǒng)PHM技術(shù)的研究現(xiàn)狀

近年來，PHM技術(shù)已經(jīng)成為航空領(lǐng)域研究的一個焦點(diǎn)。為了獲得更好的進(jìn)展和明顯的效果，著重對以下幾方面進(jìn)行了分析研究。

（1）失效機(jī)理。失效機(jī)理主要是電子器件在使用過程中其性能逐漸退化的一種表現(xiàn)。[1]由于航空電子系統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路的失效機(jī)理已經(jīng)成為制造方主要的研究對象，研究人員的分析研究能夠很好地預(yù)測電路的壽命及其退化電路的性能。目前，主要的研究內(nèi)容如下：熱載流子效應(yīng)、互連線電遷移失效、雙極晶體管退化以及時(shí)間型絕緣介質(zhì)擊穿等模型。（2）應(yīng)力損傷評估。電子設(shè)備發(fā)生故障的主要原因之一就是外部環(huán)境應(yīng)力對電子器件造成的損傷（如溫度、濕度、沖擊力、振動等），減少了設(shè)備的可靠性[2]。應(yīng)力損傷評估主要是在電子產(chǎn)品壽命周期內(nèi)承受的全部外部應(yīng)力載荷的累積。通過計(jì)算累積的損傷和壽命損耗估算出設(shè)備的剩余壽命。為了能夠更好地評估應(yīng)力損傷，可以在產(chǎn)品內(nèi)安裝多個傳感器來感知外部的載荷，以方便計(jì)算。（3）故障先兆。隨著產(chǎn)品使用時(shí)間的增長會發(fā)生一些老化現(xiàn)象，電路的性能也會逐漸退化。對此，在分析電子產(chǎn)品、電路以及系統(tǒng)的失效模式和危害度的同時(shí)，選取頻率響應(yīng)、放大倍數(shù)、匹配阻抗等與失效有關(guān)的物理量作為故障先兆或指征，構(gòu)建故障預(yù)測的模型。通過對監(jiān)測這些參數(shù)指征來評估電子器件及設(shè)備的性能，提前預(yù)測出其可能發(fā)生的故障，確保行駛過程中的安全。（4）故障預(yù)警。目前，國外研發(fā)公司和一些研發(fā)機(jī)構(gòu)正在研究的一種故障預(yù)警方法就是在電路板模塊上設(shè)置故障預(yù)警電路，安裝預(yù)警元器件。這些預(yù)警元器件與板上的IC電路類似，其失效機(jī)理相同。只不過在相同的飛行條件下，為了加快它的失效過程，加大了其工作的負(fù)荷，增大其承受的工作應(yīng)力。因此，對于其他IC電路來說，預(yù)警元器件將先行故障，進(jìn)而可以預(yù)測電路板發(fā)生故障的時(shí)間?，F(xiàn)在比較火熱的預(yù)警元件就是CMOS工藝，它能夠有效檢測半導(dǎo)體的一些失效現(xiàn)象。

2 航空電子設(shè)備健康信息的獲取與處理

2.1 航空電子設(shè)備健康信息的獲取

為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測設(shè)備的故障，需要給航空電子設(shè)備建立健康檔案，并對其進(jìn)行健康管理?，F(xiàn)階段，需要獲取的健康信息主要包括以下幾方面：（1）基本信息。主要包括表征設(shè)備在正?；蚬收蠣顟B(tài)時(shí)由設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的技術(shù)數(shù)據(jù)。（2）工作信息。在飛行過程中，表征設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下被檢測出的技術(shù)數(shù)據(jù)。（3）環(huán)境信息。在飛行過程中，檢測到的有關(guān)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的技術(shù)數(shù)據(jù)。（4）歷史信息。在使用維護(hù)過程中，記錄的設(shè)備曾發(fā)生過的故障修理的技術(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 航空電子設(shè)備的健康監(jiān)測

健康監(jiān)測主要是對電子設(shè)備的參數(shù)與狀態(tài)（工作信息）以及環(huán)境應(yīng)力（環(huán)境信息）進(jìn)行的檢測。工作信息的監(jiān)測和通過航空電子設(shè)備的內(nèi)部測試實(shí)現(xiàn)其工作信息的監(jiān)測，主要是對功能電路區(qū)的特性進(jìn)行監(jiān)測。通過被監(jiān)測對象的健康模型和失效模式選定需要監(jiān)測的物理量。環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測，是航空電子設(shè)備內(nèi)聯(lián)的微傳感器實(shí)現(xiàn)其環(huán)境信息的監(jiān)測。電子設(shè)備發(fā)生故障的主要原因由溫度、振動以及濕度構(gòu)成。其中，溫度引起的故障占主要因素，它是濕度和振動引起的故障之和。此外，對塑封器件形成較大影響的是低氣壓和輻射，同時(shí)通過時(shí)間可以累積應(yīng)力引起的壽命損耗。

3 航空電子系統(tǒng)PHM的主要支撐技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳感器技術(shù)

PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)就是表征健康狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)以及推斷健康狀態(tài)的參數(shù)信息。要想采集這些數(shù)據(jù)信息需要選擇監(jiān)測的參數(shù)、傳感器的型號、安放的位置帶寬和精度等。同時(shí)，由于故障形成原因的種類較多，需要監(jiān)測的參數(shù)也就較多，這樣就需要體積小型化和功能多樣化的傳感器來實(shí)現(xiàn)。

3.2 故障診斷技術(shù)

故障診斷技術(shù)的方法主要包括三種，即基于解析模型的方法、基于信號處理的方法以及基于知識的方法。解析模型法是在了解診斷對象數(shù)學(xué)模型的情況下對被測信息以一定的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理診斷；信號處理法是運(yùn)用信號模型對可測信號進(jìn)行直接分析進(jìn)而進(jìn)行故障檢測；基于知識法是在知識處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)辯證與數(shù)理邏輯的集成以及數(shù)值處理與符號處理的結(jié)合、算法過程與推理過程的結(jié)合，通過知識化的概念和處理方法達(dá)到故障診斷的目的。

3.3 故障預(yù)測技術(shù)

故障預(yù)測技術(shù)是在了解設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及變化趨勢的情況下，通過當(dāng)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)、工作條件、使用情況以及環(huán)境等，借助某種預(yù)測模型的計(jì)算，預(yù)測出不同時(shí)間后的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，最后診斷出預(yù)測的參數(shù)狀態(tài)，進(jìn)而對當(dāng)前的健康狀態(tài)作出準(zhǔn)確的推測?，F(xiàn)有的預(yù)測算法主要包括參數(shù)模型法和非參數(shù)模型法兩種。

3.4 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是綜合處理多源信息來獲得更準(zhǔn)確可靠的結(jié)論。從健康管理層面看，為了增強(qiáng)檢測精度和魯棒性，PHM系統(tǒng)將數(shù)據(jù)、特征以及信息進(jìn)行融合，使異常檢測、故障診斷以及預(yù)測技術(shù)的效能有所提高。常用的融合算法主要有D-S證據(jù)理論融合、貝葉斯推理等，進(jìn)一步提高檢測的置信水平。

3.5 健康管理技術(shù)

所謂健康管理就是對健康狀態(tài)進(jìn)行管理的一些活動，主要包括診斷、緩解、修復(fù)以及檢驗(yàn)四種。其綜合運(yùn)用了測試技術(shù)、人工智能技術(shù)以及信息技術(shù)，具有自主和智能的特點(diǎn)。

4 總結(jié)

航空電子系統(tǒng)PHM技術(shù)的應(yīng)用，降低了電子設(shè)備發(fā)生的故障概率，提高了設(shè)備的健康狀況。不過PHM技術(shù)還處于起步階段，還需對其進(jìn)行不斷的研究和測試，提高航空飛行的安全性。

[1]張寶珍，曾天翔.先進(jìn)的故障預(yù)測與狀態(tài)管理技術(shù)[J].測控技術(shù)，2003，22（1）：4-6.

[2]曾聲奎.故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào)，2005，26（5）：626-632.

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