基于電子裝備的健康管理技術(shù)研究

李亞楠 陳露薇

摘要：電子裝備是信息化系統(tǒng)的重要組成部分為了提升信息化系統(tǒng)的可靠性和維修性需要應(yīng)用先進(jìn)的管理技術(shù)來(lái)對(duì)電子裝備進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和診斷維修文章通過(guò)總結(jié)以往裝備的問(wèn)題、維修經(jīng)驗(yàn)結(jié)合健康管理理念提出了融合應(yīng)用思路并予以實(shí)踐旨在降低裝備故障率增強(qiáng)維修時(shí)效性有助于指導(dǎo)裝備設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：電子裝備故障預(yù)測(cè)健康管理故障樹(shù)狀態(tài)信息

中圖法分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on health management technology based on electronic equipment

LI Yanan，CHEN Luwei

（The 15th Research Institute of China Electronics Technology Corporation，Beijing 100083，China）

Abstract：Electronic equipment is an important part of the information system. In order to improve the reliability and maintainability of the information system， it is necessary to apply advanced management technology to predict， diagnose and maintain electronic equipment. By summarizing the problems and maintenance experience of previous equipment， combined with the concept of health management， this paper puts forward the idea of integrated application and put it into practice， aiming to reduce the failure rate of equipment， enhance the timeliness of maintenance， and help guide equipment design.

Key words： electronic equipment， fault prediction， health management， fault tree， status information

1? 引言

現(xiàn)代系統(tǒng)中電子裝備越來(lái)越重要，在電子裝備逐漸向小型化、精密化、自動(dòng)化方向發(fā)展的同時(shí)，其穩(wěn)定工作是整個(gè)系統(tǒng)良好運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電子裝備的運(yùn)行情況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決節(jié)點(diǎn)故障、提前預(yù)測(cè)故障隱患顯得尤為重要，所以有必要在電子裝備中內(nèi)嵌健康管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子裝備的高效、自動(dòng)檢測(cè)，從而提高電子裝備的使用效率[1]。

2? 健康管理的目的和意義

電子裝備的使用狀態(tài)通常分為五類(lèi)，即正常、異常、性能下降、故障報(bào)警和功能失效。在電子裝備的全流程使用過(guò)程中，隨著老舊和損耗，電子裝備的健康狀態(tài)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從正常階段到故障或功能失效的過(guò)程，即健康退化過(guò)程。如圖1 所示，電子狀態(tài)初始時(shí)都處于正常階段，工作狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定;隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)一定會(huì)出現(xiàn)故障，經(jīng)過(guò)維修后可恢復(fù)正常狀態(tài)繼續(xù)工作;再隨著時(shí)間推移還會(huì)出現(xiàn)“故障→維修→恢復(fù)→正常工作”如此往復(fù)循環(huán);直到某一時(shí)刻或某一次，出現(xiàn)嚴(yán)重故障快速失效。不同的電子裝備表現(xiàn)的健康退化程度各不相同，但是總體而言都是量的積累到質(zhì)的變化[2]。健康管理就是要在量的積累過(guò)程中找出失效隱患或故障隱患，延緩功能性能的降低，防止異常故障的出現(xiàn)，達(dá)到杜絕質(zhì)變的目的。

以往針對(duì)電子裝備都采用“出了問(wèn)題再解決問(wèn)題”的形式，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人員精力[3] ，事后維修已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前電子裝備的需求。將健康管理系統(tǒng)嵌入電子裝備中，在對(duì)電子裝備故障機(jī)理和故障規(guī)律進(jìn)行充分研究和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上[4] ，再結(jié)合智能化自學(xué)習(xí)功能通過(guò)實(shí)時(shí)或者近實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)，提前分析得出故障部位和故障時(shí)間，做到將故障消滅在“萌芽”狀態(tài)[5]。如圖2 所示，在電子裝備運(yùn)行過(guò)程中，健康管理對(duì)故障機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行記錄并分析，以自動(dòng)優(yōu)化，從而延長(zhǎng)正常工作時(shí)間。

健康管理的目的是在電子裝備正常時(shí)去發(fā)現(xiàn)其異常、性能下降、功能失效、故障等情況甚至是其趨勢(shì)或及早預(yù)見(jiàn)，有針對(duì)性地提出維護(hù)建議;良好的應(yīng)用健康管理技術(shù)可有效延長(zhǎng)電子裝備的使用壽命，提高健壯性，從而促進(jìn)全系統(tǒng)“降本增效”。

3? 健康管理的范圍邊界

健康管理主要包括信息采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、診斷評(píng)估、定位排故、異常預(yù)測(cè)等內(nèi)容，如圖3 所示。在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電子裝備的機(jī)內(nèi)測(cè)試和健康狀態(tài)監(jiān)控功能的進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修和自主式保障[6]。

3.1? 信息采集

信息采集是健康管理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之一，是數(shù)據(jù)、模型的重要來(lái)源，主要是通過(guò)傳感器獲取各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)，如電壓、電流、溫度、壓力、位移、角度、速度、資源消耗等。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)的提取分析，捕獲其主要特征，對(duì)比其生命曲線，預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)或故障，提高了電子裝備的性能。

3.2? 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)也是健康管理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之一，與信息采集的區(qū)別是開(kāi)關(guān)量模式，通過(guò)設(shè)置提示、預(yù)警、告警、過(guò)載等門(mén)限值對(duì)比健康模型可以快速定位提示或報(bào)警。狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以說(shuō)是對(duì)信息的粗判，也是自身健康模型的快速應(yīng)用。

3.3? 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要是引接信息采集獲取到的數(shù)據(jù)資源，經(jīng)過(guò)濾波、去噪、降維、壓縮等處理后可形成融合資源池，在融合資源池中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)、分門(mén)別類(lèi)、整編挖掘，去粗取精、提取擬合、建庫(kù)建模。通過(guò)數(shù)據(jù)分析首先可以快速建立基本監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，從而形成狀態(tài)監(jiān)測(cè)的依據(jù)法則;其次可以積累完善知識(shí)資源庫(kù)，便于了解和掌握運(yùn)行過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)細(xì)節(jié)，繪制出全生命周期的動(dòng)態(tài)曲線，為診斷和評(píng)估提供參考。

3.4? 診斷評(píng)估

診斷評(píng)估主要是通過(guò)智能學(xué)習(xí)建立健康模型，引導(dǎo)電子裝備朝著智能化、自主化、獨(dú)立化的發(fā)展方向。依據(jù)融合資源池的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)描繪出其生命歷程，再結(jié)合專(zhuān)家診斷經(jīng)驗(yàn)、模糊非線性算法對(duì)其進(jìn)行分析評(píng)估，找出其發(fā)展規(guī)律或構(gòu)建運(yùn)行圖譜，衍生出多方面測(cè)試模型、評(píng)價(jià)模型、故障模型等健康模型，便于檢測(cè)、判斷、定位和決策。通過(guò)健康模型可對(duì)裝備工作的未來(lái)走向進(jìn)行預(yù)判，及早提示故障隱患，合理決策維護(hù)、維修的時(shí)機(jī)，建立主動(dòng)預(yù)防機(jī)制，為操作指導(dǎo)和異常預(yù)測(cè)提供支撐。

3.5? 定位排故

定位排故主要是依據(jù)信息采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、診斷評(píng)估等方式方法而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、找到問(wèn)題、指示問(wèn)題、解決問(wèn)題，定位排故通常最終需要人為操作更換，甚至有時(shí)在工作過(guò)程中就需要人機(jī)互動(dòng)。定位排故更多的是針對(duì)已發(fā)生的故障事件進(jìn)行反推，依據(jù)故障樹(shù)原理并結(jié)合自身的健康模型逐點(diǎn)排查、印證確認(rèn)。健康管理的定位排故具有自動(dòng)化、快速化的特點(diǎn)，能有效縮短故障定位時(shí)間、提高準(zhǔn)確性，是突發(fā)性故障的有效解決辦法[7]。

3.6? 異常預(yù)測(cè)

異常預(yù)測(cè)是定位排故的升級(jí)，目的是在電子裝備正常運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)漸進(jìn)性故障隱患，適時(shí)采取人工干預(yù)措施，防止突發(fā)性故障的發(fā)生。異常預(yù)測(cè)是智能自學(xué)習(xí)的充分應(yīng)用，利用歷史數(shù)據(jù)和以往的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)持續(xù)跟蹤裝備運(yùn)行;及時(shí)記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)并作為后續(xù)觀測(cè)依據(jù)，以實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)印證結(jié)果、修正預(yù)測(cè)參數(shù)，從而補(bǔ)充完善健康模型。

4? 健康管理在電子裝備中的應(yīng)用研究

4.1? 電子裝備的通用模型

電子裝備的基礎(chǔ)是電子，裝備是形態(tài)。不同的電子組合應(yīng)用形成不同的功能，可以總結(jié)為供電支撐、信息采集、信息存儲(chǔ)、控制處理、顯示交互、軟件定義等幾個(gè)方面，構(gòu)建出其通用模型，如圖4 所示。

電子裝備發(fā)揮應(yīng)有效能即正常工作，需要通用模型中的每一個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同并進(jìn)，單點(diǎn)、多點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題或效能下降都有可能導(dǎo)致電子裝備整體效能下降或異常。常規(guī)做法是等設(shè)備實(shí)際表現(xiàn)出異?，F(xiàn)象后再進(jìn)行分析，通過(guò)故障樹(shù)思路順藤摸瓜分析出其問(wèn)題根源所在，然后提出針對(duì)性的解決措施。

健康管理的意義就是提前將故障樹(shù)套用在通用模型上并自我完善增進(jìn)，將工作原理與影響因素、隱患結(jié)果相結(jié)合，一方面有助于問(wèn)題的快速排查與解決;另一方面有助于提高電子裝備使用的可靠性[8]。

4.2? 健康管理的嵌入應(yīng)用

將健康管理系統(tǒng)嵌入電子裝備中，深入到各個(gè)細(xì)節(jié)，從而做到對(duì)整體設(shè)備的全面掌控。

設(shè)備中需要植入多個(gè)傳感器，借助傳感器更好地感知外部荷載，了解溫度、濕度、振動(dòng)、壓力、電流、電壓等對(duì)設(shè)備安全使用的影響。

在電子裝備中設(shè)置預(yù)警元件，使得元器件與故障電子部件具有相同的失效原理和工作環(huán)境，并且加大其工作應(yīng)力加速失效過(guò)程，達(dá)到提前失效發(fā)出預(yù)警的目的。

設(shè)備故障主要表現(xiàn)為電氣器件失效，會(huì)隨著時(shí)間的推移而增大概率[9] ，是一個(gè)近似浴盆曲線狀態(tài)，所以器件失效率是主導(dǎo)、決定因素。

嵌入各種傳感器、設(shè)置預(yù)警元件就是為了感知器件周?chē)淖兓灿兄诙ㄎ黄涫г?將故障樹(shù)植入單片機(jī)中直觀、近距離的觀測(cè)、指導(dǎo)，等同于將 BIT 下沉，使電子裝備在底層實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置測(cè)試、狀態(tài)檢測(cè)、分析預(yù)警等功能;再開(kāi)辟獨(dú)立自主的健康存儲(chǔ)區(qū)域，搭建底層專(zhuān)家?guī)臁⒔?jīng)驗(yàn)值、矢量令等故障診斷指導(dǎo)，從而做到對(duì)整體設(shè)備的全面掌控。

5? 結(jié)束語(yǔ)

在電子裝備設(shè)計(jì)之初就將健康管理系統(tǒng)深度嵌入融合，能夠有效提升其應(yīng)用的安全性、穩(wěn)定性，降低裝備故障率、增強(qiáng)維修時(shí)效性，有助于指導(dǎo)日后工作。

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作者簡(jiǎn)介：

李亞楠（1987—） ，碩士，工程師，研究方向：電氣工程與自動(dòng)化。

陳露薇（1987—） ，碩士，工程師，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。