第1章 故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)概述

1.1 故障診斷、預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展歷史和演變

故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM），顧名思義，包含兩層含義：一是故障預(yù)測(cè)，即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，確定部件正常工作的時(shí)間長(zhǎng)度；二是健康管理，即根據(jù)診斷/預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策的能力。

健康管理的基本思想起源于健康監(jiān)測(cè)，最早應(yīng)用在20世紀(jì)70年代中期美國(guó)A-7E飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)中。從飛行器綜合健康管理（Integrated Vehicle Health Management，IVHM）[1]、綜合系統(tǒng)健康管理（Intergrated System Health Management，ISHM）[1]、故障預(yù)測(cè)與健康管理的出現(xiàn)，到飛機(jī)健康管理（Airplane Health Management，AHM）和飛機(jī)狀態(tài)分析與管理系統(tǒng)（Aircraft Condition Analysis and Management System，ACAMS）等理論與系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，復(fù)雜系統(tǒng)的健康管理技術(shù)不斷發(fā)展，近年來(lái)其功能已經(jīng)從風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)防，發(fā)展到精確風(fēng)險(xiǎn)控制、風(fēng)險(xiǎn)決策和集成優(yōu)化的高度。例如，美國(guó)國(guó)防部提出的增強(qiáng)視情維修（CBM+）、歐洲 12 個(gè)國(guó)家完成的新維修概念的技術(shù)與技能（Technologies and Techniques for New Maintenance Concepts，TATEM）等，這些都對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)健康管理中的可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。

PHM 技術(shù)的演變過(guò)程是人們認(rèn)識(shí)和利用自然規(guī)律過(guò)程的一個(gè)典型反映，即從對(duì)故障和異常事件的被動(dòng)反應(yīng)到主動(dòng)預(yù)防，再到事先預(yù)測(cè)和綜合規(guī)劃管理。

在20世紀(jì)50年代和60年代，航空航天領(lǐng)域極端的環(huán)境和使用條件驅(qū)動(dòng)了最初的可靠性理論、環(huán)境試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)及質(zhì)量方法的誕生。隨著宇航系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，由設(shè)計(jì)不充分、制造誤差、維修差錯(cuò)和非計(jì)劃事件等各種原因?qū)е碌墓收细怕室苍谠黾樱仁谷藗冊(cè)?0世紀(jì)70年代創(chuàng)造出新的方法來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，預(yù)防異常屬性，從而導(dǎo)致機(jī)上關(guān)鍵故障響應(yīng)方法的出現(xiàn)，如故障保護(hù)和冗余管理。隨后出現(xiàn)了診斷故障源和故障原因的技術(shù)，并最終帶來(lái)了故障預(yù)測(cè)方法的誕生。流行于20世紀(jì)80年代后期和90年代早期的全面質(zhì)量管理（TQC）是一種基于過(guò)程的質(zhì)量與可靠性保證方法，同時(shí)，軟件工程師也創(chuàng)造了更為復(fù)雜的軟件測(cè)試技術(shù)來(lái)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)缺陷。20世紀(jì)90年代初期，“飛行器健康監(jiān)控（VHM）”一詞在NASA研究機(jī)構(gòu)內(nèi)部盛行，它是指適當(dāng)?shù)剡x擇和使用傳感器和軟件來(lái)監(jiān)測(cè)太空交通工具的“健康狀態(tài)”。工程師們不久發(fā)現(xiàn)，VHM 這個(gè)術(shù)語(yǔ)存在兩方面不足。首先，僅僅監(jiān)控是不夠的，真正的問(wèn)題是根據(jù)所監(jiān)控的參數(shù)采取什么措施。“管理”一詞不久就代替了“監(jiān)控”來(lái)指這一更活躍的實(shí)踐。其次，考慮到飛行器僅僅是復(fù)雜的人-機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)方面，“系統(tǒng)”一詞很快代替了“飛行器”，因此，到20世紀(jì)90年代中期，“系統(tǒng)健康管理”成為涉及該主題的最通用的詞語(yǔ)。美國(guó)國(guó)防部在同一時(shí)期產(chǎn)生了一套涉及類似主題的過(guò)程，但冠以“綜合診斷”的名稱。綜合診斷通常定義為通過(guò)考慮和綜合測(cè)試性、自動(dòng)和人工測(cè)試、維修輔助手段、技術(shù)信息、人員和培訓(xùn)等構(gòu)成診斷能力的所有要素，使裝備診斷能力達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和管理的過(guò)程。其目的是以最少的費(fèi)用最有效地檢測(cè)、隔離武器裝備內(nèi)已知的或預(yù)期發(fā)生的所有故障，以滿足裝備任務(wù)要求。綜合診斷從20世紀(jì)80年代后期至90年代在美國(guó)國(guó)防部和三軍中盛行，并在美軍新一代武器裝備，如F-22戰(zhàn)斗機(jī)、F-35（JSF）、M1A2主戰(zhàn)坦克和SSN-21攻擊核潛艇研制中得到采用。此后不久，NASA 引入了類似的術(shù)語(yǔ)，即 ISHM。在 NASA 術(shù)語(yǔ)中使用“綜合（Intergrated）”一詞的動(dòng)機(jī)在于：解決將“系統(tǒng)級(jí)”與各個(gè)不同分系統(tǒng)分割開(kāi)來(lái)的問(wèn)題。以往各個(gè)分系統(tǒng)都是在其各自學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)處理各自的故障問(wèn)題，沒(méi)有從系統(tǒng)的角度加以全面、綜合的考慮。通過(guò)強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的角度考慮問(wèn)題，有助于將 ISHM 限定為一種新的系統(tǒng)問(wèn)題，代替過(guò)去將注意力放在分系統(tǒng)上。

20世紀(jì)90年代末，隨著美軍重大項(xiàng)目F-35聯(lián)合攻擊機(jī)（JSF）項(xiàng)目的啟動(dòng)，為PHM 技術(shù)的快速發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)。PHM 是JSF項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)承受性、保障性和生存性目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵所在。JSF 的 PHM 系統(tǒng)是對(duì)當(dāng)前飛機(jī)上使用的機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）和狀態(tài)監(jiān)控的發(fā)展。這種發(fā)展的主要技術(shù)要素是從狀態(tài)（健康）監(jiān)控向狀態(tài)（健康）管理的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變引入了故障預(yù)測(cè)能力，借助這種能力從整個(gè)系統(tǒng)（平臺(tái)）的角度來(lái)識(shí)別和管理故障的發(fā)生。其目的是減少維修人力，增加出動(dòng)架次率，實(shí)現(xiàn)自主式保障。美國(guó)國(guó)防部和 NASA 在 PHM/ISHM 相關(guān)技術(shù)方面的演變過(guò)程見(jiàn)表1-1[24]。

表1-1 PHM/ISHM技術(shù)演變過(guò)程