第1章 故障預測與健康管理技術概述

1.1 故障診斷、預測與健康管理技術的發展歷史和演變

故障預測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM），顧名思義，包含兩層含義：一是故障預測，即預先診斷部件或系統完成其功能的狀態，確定部件正常工作的時間長度；二是健康管理，即根據診斷/預測信息、可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策的能力。

健康管理的基本思想起源于健康監測，最早應用在20世紀70年代中期美國A-7E飛機的發動機監測中。從飛行器綜合健康管理（Integrated Vehicle Health Management，IVHM）[1]、綜合系統健康管理（Intergrated System Health Management，ISHM）[1]、故障預測與健康管理的出現，到飛機健康管理（Airplane Health Management，AHM）和飛機狀態分析與管理系統（Aircraft Condition Analysis and Management System，ACAMS）等理論與系統技術的出現和應用，復雜系統的健康管理技術不斷發展，近年來其功能已經從風險監測和故障預防，發展到精確風險控制、風險決策和集成優化的高度。例如，美國國防部提出的增強視情維修（CBM+）、歐洲 12 個國家完成的新維修概念的技術與技能（Technologies and Techniques for New Maintenance Concepts，TATEM）等，這些都對復雜系統健康管理中的可靠性評估和壽命預測技術提出了更高的要求。

PHM 技術的演變過程是人們認識和利用自然規律過程的一個典型反映，即從對故障和異常事件的被動反應到主動預防，再到事先預測和綜合規劃管理。

在20世紀50年代和60年代，航空航天領域極端的環境和使用條件驅動了最初的可靠性理論、環境試驗、系統試驗及質量方法的誕生。隨著宇航系統復雜性的增加，由設計不充分、制造誤差、維修差錯和非計劃事件等各種原因導致的故障概率也在增加，迫使人們在20世紀70年代創造出新的方法來監視系統狀態，預防異常屬性，從而導致機上關鍵故障響應方法的出現，如故障保護和冗余管理。隨后出現了診斷故障源和故障原因的技術，并最終帶來了故障預測方法的誕生。流行于20世紀80年代后期和90年代早期的全面質量管理（TQC）是一種基于過程的質量與可靠性保證方法，同時，軟件工程師也創造了更為復雜的軟件測試技術來檢測軟件設計缺陷。20世紀90年代初期，“飛行器健康監控（VHM）”一詞在NASA研究機構內部盛行，它是指適當地選擇和使用傳感器和軟件來監測太空交通工具的“健康狀態”。工程師們不久發現，VHM 這個術語存在兩方面不足。首先，僅僅監控是不夠的，真正的問題是根據所監控的參數采取什么措施。“管理”一詞不久就代替了“監控”來指這一更活躍的實踐。其次，考慮到飛行器僅僅是復雜的人-機系統的一個方面，“系統”一詞很快代替了“飛行器”，因此，到20世紀90年代中期，“系統健康管理”成為涉及該主題的最通用的詞語。美國國防部在同一時期產生了一套涉及類似主題的過程，但冠以“綜合診斷”的名稱。綜合診斷通常定義為通過考慮和綜合測試性、自動和人工測試、維修輔助手段、技術信息、人員和培訓等構成診斷能力的所有要素，使裝備診斷能力達到最佳的結構化設計和管理的過程。其目的是以最少的費用最有效地檢測、隔離武器裝備內已知的或預期發生的所有故障，以滿足裝備任務要求。綜合診斷從20世紀80年代后期至90年代在美國國防部和三軍中盛行，并在美軍新一代武器裝備，如F-22戰斗機、F-35（JSF）、M1A2主戰坦克和SSN-21攻擊核潛艇研制中得到采用。此后不久，NASA 引入了類似的術語，即 ISHM。在 NASA 術語中使用“綜合（Intergrated）”一詞的動機在于：解決將“系統級”與各個不同分系統分割開來的問題。以往各個分系統都是在其各自學科領域內處理各自的故障問題，沒有從系統的角度加以全面、綜合的考慮。通過強調從系統的角度考慮問題，有助于將 ISHM 限定為一種新的系統問題，代替過去將注意力放在分系統上。

20世紀90年代末，隨著美軍重大項目F-35聯合攻擊機（JSF）項目的啟動，為PHM 技術的快速發展帶來了契機。PHM 是JSF項目實現經濟承受性、保障性和生存性目標的一個關鍵所在。JSF 的 PHM 系統是對當前飛機上使用的機內測試（BIT）和狀態監控的發展。這種發展的主要技術要素是從狀態（健康）監控向狀態（健康）管理的轉變。這種轉變引入了故障預測能力，借助這種能力從整個系統（平臺）的角度來識別和管理故障的發生。其目的是減少維修人力，增加出動架次率，實現自主式保障。美國國防部和 NASA 在 PHM/ISHM 相關技術方面的演變過程見表1-1[24]。

表1-1 PHM/ISHM技術演變過程