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智能化(PHM)故障預測與健康管理系統前景[轉載]

2018-07-26 01:58:10      點擊:

故障預測與健康管理(PHM)系統技術作為實現資產和裝備基于狀態的維修(CBM)、自主式保障、感知與響應后勤等新思想、新方案的關鍵技術,受到美英等軍事強國的高度重視和推廣應用。PHM系統正在成為新一代的飛機、艦船和車輛等系統設計和使用中的一個重要組成部分。它包括兩層含義,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


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  故障預測與健康管理(PHM)技術作為實現武器裝備基于狀態的維修(CBM)、自主式保障、感知與響應后勤等新思想、新方案的關鍵技術,受到美英等軍事強國的高度重視和推廣應用。PHM系統正在成為新一代的飛機、艦船和車輛等系統設計和使用中的一個重要組成部分。它包括兩層含義,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。實際上,PHM技術現已廣泛應用于機械結構產品中,比如核電站設備、制動裝置、發動機、傳動裝置等。而將PHM技術應用于電子產品則是近年來國外科技研發的重要發展趨勢之一。目前國外對電子產品PHM技術的研發主要集中于軍用電子產品,重點包括兩部分內容:一是產品壽命周期原位監測中的傳感系統與傳感技術,二是殘余壽命預測的故障診斷模型與算法。前者集中于開發無線微型傳感器,以取代尺寸較大且需要有線傳輸數據的傳統傳感器。后者致力于探索各種不同類型的診斷模型與算法,為軍用電子產品故障預測能力提供理論基礎。
  國外參與PHM相關技術研發的單位非常廣泛,如美國國防部和三軍的有關機構;NASA;波音、洛克希德·馬丁、格魯門、ARINC、霍尼韋爾、羅克韋爾、雷神、通用電氣、普惠、BAE系統公司、史密斯航宇公司、古德里奇公司和泰瑞達公司等跨國公司;康涅狄格大學、田納西大學、華盛頓大學、加州工學院、麻省理工學院、佐治亞理工學院、斯坦福大學、馬里蘭大學等院校;智能自動化公司、Impact技術公司、質量技術系統公司(QSI)、Giordano自動化公司等軟件公司;荷蘭PHM聯盟(DPC)、Sandia國家實驗室(SNL)、美國國防工業協會(NDIA)系統工程委員會、美"聯合大學綜合診斷研究中心"、美測試與診斷聯盟(TDC)等協會和聯盟。其中,研發電子產品PHM技術的單位首推馬里蘭CALCE電子產品和系統中心,其水平處于地位。目前國外采用的電子產品故障預測方法可以歸納為以下三類。
  1、通過監測失效征兆來預測故障
  2、通過設置預警電路(Canary Devices)來預測故障
  3、通過建立累積損傷模型來預測故障


  除上述三種方法外,國外研發機構也在努力探索使用新方法。比如,史密斯航宇集團在飛機和直升機子系統中綜合利用奇異值分解、主成分分析和神經網絡進行非線性多元分析和異常狀況檢測;美國國家航空航天局在航天飛機中使用故障檢測算法(包括高斯混合模型、隱馬爾可夫模型、卡爾曼濾波、虛擬傳感器等)來檢測產品異常狀態;范德比爾特大學在航宇產品中使用前饋信號(泰勒級數展開)來預測故障。


  雖然國外研發機構對軍用電子產品PHM技術表現出濃厚興趣,而且發展迅速,但就目前來看,電子產品PHM技術還遠未成熟,少在以下方面面臨巨大挑戰。


  1、殘余使用壽命預測中的不確定性
  2、間歇失效的預測
  3、 電子產品壽命周期數據的原位監測 
  4、對PHM技術投資回報率的評估
  5、確定系統性能的門限值
  6、建立電子產品的基于物理的損傷模型
  7、PHM技術與傳統電子產品的集成


  在電子產品中實施PHM技術的其中一個挑戰是將該技術集成到傳統電子產品中。傳統的電子產品,盡管經常表現為競爭力差而且與現代產品的兼容性差,但由于其替代產品沒有研發出來,所以仍在使用。在傳統的電子產品中,比如老齡飛機的航電系統,失效模式與失效機理往往不清楚。另外,缺乏傳統系統的應用專家,致使PHM算法中的故障預測建模不成熟和不充分。


  將PHM技術集成到傳統系統中的另外一個挑戰是,難于用兼容方式綜合各種技術。PHM系統包括傳感器、電子設備、計算機和軟件,大部分是商業貨架產品(COTS)。這些商業貨架產品常常對操作環境、輸入參數和使用條件具有特殊要求。一個PHM系統在綜合到電子產品中時,需要首先克服與它自己子系統的集成障礙。


  美國國防工業協會(NDIA)2006年4月13日公布了NDIA電子產品預測技術工作組終報告草案。該報告針對電子產品PHM技術研發現狀與問題確定了四個領域的開發需求。這四項需求分別是:1)工具-預測系統設計工具、技術評價工具、實施的經濟性分析工具以及維修過程集成工具等。2)電子預測技術-工作環境傳感器、器件操作體制傳感器、軟件預測等。3)模型-失效物理、設計驗證、維修過程評價、環境影響、電子預測對軟件系統級功能性能的影響等。4)硬件-用于工作環境和事件的檢測與記錄的硬件,以解決有用壽命的損失測量。PC板電子預測信號感應、電纜和互聯故障檢測用的納米傳感器。


  終報告草案后給出了電子產品預測技術實施路線圖計劃,即從上述具體系統開發需求出發,在四個基本領域(工具、預測技術、模型和硬件)實施大量廣泛的科研項目。這些電子預測開發項目時間范圍從2年到5年不等,研發內容從基本的科學技術工作到終的驗證與確認。項目每個階段預期持續18-24個月。準備進行驗證與確認的技術取該時間范圍的下限,而處于科技開發水平的技術取該時間范圍的上限。該任務路線圖分階段實施,以適應項目的互相關性。伴隨著電子預測部署能力的驗證與確認和螺旋式開發,該路線圖計劃準備用8年左右時間完成。


  在軍用電子產品領域應用PHM技術已成為國外科技研發管理軟件系統的重要發展趨勢。國外工業部門與國防部門對該技術的研發主要應用于飛機/直升機、武器系統、發動機和計算機系統。國外大學和研究機構對PHM技術的研發主要集中于對電子產品正常性能偏離的檢測上。目前PHM技術研發的大障礙是對于殘余壽命周期預測的不確定性的評估,以及對電子產品間歇失效的檢測。因此,國外專家建議研發機構將資金投入移向這些領域,以便盡快使PHM技術進入實用階段。------[轉自網絡]