飛行器健康管理技術(shù)研究現(xiàn)狀

版本：V1?0密級：內(nèi)部飛行器健康管理技術(shù)研究現(xiàn)狀調(diào)研報告研究生：錢朋朋

空間自動化技術(shù)研究中心

中國科學院沈陽自動化研究所2010-12-17目錄TOC\o"1-5"\h\z一、綜合飛行器健康管理技術(shù)4技術(shù)背景與發(fā)展現(xiàn)狀41.2IVHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能51.3IVHM技術(shù)研究的難點和關(guān)鍵技術(shù)9二、故障預(yù)測與健康管理技術(shù)11PHM技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀11PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及關(guān)鍵技術(shù)13三、國內(nèi)外主要研究單位15國外主要研究單位15國內(nèi)主要研究單位16四、其他16有關(guān)學術(shù)組織簡介16有關(guān)學術(shù)會議簡介177有關(guān)學術(shù)期刊199有關(guān)學術(shù)論壇199五、結(jié)語199第第#頁共23頁摘要健康管理技術(shù)是繼故障診斷技術(shù)之后的又一項重要技術(shù)，是先進傳感技術(shù)、通信技術(shù)同人工智能技術(shù)的高度綜合，以故障檢測、隔離和重構(gòu)為基礎(chǔ)，注入了當前先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和推理技術(shù)。在國民經(jīng)濟的不同行業(yè)中，尤其在航空、航天等高新技術(shù)領(lǐng)域，有著舉足輕重的作用。飛行器健康管理技術(shù)的主要功能是了解、修復(fù)飛行器及其元部件故障。近些年來，在飛機、無人機、航天器等飛行器中得到了廣泛應(yīng)用。健康管理技術(shù)的兩種典型代表是NASA、波音、霍尼韋爾等研究單位提出的綜合飛行器健康管理技術(shù)(IntegratedVehicleHealthManagement，IVHM)和洛克希德?馬丁公司在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(JointStrikerFighter,JSF)項目中提出的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)(PrognosticsandHealthManagement，PHM)，其中綜合飛行器健康管理技術(shù)(IVHM)是在故障預(yù)測與健康管理技術(shù)(PHM)的基礎(chǔ)上，加上地面的聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)(JointDistributeInformationSystem，JDIS)而形成的。PHM和IVHM各有優(yōu)缺點，由此，近些年，我國有學者設(shè)計出了綜合飛行器故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)(IntegratedVehiclePrognosticsandHealthManagementSystem，IVPHMS)，該系統(tǒng)綜合利用了IVHM和PHM系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢，理論上應(yīng)具有更加完善的功能。本文通過對IVHM、PHM相關(guān)文獻的整理，對基本概念進行了歸納和總結(jié)，力求對IVHM、PHM技術(shù)的發(fā)展進行全面的了解，理清IVHM、PHM的發(fā)展歷程及關(guān)鍵技術(shù)，并對國內(nèi)外現(xiàn)有的主要研究單位及學術(shù)組織進行了歸納和概括，以使讀者對健康管理技術(shù)有更加詳盡的了解，為我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究工作提供有力的幫助。關(guān)鍵詞：健康管理技術(shù)；綜合飛行器健康管理技術(shù)；故障預(yù)測與健康管理技術(shù)；綜合飛行器故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)一、綜合飛行器健康管理技術(shù)技術(shù)背景與發(fā)展現(xiàn)狀隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，飛行器的安全性與可靠性，以及飛行器后勤保障體系的高效和經(jīng)濟性等越來越成為發(fā)展航空航天技術(shù)無法回避的問題。美國聯(lián)邦航卒局(FAA)和國家運輸安全委員會(NTSB)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，過去17年來全世界飛行事故有24％是由飛行器子系統(tǒng)和部件的故障引起，26％是由飛行失控引起，而很大一部分飛行失控是由硬件和系統(tǒng)的故障引起的［1，2］。此外，航空航天工業(yè)也面臨著巨大的經(jīng)濟壓力，航空公司每年在飛行器后勤保障上花費310億美元，平均每一個小時的飛行時間要有12個小時的后勤保障時間。為提高飛行器的可靠性與安全性，降低成本，美國國家航空航天局(NASA)提出了飛行安全計劃飛行器綜合健康管理(IntegratedVehicleHealthManagement，IVHM)技術(shù)。IVHM技術(shù)將飛行器各個子系統(tǒng)的故障監(jiān)測、故障診斷、影響評估、故障預(yù)測等，及其相應(yīng)的處理措施和后勤保障的安排等綜合為一個對飛行器健康狀況的綜合管理系統(tǒng)［3，4］，從提出至今經(jīng)歷了一個漫長的從概念到具體實現(xiàn)的發(fā)展過程，目前尚未出現(xiàn)一個具備完整健康管理功能的IVHM系統(tǒng)，但IVHM技術(shù)在飛行器安全性、可靠性、經(jīng)濟性等方面的突出作用，受到航空航天工業(yè)科研與生產(chǎn)單位的廣泛認同，成為航空航天工業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢［1-2，5-9］。IVHM系統(tǒng)的工作原理是：將飛行器的健康狀態(tài)從前端傳感器的信號到后端地面后勤保障的決策執(zhí)行的整個過程集成為一個綜合系統(tǒng)來統(tǒng)一管理，實現(xiàn)故障檢測、診斷和預(yù)測以及決策支持的自動化與智能化。IVHM經(jīng)歷了多年的發(fā)展，名稱以及特點等都發(fā)生了很大變化，目前不同組織仍然使用不同名稱，健康管理相關(guān)的名稱大致經(jīng)歷了如下的發(fā)展過程［6，9，10］：FDIR(faultdetection,isolationandrecovery)：故障診斷、隔離與重構(gòu)；Autonomy:功能自治；做成圖示的形式最好有時間VHM(vehiclehealthmonitoring):飛行器健康監(jiān)測；SHM(systemhealthmanagement):系統(tǒng)健康管理(首次嘗試將安全性、可靠性、故障管理、可測試性和成本效益分析集成到一個共同的系統(tǒng)框架中)；VHM(vehiclehealthmanagement):飛行器健康管理；1998(6)IVHM(integratedvehiclehealthmanagement):飛行器綜合健康管理。IVHM技術(shù)是NASA近些年(具體哪一年)在其可重復(fù)使用空間飛行器(reusablelaunchvehicle,RLV)中正式提出的［2,6,11-12］，其前身為1998年NASA在X-33RLV項目中提出的VHM技術(shù)［12］°IVHM系統(tǒng)通過在飛行器系統(tǒng)中集成和應(yīng)用先進的軟件、傳感器、智能診斷、數(shù)字通信、系統(tǒng)集成等技術(shù),來實現(xiàn)對飛行器系統(tǒng)智能的、系統(tǒng)級的健康評估和控制、信息和決策管理,幫助操作人員完成飛行任務(wù),減小風險和危害。伴隨著IVHM的發(fā)展，也出現(xiàn)了許多用于VHM的診斷推理工具(都有哪些做成表或圖),如:Ames研究中心開發(fā)的Livingstone診斷推理工具,已成功應(yīng)用于DS-1、X-34、X-37等項目中；JPL(JetPropulsionLaboratory)開發(fā)的推理工具SHINE和診斷工具BEAM，成功用在X-33等中；此外還有基于模型的推理機TEAMS成功用在K-1等中［6,13］、基于模型的軟件工具FACT［11,14］等。新型的傳感器［5］、先進的診斷推理算法和系統(tǒng)集成方法等的應(yīng)用也成為IVHM技術(shù)發(fā)展的重要成果。綜上所述，IVHM技術(shù)已經(jīng)得到一定的發(fā)展，但還不完善，尚處于原理、部分功能和概念的驗證階段，目前還沒有具備完整IVHM功能的系統(tǒng)。1.2IVHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能IVHM系統(tǒng)的功能分層對應(yīng)健康管理行為的需要，按數(shù)據(jù)、信息、知識、決策的管理過程和信息傳遞過程，可將綜合飛行器健康管理系統(tǒng)分成6個信息層，分別為信號處理層、狀態(tài)監(jiān)控層、健康評估層、預(yù)測層、決策支持層以及人機交互層。該結(jié)構(gòu)支持平臺上和地面的組成部分，并包括與所有支持系統(tǒng)(例如維護和后勤)、子系統(tǒng)／飛行器控制以及任務(wù)／運行管理的交互界面［15］。(1)信號處理層該層獲取并處理來自傳感器與控制系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，既包括專用的功能狀態(tài)、正常與否的指示，也包括依照設(shè)定的特征空間提取數(shù)據(jù)的內(nèi)容特征。通常的提取算法包括快速傅里葉變換、小波、濾波器或統(tǒng)計(平均，標準偏差)等。(2)狀態(tài)監(jiān)控層該層對子系統(tǒng)、部件的行為以及材料的狀況進行測試和報告，此外也對運行環(huán)境進行檢測和報告。狀態(tài)監(jiān)控層的關(guān)鍵輸入包括“信號處理層”處理過的信號以及來自“健康評估層”的控制輸入和報告準則，其中報告準則用于控制報告的時間和閾值大小，而輸出則為對檢測部分、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的狀況報告信息。(3)健康評估層該層的功能是持續(xù)融合來自狀態(tài)監(jiān)控層以及其他健康評估部分的多個信息源的數(shù)據(jù)，診斷并報告檢測部分和子系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并據(jù)此進行故障隔離、完成余度管理、實時綜合資源管理和優(yōu)化以及重組／重構(gòu)。特殊功能包括間歇狀況的分析、特殊數(shù)據(jù)的收集、事件的相關(guān)性分析以及未知故障和事件的報告等。健康評估的節(jié)點應(yīng)能面向測試或健康評估策略實現(xiàn)診斷，以及命令控制系統(tǒng)動作以處理未知故障或斷續(xù)發(fā)生的事件?？刂苿幼靼▽顩r監(jiān)視器或健康評估節(jié)點報告的控制，以及對數(shù)據(jù)收集和任務(wù)優(yōu)先級的控制。此外健康評估節(jié)點也可將資源管理能力包括在內(nèi)，以充分利用數(shù)據(jù)存儲、處理和通訊的資源。(4)預(yù)測層該層的功能是對部件和子系統(tǒng)在使用工作包線和工作應(yīng)力下的剩余使用壽命進行估計。使用工作包線和工作應(yīng)力可參照預(yù)先設(shè)定的強度或直接對運行強度進行估計得出。(5)決策支持層該層包含操作和支持系統(tǒng)，例如任務(wù)／操作性能評估和規(guī)劃、維修推理機以及維修資源管理。該層為維修資源管理和其他監(jiān)視綜合健康管理系統(tǒng)的性能和有效性的處理過程提供支撐。(6)人機交互層該層應(yīng)具備與其他所有層通訊的能力，并可通過便攜式維修設(shè)備、維修管理和操作管理實現(xiàn)綜合健康管理系統(tǒng)與維修人員的人機交互界面功能。以上6層結(jié)構(gòu)中，信號獲取和處理、狀態(tài)監(jiān)控、健康評估等3層位于飛行器平臺上，是健康管理、任務(wù)載荷管理的主要內(nèi)容。3層的功能可直接借助飛行器子系統(tǒng)中的傳感器、處理器以及分布式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和計算單元來具體實現(xiàn)。預(yù)測、決策支持和人機交互等3層功能需要更強的計算處理資源，以及更加廣泛、

完整、全局性的數(shù)據(jù)資料和歷史性檔案，主要由地面的相應(yīng)健康管理子系統(tǒng)／設(shè)備來實現(xiàn)。綜合健康管理系統(tǒng)的組成IVHM綜合健康管理系統(tǒng)由地面和機載兩部分組成［3］，典型系統(tǒng)框圖如下所示：可能的維修和決策1)機載IVHM系統(tǒng)可能的維修和決策機載IVHM功能包括診斷、故障報告、機械恢復(fù)管理、支持等，主要由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和航電系統(tǒng)等幾個相對獨立的子系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)按各自特點具有相對獨立的健康管理系統(tǒng)，在子系統(tǒng)級別上健康管理的概念與傳統(tǒng)的FDIR差別不大［2，3］。各個子系統(tǒng)的健康管理遵循傳統(tǒng)的FDIR從傳感器信號到最終決策的過程。這些獨立的子系統(tǒng)健康管理的綜合共同構(gòu)成了飛行器綜合健康管理系統(tǒng)。此外，機載IVHM的子系統(tǒng)、附件還包括液壓、電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、燃油和潤滑系統(tǒng)等。IVHM對這些子系統(tǒng)的管理過程不是簡單的相加，而是對這些子系統(tǒng)進行管理、協(xié)調(diào)，對子系統(tǒng)功能的進一步挖掘和升級，根據(jù)各個子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)，對各個子系統(tǒng)的健康管理信息進行融合管理，獲得由單一子系統(tǒng)不能獲得的飛行器整體健康信息，實現(xiàn)有關(guān)飛行器整體的綜合健康管理。2）地面IGHM系統(tǒng)地面綜合管理系統(tǒng)包括地面操作系統(tǒng)和地面維護系統(tǒng)兩部分。其中：地面操作系統(tǒng)對下載到地面的飛行器飛行數(shù)據(jù)進行進一步的實時診斷，根據(jù)故障歷史信息作出預(yù)測，指導(dǎo)和幫助飛行員完成指定任務(wù)，并將故障維護信息發(fā)送給后勤保障系統(tǒng)。地面操作系統(tǒng)也進行數(shù)據(jù)的事后診斷，并將診斷數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。地面維護系統(tǒng)確定需要進行的維護工作，優(yōu)化和組織人員，維護資源配置，記錄維護數(shù)據(jù)，測試和驗證維修結(jié)果。IVHM系統(tǒng)的框架IVHM是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋了整個飛行器的任務(wù)執(zhí)行過程，作為一個整體，它的系統(tǒng)設(shè)計、分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能劃分，以及信息管理、數(shù)據(jù)流程通訊等，是診斷、預(yù)測、決策執(zhí)行等功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)［2,16-18］。有關(guān)IVHM系統(tǒng)框架方面的研究，一直都是IVHM發(fā)展的重點之一?，F(xiàn)有技術(shù)是在以往故障診斷和任務(wù)管理等系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行升級和補充，增加故障診斷的對象，提高了故障診斷的效率。如何整合這些系統(tǒng)功能以及優(yōu)化組合功能配置，使健康管理系統(tǒng)功能更加完善成為首要解決的問題。文獻［17］中設(shè)計了一種IVHM框架，將飛行器主要的11個機載功能分配到不同的IVHM功能模塊中，實現(xiàn)完整的飛行器管理，不僅增強了飛行器的安全性和任務(wù)的成功率，而且使飛行器操作更有效率。文獻［19］提出了一種基于三個推理機的可擴展的診斷推理基本結(jié)構(gòu)，包括一個異常［20］推理機、一個診斷推理機、一個預(yù)測推理機。預(yù)測推理機根據(jù)飛行器各個系統(tǒng)各種特定的預(yù)測算法結(jié)果，指出最有可能的故障模式，系統(tǒng)使用集成的模型預(yù)測可能的故障對飛行器整個系統(tǒng)的影響，比較異常和診斷推理機的輸出，判斷三種算法結(jié)果是否一致，來執(zhí)行相應(yīng)的操作，這種三推理機的基本結(jié)構(gòu)（見圖2）可以用于各個部件、子系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間各等級的健康管理中，具有可擴展性。圖2三推理機的IVHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖［19］1.3IVHM技術(shù)研究的難點和關(guān)鍵技術(shù)IVHM技術(shù)研究的難點和關(guān)鍵技術(shù)包括以下方面［1］：（1）系統(tǒng)集成IVHM是由多個分系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，各個分系統(tǒng)的功能劃分、成本效益分析、各分系統(tǒng)之間的相互協(xié)作機制、數(shù)據(jù)流程、數(shù)據(jù)通訊的標準、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)庫等都是關(guān)系到整個IVHM系統(tǒng)完整、高效、經(jīng)濟的重要組成部分。目前系統(tǒng)的集成主要是在現(xiàn)有系統(tǒng)上的功能添加，各個技術(shù)環(huán)節(jié)沒有形成統(tǒng)一的標準和定義，系統(tǒng)的集成度和自動化水平不高。迫切需要建立一個IVHM系統(tǒng)集成的標準，包括對系統(tǒng)各部分功能的完整定義；新型高效的協(xié)作機制；高效的任務(wù)調(diào)度機制；高教、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通訊標準；功能強大、安全可靠的數(shù)據(jù)庫等。（2）傳感器的選擇和優(yōu)化布置傳感器系統(tǒng)是IVHM的信息源，飛行器的特性要求所選擇的傳感器應(yīng)具備輕質(zhì)、小體積、抗毀、抗干擾、工作溫度范圍大、低功耗、高性能、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，要求傳感器布置在最能反應(yīng)飛行器相應(yīng)參數(shù)變化的點上，準確及時地反應(yīng)飛行器的參數(shù)變化，通過優(yōu)化布置提高傳感器系統(tǒng)效能，降低傳感器成本。一些新型的傳感器如：微／納米傳感器、光纖傳感器、無線傳感器和采用數(shù)字信號通訊的智能傳感器[5，21，22-23]等，具有良好的應(yīng)用前景。目前急需提高這些新型傳感器的技術(shù)成熟度、研究開發(fā)新的應(yīng)用方法、高效健壯的組網(wǎng)方式、傳感器容錯技術(shù)，研制更多新型、高效的傳感器，研究傳感器優(yōu)化布置的評價體系方法，滿足在IVHM系統(tǒng)中的實際需要。（3）診斷與預(yù)測技術(shù)故障診斷與預(yù)測是健康管理的核心技術(shù)，目前有關(guān)健康管理的研究工作大部分集中在部件、子系統(tǒng)等的故障診斷和預(yù)測技術(shù)上，形成了一些比較成熟的診斷和預(yù)測技術(shù)（如基于模型、基于規(guī)則、基于數(shù)據(jù)等診斷和預(yù)測方法），但還存在故障診斷不夠全面、故障發(fā)生發(fā)展和傳播的機理不明確、虛警率高、系統(tǒng)級故障關(guān)聯(lián)不明確、預(yù)測準確性低、壽命周期成本利用率低等問題。在現(xiàn)有的技術(shù)水平上，需要加深對故障的理解和認識，建立準確的有關(guān)故障發(fā)生發(fā)展和傳播的數(shù)學模型，建立一種診斷和預(yù)測的架構(gòu)，選擇和集成恰當?shù)脑\斷和預(yù)測方法，各取所長，提高信息的利用率，實現(xiàn)對故障多角度、多參數(shù)的診斷和預(yù)測，完善和提高診斷和預(yù)測的水平。（4）數(shù)據(jù)融合技術(shù)數(shù)據(jù)融合是對多個信息的綜合與提煉，得出更深層、更準確、更可靠的結(jié)論。IVHM系統(tǒng)從信號提取、故障檢測、診斷和預(yù)測、狀態(tài)評估、決策支持等各個階段都需要廣泛使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，數(shù)據(jù)融合在傳感器級、特征級、決策級等多個等級上進行，實現(xiàn)對對象的多層次、多角度、多參數(shù)的檢測和診斷以及預(yù)測，決策命令的綜合智能化，可采用：貝葉斯推論、D-S判據(jù)理論、加權(quán)融合、模糊邏輯推論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合等[4]多種融合算法。在健康管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)融合對象選擇不合理或算法參數(shù)選擇不合理，容易導(dǎo)致融合后診斷精度下降、故障被掩蓋、出現(xiàn)虛警等問題。在實際應(yīng)用中需深入理解數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)，根據(jù)需要權(quán)衡融合級別，選擇恰當?shù)娜诤纤惴ê蛥?shù),開發(fā)一種適合IVHM的融合體系架構(gòu)，與IVHM的系統(tǒng)集成架構(gòu)協(xié)同一致。（5）決策支持技術(shù)決策支持技術(shù)是面對半結(jié)構(gòu)化的決策問題，支持決策活動的具有智能作用的信息系統(tǒng)。決策支持技術(shù)是健康管理系統(tǒng)區(qū)別于以往健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要方面，是健康管理系統(tǒng)最上層的管理和信息系統(tǒng)，是實現(xiàn)任務(wù)決策自動化、智能化的關(guān)鍵。健康管理系統(tǒng)要求決策支持技術(shù)能夠分析和識別有關(guān)健康問題；形成候選的決策方案（目標、規(guī)則、方法和途徑等）；構(gòu)造決策問題的求解模型（如數(shù)學模型、運籌學模型、程序模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷龋?；建立評價決策問題的各種準則（如價值準則、科學準則、效益準則等）；多方案、多目標、多準則的比較和優(yōu)先級劃分；綜合分析決策方案的作用和影響，以及環(huán)境因素、變量對決策方案或結(jié)果的影響程度等。以上5個方面是綜合健康管理系統(tǒng)的主要構(gòu)成，也是亟待解決和完善的技術(shù)要素。此外，對于IVHM技術(shù)的分析、仿真、實驗驗證的技術(shù)、方法和工具等，評估IVHM系統(tǒng)安全性、成本效益的仿真和實驗計劃、方法和工具等也均是開展IVHM相關(guān)研究的重要內(nèi)容[2，24-27]。二、故障預(yù)測與健康管理技術(shù)2.1PHM技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀故障預(yù)測與健康管理（PrognosticsandHealthManagement,PHM）[28]技術(shù)的起源可以追溯到20世紀50年代到60年代。當時，航空航天領(lǐng)域極端的環(huán)境和使用條件驅(qū)動了最初的可靠性理論、環(huán)境試驗和系統(tǒng)試驗以及質(zhì)量方法的誕生。隨著宇航系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，由設(shè)計不充分、制造誤差、維修差錯和非計劃事件等各種原因?qū)е碌墓收蠋茁室苍谠黾樱仁谷藗冊?0年代創(chuàng)造出新的方法來監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，預(yù)防異常屬性，導(dǎo)致了機上關(guān)鍵故障響應(yīng)方法的出現(xiàn)，如故障保護和冗余管理。隨后出現(xiàn)了診斷故障源和故障原因的技術(shù)，并最終導(dǎo)致了故障預(yù)測方法的誕生。20世紀90年代初期，“飛行器健康監(jiān)控（VHM）”一詞在NASA研究機構(gòu)內(nèi)部盛行，它是指，適當?shù)剡x擇和使用傳感器與軟件來監(jiān)測太空交通工具的“健康”。工程師們不久發(fā)現(xiàn)，VHM這個術(shù)語存在兩方面不足。首先，僅僅監(jiān)控是不夠的，真正的問題是根據(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”，其次，考慮到飛行器僅僅是復(fù)雜的人-機系統(tǒng)的一個方面，“系統(tǒng)”一詞很快代替了“飛行器”，因此，到20世紀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。20世紀90年代末，美軍重大項目F-35聯(lián)合攻擊機(JSF)項目的啟動，為預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)的誕生帶來了契機。PHM是JSF項目實現(xiàn)經(jīng)濟承受性、保障性和生存性目標的一個關(guān)鍵所在。JSF的PHM系統(tǒng)是當前飛機上使用的機內(nèi)測試(BIT)和狀態(tài)監(jiān)控的發(fā)展，這種發(fā)展的主要技術(shù)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)測能力，借助這種能力從整個系統(tǒng)(平臺)的角度來識別和管理故障的發(fā)生。其目的是減少維修人力、增加出動架次率、實現(xiàn)自主式保障。美國國防部和NASA在PHM/ISHM相關(guān)技術(shù)方面的演變過程如表1所示。DoDNASA1950s?可靠性分析?系統(tǒng)試驗與評價?質(zhì)量方法?可靠性分析?系統(tǒng)試驗與評價1960s?建模?故障分析?建模與仿真?故障分析?數(shù)據(jù)的遙測?系統(tǒng)工程1970s?系統(tǒng)監(jiān)控?以可靠性為中心的維修?系統(tǒng)工程?機內(nèi)測試(BIT)?系統(tǒng)監(jiān)控?機上故障保護?冗余管理?拜占庭計算機故障理論1980s?擴展BIT?數(shù)據(jù)總線和數(shù)子處理?發(fā)動機健康監(jiān)控?全面質(zhì)量管理?擴展BIT?數(shù)據(jù)總線和數(shù)子處理1990s?綜合診斷?飛行數(shù)據(jù)記錄?診斷?飛行器健康監(jiān)控?飛行器健康管理?系統(tǒng)健康管理2000s?預(yù)測?綜合飛行器健康監(jiān)控?綜合飛行器健康管理?綜合系統(tǒng)健康監(jiān)控?綜合系統(tǒng)健康工程和管理表1DoD和NASA通向PHM/ISHM的技術(shù)演變過程近些年來，隨著計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、微電子技術(shù)和微機電技術(shù)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展和系統(tǒng)復(fù)雜化、綜合化水平的提高，武器裝備的嵌入式診斷技術(shù)正在從過去單純的電子/航電設(shè)備BIT和結(jié)構(gòu)/機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控向覆蓋武器裝備所有重要系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的機載預(yù)測與健康管理(PHM)方向發(fā)展演變。PHM之類技術(shù)受到各國軍方和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，各方都在積極采取各種方式加速這類軍民兩用技術(shù)的開發(fā)和利用。隨著PHM技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，世界各國對PHM技術(shù)的興趣日漸濃厚。近年來，有關(guān)PHM技術(shù)的研發(fā)和學術(shù)交流活動非常活躍。NASA舉辦了首屆國際宇航“綜合系統(tǒng)健康工程和管理(ISHEM，航天領(lǐng)域的PHM)論壇”，將其作為一門新的學科推出；美國圣地亞國家實驗室與美國能源部、國防部、工業(yè)界和學術(shù)界合作建立了預(yù)測與健康管理(PHM)創(chuàng)優(yōu)中心(COE)，支持PHM技術(shù)開發(fā)和技術(shù)試驗和確認；馬里蘭大學成立預(yù)測與健康管理聯(lián)合會，致力于電子預(yù)測與管理方法的研究和培訓(xùn)；美國、歐洲和日本都紛紛召開PHM研討會，而這些會議的共同熱門話題就是電子預(yù)測技術(shù)。人們普遍認為，電子預(yù)測技術(shù)目前雖然遠未達到成熟，尚不能進入應(yīng)用，但它代表了PHM未來的一種重要發(fā)展趨勢。目前PHM技術(shù)研發(fā)的最大障礙是對于殘余壽命周期預(yù)測的不確定性的評估，以及對電子產(chǎn)品間歇失效的檢測。因此，國外專家建議研發(fā)機構(gòu)將資金投入移向這些領(lǐng)域，以便盡快使PHM技術(shù)進入實用階段?？傊?，PHM已成為國外新一代武器裝備研制和實現(xiàn)自主式保障的一項核心技術(shù)，是21世紀提高復(fù)雜系統(tǒng)“五性”(可靠性、維修性、測試性、保障性和安全性)和降低壽命周期費用的一項非常有前途的軍民兩用技術(shù)。目前國外PHM技術(shù)已經(jīng)從方案設(shè)計階段發(fā)展到工程驗證階段，其應(yīng)用遍及航空、航天、工業(yè)過程、核電站等大型復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域，國內(nèi)對于PHM的研究則剛剛起步。2.2PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及關(guān)鍵技術(shù)PHM系統(tǒng)的功能[29]PHM系統(tǒng)具體包含下列主要功能：故障檢測能力；故障隔離能力；故障預(yù)測能力；殘余使用壽命預(yù)測能力；各種跟蹤能力；故障選擇性報告能力；輔助決策和資源管理能力；容錯能力；信息融合和推理機能力以及信息管理能力。PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)必須便于從部件級到整個系統(tǒng)級綜合應(yīng)用故障診斷和預(yù)測技術(shù)，其結(jié)構(gòu)及運行如圖3所示。整個飛機的PHM系統(tǒng)由推進系統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)、航空電子系統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)實時監(jiān)控系統(tǒng)、飛行器管理系統(tǒng)(VMS)以及其他任務(wù)分系統(tǒng)和低觀測性(LO)特征的實施監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。飛機的航空器區(qū)域管理系統(tǒng)(VZM)將上述各監(jiān)控系統(tǒng)的信息綜合后，傳給地面的聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)，據(jù)此來判斷飛機的安全性，安排飛行任務(wù)，實施技術(shù)狀態(tài)管理，更新飛機的狀態(tài)紀錄，調(diào)整使用計劃，生成維修工作項目，以及分析整個機群的狀況。3)PHM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)PHM是新一代武器系統(tǒng)的維修和管理技術(shù)，也是一種全面的故障檢測、隔離、預(yù)測及狀態(tài)管理技術(shù)。它涉及的技術(shù)面很寬，如融合技術(shù)、預(yù)測技術(shù)、決策支持技術(shù)等。(1)融合技術(shù)融合是對多源信息進行綜合處理，從而得到更為準確、可靠的結(jié)論。融合在PHM中的主要應(yīng)用領(lǐng)域有3個方面：①數(shù)據(jù)融合，用于融合來自傳感器陣列的數(shù)據(jù)，確認傳感器信號的合理性并抽取特征；②寺征融合，對數(shù)據(jù)融合得到的特征進行智能綜合，以獲得最可信的診斷信息；③信息融合，綜合經(jīng)驗信息(如以往的失效率或物理模型)和信號信息，提高預(yù)測精度。(2)預(yù)測技術(shù)預(yù)測是針對部件的預(yù)兆、初發(fā)的故障狀態(tài)、附屬元件的失效狀態(tài)，提供早期檢測和隔離的能力；并且管理和預(yù)報組件由該故障狀態(tài)向失效狀態(tài)進展情況的一種技術(shù)和手段。預(yù)測方法從本質(zhì)上可以分成3類：①基于物理模型的預(yù)測，物理模型往往由設(shè)計專家給出，且經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證，通常比較精確；②基于規(guī)則的預(yù)測，這些規(guī)則往往由維修專家給出，以肯定，否定的形式表示，這類預(yù)測方法的代表是基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和模糊邏輯系統(tǒng)；③基于統(tǒng)計模型的預(yù)測，統(tǒng)計模型可以從實際數(shù)據(jù)中學習，典型代表是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。（3）決策支持技術(shù)決策支持技術(shù)主要用來解決非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問題，以區(qū)別于處理結(jié)構(gòu)化問題的信息系統(tǒng)。在健康管理系統(tǒng)中，融合技術(shù)的作用是最大程度地利用了系統(tǒng)信息；預(yù)測技術(shù)是健康管理的關(guān)鍵，是決策的基礎(chǔ)；決策支持則是健康管理系統(tǒng)的最終結(jié)果。在PHM技術(shù)中，決策支持技術(shù)需要解決以下幾個方面的問題：①任務(wù)的形式化描述；②確定決策模型；③選擇決策模式；④根據(jù)健康任務(wù)，確定決策類型；⑤定義一種度量機制，確定不同決策的優(yōu)先級；⑥決策調(diào)度。將IVHMPHM的關(guān)鍵技術(shù)及需要解決的問題做一下對比（以表格的形式）。三、國內(nèi)外主要研究單位國外主要研究單位（有哪些分別是研究什么的可以以表格的形式給出）國外參與PHM相關(guān)技術(shù)研發(fā)的單位非常廣泛，如美國國防部和三軍的有關(guān)機構(gòu)；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(tǒng)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、馬里蘭大學等著名院校；智能自動化公司、Impact技術(shù)公司、質(zhì)量技術(shù)系統(tǒng)公司（QSI）、Giordano自動化公司等軟件公司；荷蘭PHM聯(lián)盟（DPC）、Sandia國家實驗室（SNL）、美國國防工業(yè)協(xié)會（NDIA）系統(tǒng)工程委員會、美“聯(lián)合大學綜合診斷研究中心”、美測試與診斷聯(lián)盟（TDC）等協(xié)會和聯(lián)盟。其中，研發(fā)電子產(chǎn)品PHM技術(shù)的單位首推馬里蘭CALCE電子產(chǎn)品和系統(tǒng)中心，其水平處于世界領(lǐng)先地位。國內(nèi)主要研究單位目前，國內(nèi)參與IVHM及PHM的研究單位有：北京航空航天大學、哈爾濱工程大學、南京航空航天大學、西北工業(yè)大學、中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心、中國航空無線電電子研究所、空軍第一航空學院、空軍工程大學、海軍航空工程學院、國防科學技術(shù)大學、北京化工大學、電子科技大學、沈陽飛機設(shè)計研究所、沈陽航空工業(yè)學院、香港城市大學等。其他4.1有關(guān)學術(shù)組織簡介中國故障預(yù)測與健康管理學會(ChinaPHMSociety)中國故障預(yù)測與健康管理學會由北京航空航天大學康銳教授聯(lián)合PHM領(lǐng)域國際著名教授及專家學者等，于2010年初正式成立。該學會為非盈利性機構(gòu)，旨在推進中國工業(yè)的質(zhì)量管理、可靠性、維修性、安全性和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵需求，通過在系統(tǒng)健康管理中引入預(yù)測流程設(shè)計和預(yù)測技術(shù)，來提升中國工業(yè)、政府組織和學術(shù)機構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展意識。學會由北京航空航天大學康銳教授擔任首屆理事長，同時還設(shè)立了六位副理事長，分別負責學會的日?；顒咏M織、政府聯(lián)系、學術(shù)合作、企業(yè)合作開發(fā)以及開展國際合作和技術(shù)出版物等工作。國際咨詢委員會由全世界本領(lǐng)域內(nèi)的杰出專家組成，為學會的戰(zhàn)略、規(guī)劃、開發(fā)合作伙伴提供寶貴建議，他們豐碩的經(jīng)驗有助于學會的建設(shè)，利于學會持續(xù)、健康、科學的發(fā)展。學會宗旨本學會的宗旨是促進全面的PHM合作，包括方法、技術(shù)和對中國工業(yè)應(yīng)用的認識，尤其是在航空航天維修、計算機、通訊、汽車和火車、電力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)、LED照明以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。在中國和亞太地區(qū)，建立學術(shù)、企業(yè)和政府之間的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系并促進中國PHM學術(shù)機構(gòu)和國際伙伴的學術(shù)交流，分享經(jīng)驗。為企業(yè)、學術(shù)和政府機構(gòu)提供PHM教育和專業(yè)課程培訓(xùn)計劃。中國故障預(yù)測與健康管理學會從建立起將通過PHM技能平臺促進不同機構(gòu)之間的PHM項目規(guī)劃和合作；促進PHM應(yīng)用技術(shù)的轉(zhuǎn)移，并提供中國和世界周邊最新的PHM信息、動向、出版物和計劃。國際辦事處中國故障預(yù)測與健康管理學會香港九龍?zhí)吝_之路83號香港城市大學方潤華樓6308室中國辦事處北京市海淀區(qū)學院路37號北京航空航天大學為民樓446室郵編：100191學會網(wǎng)站美國PHM協(xié)會（PHMSociety）美國PHM協(xié)會致力于PHM的發(fā)展，是一個非盈利組織。該協(xié)會作為一個紐約公司成立于2009年初，協(xié)會的旗艦活動是PHM的年度會議。該協(xié)會建立的基本原則有以下三條：（1）通過該協(xié)會可以免費的、無限制的獲取PHM的相關(guān)知識；（2）該協(xié)會旨在促進跨學科和PHM的國際合作；（3）領(lǐng)導(dǎo)PHM工程學科的進步。協(xié)會網(wǎng)站/community有關(guān)學術(shù)會議簡介隨著故障預(yù)測與系統(tǒng)健康管理（PHM）在工業(yè)界、航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，有關(guān)PHM的學術(shù)會議也越來越多，具有代表性的會議如下。故障預(yù)測與系統(tǒng)健康管理（PHM）企業(yè)管理人員論壇和技術(shù)研討會會議時間：2010年5月19日——5月20日；會議地點：中國深圳萬德諾富特酒店；會議主辦方：中國故障預(yù)測與健康管理學會；會議概況：本次PHM論壇會議討論了世界各地工業(yè)中PHM的應(yīng)用趨勢，質(zhì)量管理和PHM領(lǐng)域的國際知名專家派克.邁克爾(MichaelPecht)教授和徐國良教授出席了會議。會議介紹了世界上最前沿的PHM應(yīng)用前景，針對剛剛有PHM意識的中國現(xiàn)狀進行了講解。亞太地區(qū)首次PHM會議會議時間：2010年1月12日——1月14日；會議主辦方：香港城市大學PHM中心及美國IEEE可靠性學會；會議概況：該會議旨在提升PHM作為關(guān)鍵推動力，以促進眾多工業(yè)發(fā)展。這次會議吸引了世界上不同應(yīng)用領(lǐng)域的140多名代表和專家。許多知名企業(yè)和機構(gòu)參加了會議，其中包括IBM公司，中國航空綜合技術(shù)研究所，中國航空工業(yè)總公司(中航)，東芝公司，清華大學，法國的EADS，北京航空航天大學，克蘭菲爾德大學，和橫濱大學等。第十七屆全國測試與故障診斷技術(shù)研討會會議時間：2010年5月17日——5月20日；會議地點：浙江省杭州市；會議概況：本次會議是在國家國防科技工業(yè)局的指導(dǎo)下，由中國計算機自動測量與控制技術(shù)協(xié)會主辦，航天測控公司、安捷倫科技公司、《計算機測量與控制》雜志社協(xié)辦的，會議宗旨是“立足行業(yè)、鼓勵創(chuàng)新、面向應(yīng)用、助推發(fā)展”邀請了從事國防軍工測試行業(yè)的15位專家，針對“國際上軍工自動測試系統(tǒng)發(fā)展趨勢、新型總線技術(shù)標準及其應(yīng)用、遠程測試與故障診斷系統(tǒng)、模擬電路故障診斷技術(shù)、運載火箭測試系統(tǒng)、彈用渦扇發(fā)動機虛擬測試平臺、飛行試驗遙測傳輸技術(shù)、基于ATCA規(guī)范的高性能測試技術(shù)架構(gòu)、SOC的可測試性設(shè)計與測試技術(shù)、DSP芯片的電路板測試技術(shù)”等方面的內(nèi)容作了精彩的報告。來自航天、航空、兵器、船舶、核工業(yè)、中科院、二炮、海軍、空軍、陸軍、大學等50多個單位100多名代表參加了會議。第二屆故障預(yù)測與系統(tǒng)健康管理國際會議會議時間：2011年5月24日——5月25日；會議地點：中國，深圳；會議主辦方：中國故障預(yù)測與健康管理學會；會議概況：2011年的PHM會議將繼續(xù)促進PHM在亞太地區(qū)的推廣和應(yīng)用，這次會議將匯集全球來自于工業(yè)、科研學術(shù)機構(gòu)以及政府部們的PHM專家，如航空航天、海洋、電力和電子系統(tǒng)、工業(yè)工程、計算機和通訊、材料、工業(yè)自動化、以及醫(yī)療保健和醫(yī)療技術(shù)等，共同分享PHM的發(fā)展研究經(jīng)驗，尤其是我們正在探索的PHM領(lǐng)域里新的理論、技術(shù)和應(yīng)用。有關(guān)學術(shù)期刊經(jīng)調(diào)查，搜集到的有關(guān)故障預(yù)測與健康管理的學術(shù)期刊有：InternationalJournalofPrognosticsandHealthManagement(ISSN2153-2648).ReliabilityEngineering&SystemSafety(ISSN:0951-8320).JournalsandConferenceProceedingsRelatedtoPHMSensors-OpenAccessJournal?國際設(shè)備工程與管理(英文版)JournalofCivilStructuralHealthMonitoringEngineeringAssetManagementReviewExpertSystemswithApplicationsIEEETransactionsonReliability有關(guān)學術(shù)論壇故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)社區(qū)(ChinaPHM技術(shù)社區(qū))，網(wǎng)站：/portal.php五、結(jié)語IVHM和PHM技術(shù)是國外飛行器健康管理技術(shù)的兩種典型代表。兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點，比如海軍的綜合轉(zhuǎn)臺評估系統(tǒng)(ICAS)、陸軍的嵌入式診斷和預(yù)測等的專用性太強，而PHM技術(shù)在三軍中具有良好的通用性。因此，將PHM技術(shù)與IVHM技術(shù)有機結(jié)合，即專用性與通用性有機結(jié)合，將成為新一代飛機、艦船和車輛系統(tǒng)設(shè)計中的重要組成部分。文獻［29］綜合利用IVHM和PHM系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢，設(shè)計出了綜合飛行器故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)(IntegratedVehiclePrognosticsandHealthManagementSystem，IVPHMS)，該系統(tǒng)理論上功能應(yīng)更加完善,可大大提高綜合飛行器的安全性、可靠性及可維護性并能有效地降低成本。國外飛行器健康管理技術(shù)已經(jīng)從方案設(shè)計階段發(fā)展到工程驗證階段。從公開發(fā)表的資料看，健康管理技術(shù)應(yīng)用遍及航空、航天、汽車、橋梁、重型機械、工業(yè)過程、半導(dǎo)體制造、核電站、大型水壩等領(lǐng)域。在航天器中進行過健康管理技術(shù)工程驗證的項目有X233、X234、X237、DS21等，軍用飛機有F/A218、F222、JSF、UCAV等，此外在民機(如波音777飛機)等其他國民經(jīng)濟部門也在開展應(yīng)用研究。國內(nèi)對于飛行器健康管理技術(shù)的研究剛剛起步，目前有北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、某飛機設(shè)計研究所等單位進行現(xiàn)代意義上的健康管理技術(shù)跟蹤和概念研究，大量的健康管理工作尚停留在健康監(jiān)測水平。參考文獻常琦,袁慎芳?飛行器綜合健康管理(IVHM)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009,(11):2652-2657.BelcastroCM．Aviationsafetyprogram:integratedvehiclehealthmanagementtechnicalplansummary[R].NASATechnologyReport,2006:I一53.GordonB,AasengG．Blueprintforanintegratedvehiclehealthmanagementsystem[C]//IEEE20thDigitalAvionicsSystemsConference,2001,1:l—11．ScanduraPA．Integratedvehiclehealthmanagementasasystemengineeringdiscipline[C]//24thDigitalAvionicsSystemsConference,2005:10．FoxJJ,GlassBJ．Impactofintegratedvehiclehealthmanagement(IVHM)technologiesongroundoperationsforreusablelaunchvehicles(RLVs)andspacecraft[R]．NASA,2000:179—186．PansD．Investigationofintegratedvehiclehealthmanagementapproaches[R]．MarshallSpaceFlightCenterReport,2004；1—6．CarlosGG,AlanC,GordonA,eta1．Healthmanagementandautomationforfuturespacesystems[c]//Proc.ofSpace,2005:l—17.ZunigaFA,MacliseDC,RomanoDJ,eta1．Integratedsysternshealthmanagementforexplorationsystems[C]//Proc．OfAIAA1stSpaceExplorationConference:ContinuingtheVoyageofDiscovery,2005:1—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