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智能化(PHM)故障預測與健康管理係統前景[轉載]

2022-11-12

故(gu)障(zhang)預測(ce)與健康(kang)管(guan)理(li)(PHM)係(xi)統技(ji)術作為實現資產和裝備(bei)基於(yu)狀態(tai)的維(wei)修(xiu)(CBM)、自(zi)主(zhu)式(shi)保(bao)障、感知與響應(ying)後(hou)勤(qin)等新思(si)想(xiang)、新方(fang)案的關鍵技術(shu),受到(dao)美英(ying)等軍事強國(guo)的高(gao)度重視和推廣(guang)應用。PHM係統正(zheng)在(zai)成(cheng)為新一代的飛機、艦(jian)船(chuan)和車(che)輛等(deng)係統設計和(he)使(shi)用中的一個(ge)重要組成部分。它(ta)包括兩層含(han)義(yi),一是故障預測,即預(yu)先(xian)診斷部(bu)件或係統(tong)完(wan)成其功能(neng)的狀態,確定(ding)部件正常工(gong)作(zuo)的時間(jian)長(zhang)度;二(er)是健(jian)康管理,即根據診斷(duan)/預測信(xin)息(xi)、可(ke)用(yong)資(zi)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(shi)現武器(qi)裝備基(ji)於狀態的維修(CBM)、自主式保障、感(gan)知(zhi)與(yu)響(xiang)應後勤等新思想、新方案的關鍵技術,受(shou)到美英等軍(jun)事(shi)強國的高度(du)重(zhong)視(shi)和推廣應用。PHM係統正在成為新一(yi)代的飛(fei)機、艦船和車輛(liang)等係統設計和使用中的一個重要組成部分。它包(bao)括(kuo)兩(liang)層(ceng)含義,一是(shi)故障預測,即預先診斷部件或(huo)係統完成其(qi)功能的狀(zhuang)態,確(que)定部件正常(chang)工作的時間長度;二是健康管理,即(ji)根(gen)據診斷/預測信息、可用資源和使用需求對(dui)維修活(huo)動做(zuo)出(chu)適(shi)當(dang)決策(ce)的能力(li)。實際(ji)上,PHM技術現(xian)已廣泛(fan)應用於機(ji)械結構(gou)產品中,比(bi)如核電站設(she)備、製動裝(zhuang)置、發動(dong)機、傳動裝置等。而將PHM技術應用於電子產(chan)品則(ze)是近(jin)年來(lai)國外(wai)科技研發的重要發展趨(qu)勢之(zhi)一。目(mu)前國外對電子(zi)產品PHM技術的研(yan)發主要集(ji)中(zhong)於軍用電(dian)子產品,重點包括兩部分(fen)內(nei)容:一是產品壽(shou)命周(zhou)期原(yuan)位(wei)監(jian)測中的傳感係統與傳(chuan)感技術,二是殘(can)餘壽命(ming)預測的故障診斷模(mo)型(xing)與算法(fa)。前者(zhe)集中於開發無線微型傳感器,以取代(dai)尺(chi)寸較(jiao)大(da)且需(xu)要(yao)有線傳輸數據(ju)的傳統傳感器。後者致力於探索各(ge)種不(bu)同(tong)類型的診斷模型與算(suan)法,為軍用電子產品故障預測能力提供(gong)理論基礎。
  國外參(can)與PHM相(xiang)關(guan)技術研發的單位非(fei)常廣泛,如美國國防部和三軍的有關機構;NASA;波音(yin)、洛克希(xi)德(de)·馬(ma)丁(ding)、格(ge)魯(lu)門(men)、ARINC、霍尼(ni)韋爾、羅克韋爾(er)、雷(lei)神、通(tong)用電氣(qi)、普(pu)惠(hui)、BAE係統公司、史密(mi)斯(si)航(hang)宇(yu)公司、古德裏(li)奇公司和泰瑞(rui)達(da)公司等跨(kua)國公司;康涅(nie)狄格大學(xue)、田(tian)納西(xi)大學、華(hua)盛(sheng)頓(dun)大學、加州(zhou)工學院(yuan)、麻(ma)省(sheng)理工學院、佐(zuo)治(zhi)亞(ya)理工學院、斯坦福(fu)大學、馬裏蘭(lan)大學等院校;智(zhi)能自動化公司、Impact技術公司、質量(liang)技術係統公司(QSI)、Giordano自動化(hua)公司等軟件公司;荷蘭PHM聯盟(DPC)、Sandia國家(jia)實驗室(SNL)、美國國防工業(ye)協(xie)會(NDIA)係統工程委員(yuan)會(hui)、美"聯(lian)合大學綜合診(zhen)斷研究中心"、美測試與診斷聯盟(meng)(TDC)等協會和聯盟。其中,研發電子產品PHM技術的單(dan)位首(shou)推馬裏蘭CALCE電子產品和係統中心(xin),其水(shui)平(ping)處(chu)於地(di)位。目前國外采用的電子產品故障預測方法可以(yi)歸納(na)為(wei)以下(xia)三(san)類(lei)。
  1、通過監測失(shi)效征兆(zhao)來預測故障
  2、通過設置(zhi)預警(jing)電路(lu)(Canary Devices)來預測故障
  3、通過建立(li)累(lei)積損(sun)傷模型來預測故障


  除(chu)上(shang)述三種(zhong)方法外,國外研發機構也(ye)在努(nu)力探索(suo)使用新方法。比如,史(shi)密斯航宇集團(tuan)在飛機和直(zhi)升(sheng)機子係統中綜(zong)合利(li)用奇(qi)異(yi)值(zhi)分解、主成分分析和神(shen)經網絡進(jin)行非線(xian)性多(duo)元(yuan)分析(xi)和異常狀況(kuang)檢測;美國國家航空(kong)航天(tian)局(ju)在航天飛機中使用故障檢(jian)測算法(包括高斯混合模型、隱(yin)馬爾可夫(fu)模型、卡爾曼濾(lv)波(bo)、虛(xu)擬(ni)傳感器等)來檢測產品異常狀態;範(fan)德比爾特(te)大學在航宇產品中使用前(qian)饋信號(泰(tai)勒(lei)級(ji)數展(zhan)開)來預測故障。


  雖(sui)然(ran)國外研發機構對軍用電子產品PHM技術表現出濃(nong)厚興(xing)趣,而(er)且發展迅(xun)速(su),但(dan)就(jiu)目前來看(kan),電子產品PHM技術還(hai)遠未(wei)成熟(shu),少在以下方麵麵臨(lin)巨(ju)大挑(tiao)戰(zhan)。


  1、殘餘使用壽命預測中的不確定性(xing)
  2、間歇失效(xiao)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(tou)資回(hui)報(bao)率(lv)的評(ping)估(gu)
  5、確定係統性能的門限(xian)值
  6、建(jian)立電子產品的基於物(wu)理的損傷(shang)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(jin)管經(jing)常表現為競(jing)爭力差(cha)而且(qie)與現代產品的兼(jian)容(rong)性差,但由(you)於其替代產品沒有研發出來,所(suo)以仍(reng)在使用。在傳統的電子產品中,比如(ru)老齡(ling)飛機的航電係統,失效模式與失效機理往(wang)往不清楚(chu)。另外,缺(que)乏傳統係統的應用專家,致(zhi)使PHM算法中的故障預測建模不成熟和不充(chong)分。


  將(jiang)PHM技術集成到傳統係統中的另(ling)外一個挑戰是,難(nan)於用兼容方式綜合各種技術。PHM係統包括傳感器、電子設備、計算機和軟件(jian),大部分是商(shang)業貨(huo)架(jia)產品(COTS)。這些商業貨架產品常常對操(cao)作環(huan)境、輸入參數(shu)和使用條(tiao)件具有特殊(shu)要求。一個PHM係統在綜合到電子產品中時(shi),需要首先克(ke)服(fu)與它自己子係統的集成障礙(ai)。


  美國國防(fang)工業協會(NDIA)2006年(nian)4月13日公布(bu)了NDIA電子產品預測技術工作組(zu)終報告草(cao)案(an)。該(gai)報告(gao)針對電子產品PHM技術研發現狀與問(wen)題確定了(le)四(si)個領(ling)域(yu)的開發需求。這四項需求分別是:1)工具(ju)-預測係統設計工具(ju)、技術評價工具(ju)、實施的經濟性分析工具(ju)以及維修過程集成工具(ju)等。2)電子預測技術-工作環境傳感器、器件操作體(ti)製傳感器、軟件預測等。3)模型-失效物理、設計(ji)驗(yan)證(zheng)、維修過程評價(jia)、環境(jing)影(ying)響、電子預測對軟件係統級功(gong)能性能的影(ying)響等。4)硬件-用於工作環境和事件的檢測與記錄(lu)的硬(ying)件,以解(jie)決有用壽命的損失測量。PC板(ban)電子預測信號感應、電纜(lan)和互(hu)聯故障檢測用的納米(mi)傳感器。


  終(zhong)報告草案後給出了電子產品預測技術實施路線圖計劃(hua),即從(cong)上述具體係統開發需求(qiu)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(xiang)目。這(zhe)些電子預測開發項目時間範圍從2年到5年不等,研發內容從基本(ben)的科學技術工作到終的驗證與確認(ren)。項目每(mei)個階(jie)段(duan)預期持(chi)續(xu)18-24個月(yue)。準備進行(xing)驗證與確認的技術取(qu)該時間範圍(wei)的下限,而處於科(ke)技開發水平的技術取該時間範圍的上限。該任務路線圖(tu)分階段實施,以適應項目的互相關性。伴(ban)隨(sui)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(zhun)備用8年左(zuo)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係統的重要發展趨勢(shi)。國外工業部門與國防部門對該技術的研發主要應用於飛機/直升機、武(wu)器係統、發動機和計算機係統。國外大學和研究(jiu)機構對PHM技術的研發主要集中於對電子產品正常性能偏(pian)離的檢測上。目前PHM技術研發的大障礙是對於殘餘(yu)壽命周期(qi)預測的不確定性的評估,以及對電子產品間歇(xie)失效的檢測。因(yin)此(ci),國外專家建議(yi)研發機構將資金投入(ru)移(yi)向這些領域,以便盡快使PHM技術進入實用階段。------[轉(zhuan)自網(wang)絡(luo)]


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