故障预测与健康管理(PHM)技术研究.ppt

故障预测与健康管理（PHM）技术研究,1,内容提纲,PHM概述 定义、沿革、特征、意义 PHM技术 体系结构、关键技术、工程设计 设计工具、验证与确认 PHM应用 典型应用举例,2,故障诊断与综合健康管理 与医学概念的类比,医学 工程 疾病诊断 故障诊断 通过观测、化验和医疗仪器, 通过传感器、信号处理和检测仪 结论由医生给出 结论由诊断软件给出 多科会诊 综合诊断 多科医生一同诊断当前疾病 运用多种诊断技术诊断当前故障 疾病预防与保健 故障预测与健康管理 体检、疾病预测、保健体系 健康监测、高级故障诊断、故障/寿命预测 (健康、亚健康、疾病、寿命预测, (健康、亚健康、故障、部件寿命预测, 保健措施; 过去、现在和将来) 决策/维修建议; 过去、现在和将来),3,PHM概述,技术沿革 技术特征 研究意义,4,综合运载器健康管理 从 VHM (Vehicle Health Management )到IVHM（Integrated VHM） “综合”（即“I”）意味着健康管理遍及运载器的所有部分及生命周期的所有阶段。 预测及健康管理 （PHM, Prognostics and Health Management） 这是联合攻击战斗机JSF研制中对IVHM概念的另一种提法，它的PHM（空中）+ JDIS（地面）构成完整的IVHM系统。,健康管理技术演变（1）,5,故障检测、隔离和重构 （FDIR，Fault Detection, Isolation and Reconfiguration），60/70年代的空间工业中采用，以各子系统的BIT为基础，以故障代码的形式报告，以报警为主，重构在低层系统实现，缺少预测。 运载器健康监控 （VHM, Vehicle Health Monitoring），从概念上它只是FDIR的一部分，对象针对运载器。,健康管理技术演变（2）,6,系统健康管理 （SHM，System Health Management） 首次将安全性、可靠性、故障管理、可测试性及成本分析纳入一个统一的构架，定义了一个结构化的健康管理系统。 运载器健康管理 （VHM，Vehicle Health Management ） “管理”跨度为两个方面： 自主重构 安全且成本有效地实现任务目标而分配资源,健康管理技术演变（3）,7,以信息为依据的维修 （IM，Informed Maintenance） 或 基于状态的维修 (CBM, Condition-based Maintenance) 根据所掌握的运载器状况来进行有针对性的维修。以飞行中的实时报告、部件的寿命记录、历史数据、维修案例等为依据，高效组织维修活动，降低维修成本，减少维修时间。,健康管理技术演变（4）,8,BIT,5级 预测 是否可以预报部件/子系统失效，并且根据要求或实际情况进行维修？是否可以与控制综合？ 4级 高级诊断 是否能够在部件失效前得知其性能正在降低？能否根据运行情况监测到异常、间歇性故障和单次出现的事件？CND能否最少？ 3级 集成系统结构 在给定系统运行、保障和安全性需求时，系统软、硬件结构能够提供IHM要求的数据和资源吗？IHM系统容易升级吗？存在支持技术成熟化的闭环处理过程吗？ 2级 综合诊断 可以在不同子系统之间追踪引起失效的根本故障吗？诊断分析与设计是系统工程过程中的一个有机组成部分吗？数据与分析模型可以共享/重用吗？ 1级 内置测试（BIT） 基于定义的离散阈值判断，是故障还是可以接受的性能？,健康管理技术演变（5）,9,2. 飞机PHM技术演变过程,(一）PHM技术的一般演变过程 （二）舰载机PHM能力演变过程 （三）大型客机PHM能力演变过程,10,（一） PHM技术的一般演变过程,发展阶段：,应用层次：,部件级,2. 飞机PHM技术演变过程,分系统级,系统集成 （区域管理器）,11,(1) 从外部测试到机内测试（BIT）（60-70年代） 早期的飞机系统比较简单，航电系统为分立式结构，依靠人工在地面上检测和隔离飞机中的问题（外部测试）。这些飞机由彼此独立的模拟系统构成； 随着飞机系统变得复杂，机内测试（BIT/BITE）被引入飞机中，先是为了警告飞行员在重要部件中出了关键故障，后来又成为支持机械师查找故障的助手。,（一） PHM技术的一般演变过程,2. 飞机PHM技术演变过程,12,(2) 从BIT到智能BIT（80年代） 为了解决常规BIT存在的问题，美国原罗姆航空发展中心（RADC）在80年代初率先提出运用人工智能技术来改善BIT的效能，以降低虚警、识别间歇故障，这就是所谓的智能BIT。 智能BIT是指，采用人工智能及相关技术，将环境应力数据、BIT输出信息、BIT系统历史数据、被测单元输入/输出、设备维修记录等多方面信息综合在一起，并经过一定的推理、分析、筛选过程，得出关于被测单元状态的更准确的结论，从而增强BIT的故障诊断能力。 20多年来，智能BIT技术有了迅速发展，先后出现了综合BIT、信息增强BIT、改进决策BIT、维修历史BIT、自适应BIT和暂存监控BIT等多种智能BIT技术。 智能BIT技术已经应用到F-16与F-15的改型和新研制的F-22、JSF等第三、第四代航空装备中。,（一） PHM技术的一般演变过程,2. 飞机PHM技术演变过程,13,(3 )综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代） 20世纪70-80年代，复杂装备在使用中暴露出测试性差、故障诊断时间长、BIT虚警率高、使用与保障费用高、维修人力不足等各种问题，引起美英等国军方和工业部门的重视。 美军及工业界分别针对自动测试设备(ATE)、技术资料、BIT及测试性等各诊断要素相继独立地采取了很多措施，力图解决这些使用与保障问题，结果不理想。 问题的根源在于各诊断要素彼此独立工作，缺少综合；而且除测试性和BIT外，都是在主装备设计基本完成后才开始设计的。 从解决现役装备保障问题的角度出发，美国国防部颁布军用标准和国防部指令，强调采用“综合后勤保障”的途径来有效解决武器装备的保障问题。 “诊断”问题成为贯彻综合后勤保障的瓶颈。 美国原安全工业协会于1983年首先提出了“综合诊断”的设想 ，对构成武器装备诊断能力的各要素进行综合，并获得了美国军方的认可和大力提倡。,（一） PHM技术的一般演变过程,2. 飞机PHM技术演变过程,14,(3 )综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代） 美英等国相继开始研究综合诊断方案，并在现役装备改进改型和新一代装备研制中加以应用。 A. 美国军方综合诊断的研究与应用 a. 80年代中期相继实施了综合诊断研究计划 通用综合维修和诊断系统（GIMADS）计划(空军) 综合诊断保障系统（IDSS）计划(海军) 维修环境中的综合诊断(AIDME)计划 b. 1991年4月，颁布军标和指南，把综合诊断作为提高新一代武器系统的诊断能力和战备完好性，降低使用与保障费用的一种有效途径。 DoD颁布军用标准MIL-STD-1814综合诊断 美国空军也颁发了综合诊断指南AFGS-87256 c. 1990年，DoD和各军种赞助一些综合诊断演示验证项目和旨在改进装备诊断能力的多项研究项目，并在现役装备中加以应用。 d. 同时，在20世纪80年代中后期开始研制的新一代装备（空军F-22、海军的攻击核潜艇SSN-21、陆军的主战坦克MIA2等）及在研的JSF上都应用综合诊断的新思路。,（一） PHM技术的一般演变过程,2. 飞机PHM技术演变过程,15,(3 )综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代） e. 1999年，OSD启动了“综合诊断开放系统方法演示验证”（OSAIDD）研究计划，探讨统一的、通用的综合诊断功能实现方法的可行性。OSAIDD的战略目标是：降低费用，增加互用性，加快引入新技术。该项目通过对军、民领域内具有不同测试和诊断特征的10个典型案例的深入研究和演示验证，最终提出一种基于信息的综合诊断开放式体系结构，并制定了实施路线图。 B.美国工业界综合诊断的研究活动 a. 开发综合诊断软件工具，在美军多种武器型号和NASA航天系统的研制、测试和维修中应用 哈里斯公司开发了“武器系统测试性分析软件（WSTA） 质量技术系统公司开发了TEAMS综合诊断工具集 乔达诺自动化公司开发了并行工程工具集（CETS）和“诊断师”工具等。 b. 美国国防工业协会(NDIA)的综合诊断相关工作 首先提出ID的概念,多年来一直致力于ID的研究和推广应用 综合诊断小组委员会开展了嵌入式诊断方法研究 借助综合诊断和改进BIT来降低虚警率的措施方法研究 受JSF项目委托,开展电子预测能力和数据需求研讨和研究,（一） PHM技术的一般演变过程,2. 飞机PHM技术演变过程,16,(3 )综合诊断的提出和发展（80年代后期至90年代） c. 机械产品综合诊断研究 美“联合大学综合诊断研究中心”，正针对机械故障机理、无损检测技术、机械状态监控方法等展开广泛研究。 d. 测试与诊断联盟的相关活动 1999年4月美国成立了由测试与诊断行业协会和公司参加的测试与诊断联盟（TDC）。TDC目前包括美国国防部、BAE系统公司、洛克西德马丁公司、霍尼韦尔公司、雷神公司、泰瑞达公司、安捷仑公司等32名成员。 TDC正在通过推动跨行业合作，共享测试与诊断领域（特别是民用测试与诊断领域）好的做法、经验和教训，跨行业协调研发资源和民用解决办法，促进在军工产品中采用开放式综合诊断体系结构和开放式自动测试系统。 C. 综合诊断的发展趋势 综合诊断向测试、监控、诊断、预测和维修管理一体化方向发展，主要表现在： 诊断系统复杂性和综合程度日益增加； 综合诊断系统向基于信息的开放式体系结构发展，诊断数据采用标准通信方式； 模型成为诊断设计和诊断功能的基础，即基于模型的诊断； 嵌入式诊断和预测功能日益加强，并出现了专用的诊断分系统（区域管理器）; 广泛运用人工智能（机器学习）技术，诊断系统自主能力日益提高.,（一） PHM技术的一般演变过程,2. 飞机PHM技术演变过程,17,(4) PHM技术诞生 需求牵引：系统复杂性、信息化和综合化程度大幅度提高 装备维修保障工作重点已由传统的以机械修复为主，逐步转变为以信息的获取、处理和传输并做出维修决策为主。以往的事后维修和定期维修已经无法很好地满足现代战争和武器装备对装备保障的要求，在这种情况下，美军20世纪90年代末引入民用领域的CBM, 作为一项战略性的装备保障策略，其目的是对装备状态进行实时的或近实时的监控，根据装备的实际状态确定最佳维修时机，以提高装备的可用度和任务可靠性。 技术推动：大容量存储、高速传输和处理、信息融合、MEMS、网络等信息技术和高新技术的迅速发展。 契机：美军重大项目F-35联合攻击机（JSF）项目的启动。,（一） PHM技术的一般演变过程,2. 飞机PHM技术演变过程,18,F-8,A-7,AV-8B,F/A-18A/B,F/A-18E/F,E-2C,V-22,H-60 H-53,JSF,Capabilities + Performance,（二）舰载机PHM能力的演变过程,F-14 C/D,1970,1980,1990,2000,T-45,COSSI IMD,2. 飞机PHM技术演变过程,借助发动机状态监控系统，使得A-7E飞机因发动机故障引发的事故率减少90%；飞机每飞行小时的维修工时率减少66%；飞机总的事故率降低66%。,19,F-8,A-7,AV-8B,F/A-18A/B,F/A-18E/F,E-2C,V-22,H-60 H-53,JSF,Capabilities + Performance,（二）舰载机PHM能力的演变过程,F-14 C/D,1970,1980,1990,2000,T-45,COSSI IMD,由于缺乏综合诊断能力，在存储、传输和处理离机数据方面缺乏有效手段，致使AV-8B、F/A-18A/B、T-45、E-2C、F-14C/D的诊断能力的有效性大打折扣。,计算能力的提高和智能BIT的应用致使F/A-18E/F和V-22的诊断能力有大幅度提升。,2. 飞机PHM技术演变过程,20,F-8,A-7,AV-8B,F/A-18A/B,F/A-18E/F,E-2C,V-22,H-60 H-53,JSF,Capabilities + Performance,（二）舰载机PHM能力的演变过程,F-14 C/D,1970,1980,1990,2000,T-45,COSSI IMD,对于V-22项目和H-53及H-60直升机项目，从齿轮箱到航空电子设备，整个系统状态都被监控和管理，使维修人员和后勤计划人员从中获益。,2. 飞机PHM技术演变过程,21,F-8,A-7,AV-8B,F/A-18A/B,F/A-18E/F,E-2C,V-22,H-60 H-53,JSF,Capabilities + Performance,（二）舰载机PHM能力的演变过程,F-14 C/D,1970,1980,1990,2000,T-45,COSSI IMD,2. 飞机PHM技术演变过程,随着机载计算、存储和处理能力的大幅提高以及当今数字飞机能力的增长，飞机系统的诊断能力获得显著改善，并进一步向预测方向发展。,舰载直升机项目正在拓展HUMS；分布式模块化的开放系统设计。,22,（三）民用飞机VHM的演变,第一代 机械/模拟系统 使用按键测试和故障指示灯 727, DC-9 / MD-80, 737 经典型,第二代 数字系统 使用前面板显示器 757/767, 737NG, MD-90, A320,第三代 联合式航电系统 使用一台CMC访问所有分系统 747-400, MD-11,第四代 模块化航电系统 使用一个综合的CMC和有限的数据链能力 777,Next Gen?,2. 飞机PHM技术演变过程,23,（三）民用飞机VHM的演变,第一代 机械/模拟系统 使用按键测试和故障指示灯 727, DC-9 / MD-80, 737 经典型,第二代 数字系统 使用前面板显示器 757/767, 737NG, MD-90, A320,第三代 联合式航电系统 使用一台CMC访问所有分系统 747-400, MD-11,第四代 模块化航电系统 使用一个综合的CMC和有限的数据链能力 777,2. 飞机PHM技术演变过程,这样的“按键测试”和“通过/通不过”系统是航电技师可使用的机内测试设备（BITE）的雏形,24,（三）民用飞机VHM的演变,第一代 机械/模拟系统 使用按键测试和故障指示灯 727, DC-9 / MD-80, 737 经典型,第二代 数字系统 使用前面板显示器 757/767, 737NG, MD-90, A320,第三代 联合式航电系统 使用一台CMC访问所有分系统 747-400, MD-11,第四代 模块化航电系统 使用一个综合的CMC和有限的数据链能力 777,2. 飞机PHM技术演变过程,诞生了健康管理的首个标准ARINC 604机内测试设备的设计和使用指南，它标志着飞行器健康管理的诞生，即带有专用前面板的一个或多个外场可更换单元（LRU）为维修技师提供了测试和询问系统的能力。这些面板包含按钮和字母数字信息显示的初步显示能力。,25,（三）民用飞机VHM的演变,第一代 机械/模拟系统 使用按键测试和故障指示灯 727, DC-9 / MD-80, 737 经典型,第二代 数字系统 使用前面板显示器 757/767, 737NG, MD-90, A320,第三代 联合式航电系统 使用一台CMC访问所有分系统 747-400, MD-11,第四代 模块化航电系统 使用一个综合的CMC和有限的数据链能力 777,2. 飞机PHM技术演变过程,20世纪80年代中期: MD-11 若干LRU共享集中式显示面板，但不具备综合多个LRU相关故障指示结果的能力； 20世纪80年代后期 ：747-400 CMC接收来自若干个LRU的健康和状态数据，完成简单的故障综合和根本原因分析。,26,（三）民用飞机VHM的演变,第一代 机械/模拟系统 使用按键测试和故障指示灯 727, DC-9 / MD-80, 737 经典型,第二代 数字系统 使用前面板显示器 757/767, 737NG, MD-90, A320,第三代 联合式航电系统 使用一台CMC访问所有分系统 747-400, MD-11,第四代 模块化航电系统 使用一个综合的CMC和有限的数据链能力 777,2. 飞机PHM技术演变过程,20世纪90年代初期 ：777 吸取747-400的经验教训，制定了升级标准：ARINC624机载维修系统的设计指南 采用中央维修系统（CMS），收集所有子系统的故障报告、判断故障根源并推荐维修活动。比以前增加了趋势跟踪和简单的预测能力。,27,歼6,歼7/8,歼10,四代机,Capabilities + Performance,苏27/30MKK,1970,1980,1990,present,我国PHM技术现状,20世纪70年代末，航空装备维修一直沿袭国外三四十年代传统的经验维修办法。直接经验确定检查时间和内容，靠感官按照规定的时间和内容实施维修,28,歼6,歼7/8,歼10,四代机,Capabilities + Performance,苏27/30MKK,1970,1980,1990,present,我国PHM技术现状,1979年我国空军提出“一定三改”（制定各类技术标准，改革维修体制，改革维修手段，改革维护规程）,提出以原位检测、无损探伤、状态监控、快速充填加挂和改进维修工艺为重点。这次改革使歼六飞机维护规程中的检查项目的70%实现了原位检测，定检工时缩短一半，提高工效50%。,29,歼6,歼7/8,歼10,四代机,Capabilities + Performance,苏27/30MKK,1970,1980,1990,present,我国PHM技术现状,但我军飞机维修保障装备的检测设备智能化、综合化程度相对不高，相互之间也不能实现信息传输和共享，造成大量的设备状态信息流失，而飞机的故障排除基本依靠机务人员的经验。,80年代初，空军提出“以可靠性为中心”维修思想。整体上落后于发达国家的技术水平。国外大量应用智能化、综合化、便携式的维修检测设备，并有许多故障诊断专家系统投入实际应用。,30,歼6,歼7/8,歼10,四代机,Capabilities + Performance,1970,1980,1990,present,我国PHM技术现状,我国在歼十飞机的的电源系统、动力系统、飞控系统、电传操纵系统、起落构件系统中进行了故障检测与诊断系统的开发和原理验证。,80年代末至90年代，随着故障诊断技术、神经网络技术、模糊推理技术、信号处理技术、智能诊断方法的迅速发展,苏27/30MKK,31,歼6,歼7/8,歼10,四代机,Capabilities + Performance,苏27/30MKK,1970,1980,1990,present,我国航空装备故障诊断发展,经过多年的发展，特别是在“十五”期间将装备维修技术纳入预研体系后，我军在飞机故障诊断技术应用和故障诊断系统的研究方面取得了一定成果,但目前我国武器装备相关方面的研究和工程应用总体上仍落后于先进国家，表现为技术落后、手段落后和管理落后。具体表现在：,32,我国航空装备故障诊断现状,系统的故障特征提取容易受外界干扰影响，故障诊断推理机制尚不完善； 在线系统故障监控覆盖率较低，虚警率较高； 故障诊断缺乏有效的新方法、新技术和新手段，对诊断系统的体系结构、功能模式、系统集成开发方法的研究还不够深入； 故障预测技术很不完善，剩余寿命的预测技术尚未实施； 系统故障预测与状态管理评价体系尚需完善。,33,PHM概述,技术沿革 技术特征 研究意义,34,35,PHM重点是利用先进的传感器的集成，并借助各种算法和智能模型来预测、诊断、监控和管理飞机的状态。 PHM实现了两个转变： 传统的基于传感器的诊断 基于智能系统的预测 事件主宰的维修（即事后维修） 时间相关的维修（即定期维修）,基于状态的维修（CBM）,（1） PHM技术的内涵,PHM技术的内涵及功能,36,（1） PHM技术的内涵,增强的诊断：以高的故障诊断能力和非常低的虚警率确定部件完成其功能的状态的过程。（超出传统测试性和BIT能力） 预测：预先诊断部件或系统完成其功能的状态，包括确定部件的残余使用寿命或正常工作的时间长度。 健康管理：根据诊断/预测信息、可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策的能力。,PHM技术的内涵及功能,37,（2） PHM技术的功能,PHM技术的内涵及功能,38,（3） PHM技术的目标,提高武器装备的任务可靠性和安全性 减少维修人力、备件和修理费用 取消计划性检查 实现维修和零备件采购时机最佳化 自动隔离故障到1个外场可更换部件（LRU） 消除CNDs和RTOKs 实时通报装备各级保障链即将来临的维修事件 在潜在的灾难性失效发生前及时捕获 检测初始故障，并监测直到失效前 适时维修缩短装备停机时间,PHM技术的内涵及功能,39,PHM系统技术特征,通过测试和计算关键部件的剩余寿命来主动地监视系统的健康状态; 健康信息用于优化维修活动及后勤保障; 最好是PHM系统勿需增加传感器,从已有的传感器