目錄

1、PHM的基本概念

2、國外PHM技術發展情況

3、國內PHM技術發展狀況

4、國內外PHM技術差距分析

5、PHM發展與應用建議

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1、PHM的基本概念

故障預測與健康管理PHM（Prognostics Health Management）為了滿足自主保障、自主診斷的要求提出來的，是基于狀態的維修CBM (視情維修，condition based maintenance)的升級發展。它強調資產設備管理中的狀態感知，監控設備健康狀況、故障頻發區域與周期，通過數據監控與分析，預測故障的發生，從而大幅度提高運維效率。

PHM早期應用主要集中于航空發動機領域，例如GE的F404發動機、PW的F117發動機等等。讓它聲名顯赫的時期，是在F35聯合戰斗機項目的智能后勤信息系統ALIS，該系統囊括了飛機系統狀態監控、健康評估、故障預測、維修計劃、后勤保障等若干功能。在F35之前的PHM，只是測試、監控，或者是健康管理，都不是真正意義的PHM。F35戰機是第一個真正有故障預測概念的，才能稱得上PHM。

PHM最早可以源自70年代， 早在1982年F-18大黃蜂機隊F404發動機檢測系統，用于大黃蜂戰機的發動機的監測。那時候，似乎沒有故障預測功能，也沒有著重于大數據分析，或是沒有凸顯出大數據分析能力。這其實不屬于真正的飛機PHM。當時只有剩余壽命評估、操作極限監控、傳感器失效檢測、熄火檢測、著陸推力評估、飛行員啟動記錄等，缺失了故障預測功能。?[1]?

早期資料上的PHM都很少涉及故障預測，盡管F22已經有了類似的設備與系統，但是F22的PHM應該還屬于狀態監測范圍。F22在飛行時傳輸部分數據，落地后采集全部數據?？梢酝ㄟ^維修輔助計算機插入接口，發送激勵信號采集重點部件測試數據，在當時已經很先進了。但是似乎還處于基于狀態監測的健康管理水平，不能稱之為預測健康管理(PHM)。

隨著現代武器裝備復雜性、綜合化、智能化程度的不斷提高，為了以更經濟有效的方式滿足信息化戰爭對武器裝備作戰效能和快捷、精確、持續保障的要求，20世紀90年代中期，PHM（故障預測與健康管理）技術應運而生，隨即得到了美英等軍事強國的高度重視。

PHM技術是指釆用傳感器信息、專家知識及維修保障信息，借助各種智能算法與推理模型實現武器裝備運行狀態的監測、預測、判別以及管理，實現低虛警率的故障檢測與隔離，并最終實現智能任務規劃及基于設備狀態（歷史、當前及未來狀態）的智能維護，以取代傳統基于事件的事后維修或基于時間的定期檢修。當前，PHM技術已成為現代武器裝備實現自主式后勤（automatic logistics, AL）和降低全壽命周期費用的關鍵核心技術。

PHM技術實現了武器裝備管理方法從健康監測向健康管理（容錯控制與余度管理、自愈調控、智能維修輔助決策、智能任務規劃等）的轉變，從對當前健康狀態的故障檢測與診斷轉向對未來健康狀態的預測，從被動性的反應性維修活動轉向主動性、先導性的維修活動，從而實現在準確的時間對準確的部位釆取準確的維修活動。PHM技術的主要功能如圖1所示，主要包括關鍵系統/部件的實時狀態監控（傳感器監測參數與性能指標等參數的監測）、故障判別（故障檢測與隔離）、健康預測（包括性能趨勢、使用壽命及故障的預測）、輔助決策（包括維修與任務的輔助決策）和資源管理（包括備品備件、保障設備等維修保障資源管理）、信息應需傳輸（包括故障選擇性報告、信息壓縮傳輸等）與管理等方面。

2、國外PHM技術發展情況

1、發展概況

隨著系統和設備復雜性的增加以及信息技術的發展，國外PHM技術的發展，經歷了外部測試，機內測試（BIT, Built-in Test）、智能BIT、綜合診斷、PHM共5個階段。于此同時，維修決策技術的發展也經歷了事后維修、周期預防性維護、狀態維護（CBM, condition based maintenance）、智能維護（在CEM的基礎上，更多考慮設備未來的健康狀態）。PHM技術在產品應用層次上，從過去的部件與分系統級，發展到覆蓋整個平臺各個主要分系統的系統集成級；PHM技術在產品應用層面上，從電子產品擴展至機構與結構、機電產品等領域。通過逐步完善，PHM目前已形成了包含精簡化、智能化、同步化、標準化、持續化的技術方法體系，制定了包含數據釆集與傳輸、數據處理（狀態監測、健康評估、預測診斷）、決策支持、綜合信息管理功能的技術結構，并形成了相對完善的技術標準體系，以及技術轉化應用與技術集成機制。

目前，PHM技術已經得到美英等軍事強國的深度研究與推廣應用，并正在成為新一代飛機、艦船和車輛等武器裝備研制階段與使用階段的重要組成部分。代表性的PHM相關系統包括：F—35飛機PHM系統、直升機健康與使用監控系統（HUMS）、波音公司的飛機狀態管理系統（AHM）、NASA飛行器綜合健康管理（IVHM）、美國海軍綜合狀態評估系統（ICAS）以及預測增強診斷系統（PEDS）。

2、應用成效

在PHM解讀（一）中也提到，歐美各國的PHM技術應用范圍覆蓋各類先進武器裝備，而且數量眾多。統計數據充分證明了PHM在降低維修保障成本，提高武器裝備安全性、可用度與完好性，確保任務成功性，提升作戰效能方面的重要作用。

3、PHM驗證評價

驗證評價是確認PHM設計結果是否達到設計要求，從而對設計完善和改進提出反饋的重要手段，是PHM設計開發、成熟化及部署應用的關鍵環節。美國已公開的PHM驗證系統如表2所示。

國外PHM驗證評價系統特點及趨勢如下：

1） 豐富的故障數據庫：包含仿真故障注入數據、試驗臺故障注入數據、武器裝備測試數據及實際運行數據等。半實物仿真以及全數字仿真是未來發展趨勢。

2） 針對PHM全流程：從數據采集、數據處理、輔助決策及信息管理等多個層次，對傳感器及數據采集系統、故障診斷與預測算法模型、推理模型、輔助決策模型等功能模塊進行驗證。

3） 可模擬用戶操作，實現人在回路的測試。

4） 標準化、可配置的驗證評價指標體系；評價指標覆蓋面廣，包括誤差、穩定性、重復性、可靠性、不確定性等方面。

5） 端到端測試環境，驗證過程可跟蹤復現。

6） 分布式、網絡化的開發式軟硬件架構，符合OSA—CBM的通用PHM服務接口，多地理位置供應商PHM聯合驗證。

4、發展規劃

在分析NASA和美國空軍PHM相關技術規劃的基礎上，以航空航天裝備為例，國外未來的PHM技術發展規劃可總結為3個技術層次（如圖2所示）。從失效物理、數據分析、傳感器等基礎技術研究，到子系統級的監測、診斷、預測和失效緩解技術研究，再到機體結構、機載系統和推進系統等PHM設計，最后實現對全機的故障預測與健康管理。該技術發展規劃主要針對3個重點領域（綜合飛行健康評估與管理、飛行環境風險檢測與管理、PHM系統綜合集成技術）、七個任務方向（機體結構、推進系統、機載系統、環境風險檢測與管理、PHM體系結構、PHM能力驗證、系統集成與評價）展開。

3、國內PHM技術發展狀況

1、基礎理論

我國在PHM系統設計與驗證基礎理論與方法研究方面起步較晚，研究基礎比較薄弱。“十五”以來，國內相關院所主要在航空航天裝備領域開展了一系列的PHM系統設計基礎研究工作，并結合型號技術攻關，邊研究邊驗證、迭代完善、雙線并行，取得了一定的成果。

目前，已初步構建了一套典型機電、電子、結構類產品的健康表征、健康度量與演化規律挖掘的方法體系，形成了相關的診斷與預測模型設計方法。PHM驗證基礎研究方面，“十二五”期間開展了一定的PHM系統驗證與評價、試驗驗證系統設計等技術方法研究，并形成了相關演示系統與輔助工具。

2、工程技術

結合裝備使用和維修保障情況，我國在航空、航天、船舶、兵器等領域正逐步開展相關工程技術研究。在PHM系統能力與需求分析基礎上，從物理結構、綜合診斷、信息處理以及功能結構等方面進行了PHM體系架構與集成的初步研究；與此同時，也開展了PHM系統參數指標體系、標準規范等研究。在上述研究基礎之上，開發了相應的結構健康監測智能傳感器、結構健康監測集成驗證平臺、機電PHM原型系統與案例庫、系統測試性設計分析工具、嵌入式智能診斷原型系統，以輔助開展PHM系統設計。

3、工程應用

我國在裝備PHM系統工程應用方面，已遠滯后于國外發達國家先進水平，目前PHM技術尚未開展全面工程轉化應用。在航空領域，圍繞型號技術攻關，針對飛控作動器系統、旋轉作動器驅動裝置、液壓能源系統、附件機匣、供電系統、航電處理機、金屬/復合材料機體結構等開展了測試性設計與驗證、診斷與性能衰退預測等技術研究及相關驗證。在航天領域，目前衛星電源系統主要開展太陽電池陣、蓄電池與控制器的在軌狀態監測、性能退化預測、運行管理與延壽；載人航天也針對部分關鍵系統開展了狀態監測與故障容錯控制。在船舶領域，針對主機與輔機系統關鍵設備（柴油機、泵類設備、調距槳裝置、艦面系統等），主要開展狀態監測、故障診斷、運行與輔助維修決策等技術應用。在兵器領域，針對發射車開展了網絡環境下的車載狀態監測與輔助維修指導、監測中心增強診斷、任務與維修輔助決策工程應用。

4、國內外PHM技術差距分析

PHM技術在國內相對來說還是一個比較新穎的概念，研究起步較晚。雖然開展了大量工作，并取得了顯著的研究成果，但前期主要是跟蹤國外工程應用，在相關基礎理論與技術、系統綜合集成等方面的研究還較少。具體表現在：

1）在PHM系統集成與使能技術方面。國外已開展了大量的相關研究和應用工作，國內僅是跟蹤國外的工程應用，設計方面相對落后，PHM系統集成與使能工具設計相關研究較少，尚無具體工程應用案例，亟待進一步深入研究。

2）在復雜系統健康管理方面，國外已開展了大量的基于PHM的維修決策研究工作和應用；同時，國外已在自愈材料、智能結構方面開展了大量的研究，部分技術已有應用。國內裝備仍以周期性預防維護為主，基于PHM的裝備任務規劃與維修策略研究工作較少；我國在裝備自愈研究方面開展較晚，自愈材料與智能結構研究方面以理論研究為主，而應用研究較少。

3）在復雜系統健康診斷與預測方面，國內外在此方面研究差距不大，某些方向已達到國際先進水平。在方法研究上，國內外均開展基于故障物理、數據驅動、模型、專家知識的診斷與預測技術研究。但是，在技術成熟度上與應用廣度上，國外領先國內。尤其在應用于PHM的新型智能傳感器技術及裝置研發上，國外已遠領先于國內。

4）在PHM能力試驗驗證方面，國外已開展了大量研究工作，國內在PHM設計驗證方面，也開展了初步的研究工作，但目前還沒有成熟的PHM體系綜合建模、試驗驗證與能力評價技術方法體系，相關驗證輔助工具與平臺成果還較少。

5、PHM發展與應用建議

綜合以上差距與不足，通過分析國外發展經驗，國內PHM技術研究可以重點從以下幾個方面開展。

1）在PHM技術發展規劃方面。借鑒NASA和美國空軍的PHM發展規劃，我國航空、航天、船舶與兵器領域也必須制定循序漸進的技術發展計劃，如：從基礎的失效物理、零部件的基礎研究，到子系統級的監測、診斷、預測和容錯控制技術研究，再到機身、機載系統和推進系統等的PHM設計，最后實現全機的PHM。

2）在PHM基礎理論與技術方面。在PHM基礎理論與技術方面需要解決以下幾個問題：一是如何針對故障診斷與預測的需求，開展新型智能傳感器攻關？二是如何針對不同部件、設備、系統層次，準確地度量系統的健康狀態，挖掘系統健康演化規律？三是針對故障預測的不確定性，如何提高預測的有效性與準確性？四是如何有效實現的復雜系統的維修優化決策、健康自愈與控制，實現健康管理？

3）在PHM工程應用方面。一是在系統集成應用方面，如何采用并行工程原理，將PHM與被監控產品設計同步，實現PHM系統協同設計；二是如何進行PHM的診斷預測能力認知、功能仿真試驗驗證、以及定量性能評價。

結論

作為現代武器裝備實現自主式后勤（automatic logistics, AL）和降低全壽命周期費用的關鍵核心技術，PHM技術正逐漸受到國內外研究機構的廣泛關注。本文總結了國外PHM技術發展的應用成效與發展狀況，分析了國內外技術差距，并在此基礎之上給出了PHM發展與應用建議。綜合上述總結與分析，依據PHM技術綜合多學科專業的特點，我國PHM技術的發展建議總結為以下幾點：

1）遵循技術自身發展規律和我國PHM技術現狀，制定科學化的頂層技術路線圖和技術里程碑。

2）緊跟技術發展潮流，積極借鑒當前流行的大數據分析、云計算、自主系統、信息物理系統、微機電系統等軟硬件信息處理與技術手段，強化PHM關鍵技術基礎。

3）依據系統工程原理，在PHM技術與系統的設計—開發—應用過程中，逐步提升我國PHM體系綜合建模、協同設計與驗證評價能力，并形成一套標準化、開放化接口的協同設計工具與一體化驗證平臺。

聲明：以上本文摘自《計算機計量與控制雜志》

總結

以上是生活随笔為你收集整理的PHM智能诊断及健康管理保障系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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