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1PHM系統(tǒng)框架體系需要考慮的關(guān)鍵問題

對于所有的復(fù)雜系統(tǒng)（如航空器）都具有兩個(gè)必備模塊：用于工作的能源和通信機(jī)制。這兩個(gè)模塊與系統(tǒng)體系所實(shí)現(xiàn)的功能緊密聯(lián)系在一起。PHM系統(tǒng)的輸入與輸出的方式變化多樣，甚至多種方式結(jié)合（環(huán)境、機(jī)械、電器、熱、聲、視覺、觸覺等的信號），系統(tǒng)必須能夠?qū)@些輸入、輸出進(jìn)行較好的處理。PHM系統(tǒng)框架下實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能要與用戶或使用者的要求保持一致。PHM系統(tǒng)一般由多種類型的子系統(tǒng)組成，其中大部分為航空電子系統(tǒng)，如命令與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。

1.1能量供應(yīng)

為PHM系統(tǒng)提供能量的方式是多種多樣的，可以由外部提供，也可由內(nèi)部提供。系統(tǒng)所需能量是由子系統(tǒng)和組件實(shí)現(xiàn)功能的多少以及復(fù)雜性所決定的。能量的供給也要考慮子系統(tǒng)和組件的密集度以及位置分布。同時(shí)需要分析PHM系統(tǒng)在不同工作模式下的能量消耗率使其能夠滿足各種工作狀態(tài)以及子系統(tǒng)的能量需求。能量源對整個(gè)PHM系統(tǒng)起著關(guān)鍵性的作用，要確保滿足所有的負(fù)載要求以及續(xù)航要求，同時(shí)要有足夠的能量裕度來應(yīng)對特殊情況。在考慮電氣失效管理的能量裕度時(shí)，設(shè)計(jì)者需要優(yōu)先考慮系統(tǒng)內(nèi)部故障檢測、隔離以及恢復(fù)，對失效反應(yīng)的及時(shí)性和有效性。在一些PHM系統(tǒng)或其子系統(tǒng)中，能量的供應(yīng)方式不僅僅局限于電能，也可以是熱能或機(jī)械能（用在某些作動系統(tǒng)中）。要依據(jù)實(shí)際的需要以及可行性來確定所需能量的供應(yīng)方式。

1.2數(shù)據(jù)的通信

數(shù)據(jù)通信對于PHM系統(tǒng)非常重要，無論是無線、有線信號，必須確保數(shù)據(jù)通信的可靠性，信號交換協(xié)議必須要考慮到系統(tǒng)所受外界環(huán)境的影響，同時(shí)要為系統(tǒng)做出正確控制預(yù)留足夠時(shí)間。同時(shí)，在選擇通信方式時(shí)要考慮故障容限和裕度管理。數(shù)據(jù)通信規(guī)則也受到系統(tǒng)組件的類型以及兼容性的限制。為了信號傳輸?shù)姆奖?，傳感器采集到的模擬信號往往需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。傳感器的敏感度、布置等都是數(shù)據(jù)通信需要考慮的關(guān)鍵問題。

2PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

描述了構(gòu)成PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成模塊。該系統(tǒng)具有反饋功能，能夠可靠地完成數(shù)據(jù)收集以及分析，這對系統(tǒng)的故障預(yù)測和診斷是至關(guān)重要的。離線與在線部分相互補(bǔ)充，構(gòu)成了功能完整的PHM系統(tǒng)。

2.1技術(shù)權(quán)衡研究

技術(shù)權(quán)衡研究主要是為了使系統(tǒng)對故障診斷和預(yù)測達(dá)到一個(gè)最佳平衡狀態(tài)。技術(shù)權(quán)衡技術(shù)的目標(biāo)有（：1）支持系統(tǒng)工程過程的決策需求（；2）評估待選項(xiàng)（要求、功能、配置）（；3）集成并考慮所有的因素（；4）推薦最佳的解決方法（；5）發(fā)展并修正系統(tǒng)的概念（；6）判斷是否需要進(jìn)行進(jìn)一步綜合性分析，做出取舍。其中，一種比較成熟的技術(shù)權(quán)衡研究遵循被稱為集成產(chǎn)品與過程設(shè)計(jì)（IntegratedProductandProcessDesign，IPPD）方法。IPPD的功能包括（：1）建立需要；（2）問題描述；（3）建立目標(biāo)值（；4）產(chǎn)生可行的選擇方案（；5）做出決策。美國國防部進(jìn)行的IPPD研究主要針對技術(shù)預(yù)測與技術(shù)鑒別、評估以及選擇（TechnologyIdentification,EvaluationandSelection，TIES）。故障診斷與預(yù)測相關(guān)的研究屬于TIES類別。進(jìn)行IPPD研究能夠完成以下任務(wù)（：1）定義問題，使用質(zhì)量功能展開（QualityFunctionDeployment，QFD）工具來獲取“客戶”需求，定義綜合設(shè)計(jì)分析，鑒別組件功能，監(jiān)控和測試需求等；（2）設(shè)定具體取值，建立取值目標(biāo)以及可行性限（；3）進(jìn)行可行性選擇；（4）進(jìn)行選擇（；5）最終做出決定。其中，QFD用來獲取客戶需求和定義設(shè)計(jì)綜合分析。

2.2FMECA分析

理解失效機(jī)制的原理是設(shè)計(jì)PHM系統(tǒng)的基礎(chǔ)，F(xiàn)MECA分析為設(shè)計(jì)者提供了對失效分析的綜合框架。通過FMECA分析能夠找到相關(guān)失效事件的根本原因。為達(dá)到這一目的，需要定義失效的模式、重要度、發(fā)生頻率以及可測試性。先進(jìn)的FMECA分析可以得到最優(yōu)故障特征的算法，檢測和隔離早期故障，并且預(yù)測出重要部件的剩余壽命。FMECA可以集成到現(xiàn)有的管理控制和數(shù)據(jù)獲取或其他的數(shù)據(jù)管理和控制中心中，進(jìn)而便捷地為使用者提供識別失效事件和事件根源的信息。

2.3CBM測試-計(jì)劃的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過CBM測試-計(jì)劃來確定PHM系統(tǒng)所需儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、測試程序，并且獲取故障數(shù)據(jù)，進(jìn)而來訓(xùn)練和驗(yàn)證故障診斷與預(yù)測的算法。測試計(jì)劃的一般流程為：（1）判別系統(tǒng)的工作模式；（2）依據(jù)相關(guān)控制變量和田口方法來對故障模式進(jìn)行判別；（3）選擇傳感器的類型以及數(shù)據(jù)采集的裝置；（4）使用基于正交表的田口矩陣進(jìn)行多級實(shí)驗(yàn)；（5）決定在基線和故障數(shù)據(jù)下的測試次數(shù)及其類型，進(jìn)而滿足用戶需求、預(yù)算等；（6）選擇傳感器并進(jìn)行校準(zhǔn)精確。

2.4性能的評估

PHM系統(tǒng)需要滿足多目標(biāo)的要求，為用戶提供多種有用信息，如機(jī)務(wù)維修人員、飛行員以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員等。進(jìn)而協(xié)助維修人員在最佳時(shí)間做出維修，保證飛機(jī)的最大利用率和安全性。對PHM系統(tǒng)的性能評估主要是從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)層面展開的。這里從經(jīng)濟(jì)角度評估PHM系統(tǒng)的性能，不僅能反應(yīng)新技術(shù)的優(yōu)勢，而且能夠顯示出經(jīng)濟(jì)上的可行性。結(jié)合維修、使用情況的成本-效益分析所涉及的內(nèi)容有：（1）評估傳統(tǒng)維修手段下，所產(chǎn)生的使用、維修等費(fèi)用分析；（2）隱形成本分析，傳統(tǒng)維修模式（如故障后維修、定時(shí)維修）帶來的損失成本分析；（3）對引入PHM系統(tǒng)帶來的設(shè)備、人員培訓(xùn)等費(fèi)用分析；（4）引入PHM系統(tǒng)后，對整個(gè)生命周期內(nèi)的成本-效益合計(jì)。

2.5PHM系統(tǒng)的驗(yàn)證與適航認(rèn)證

只有PHM系統(tǒng)經(jīng)過驗(yàn)證與適航認(rèn)證之后，才能真正在飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。PHM系統(tǒng)的驗(yàn)證是為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)驗(yàn)證的基礎(chǔ)，一個(gè)成功的PHM系統(tǒng)會對下面的問題給出肯定的回答，“構(gòu)建的系統(tǒng)是否能夠在設(shè)定的約束條件下滿足所有設(shè)計(jì)需求？”目前，還沒有專門針對PHM系統(tǒng)硬件和軟件的官方適航認(rèn)證文件，主要還是基于軍用、民用飛機(jī)的適航文件基礎(chǔ)之上對其進(jìn)行認(rèn)證。早在1992年，文件RTCA/DO-178B（航空系統(tǒng)以及設(shè)備中關(guān)于軟件的認(rèn)證）已經(jīng)對航空系統(tǒng)軟件的適航認(rèn)證做出了規(guī)定。2000年的RTCA/DO-254對航空電子設(shè)備硬件做出了相關(guān)適航認(rèn)證要求。2008年，MIL-HDBK-516B規(guī)定了航空器系統(tǒng)的適航認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。近來，由Honeywell研制的健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)（HealthandUsageMonitoringSystems，HUMS）已經(jīng)在美國軍用直升機(jī)上得到了使用。美國軍方的航空工程指揮部（AviationEngineeringDirectorate，AED）對HUMS以及基于HUMS的維修適航標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，并出版了相關(guān)的手冊。總之，PHM系統(tǒng)的驗(yàn)證與適航認(rèn)證是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多部門、多學(xué)科領(lǐng)域工程技術(shù)人員共同完成。

3總結(jié)與展望

PHM涉及多學(xué)科和眾多研究領(lǐng)域，需要各種高新技術(shù)（如新型傳感器技術(shù)、在線監(jiān)測技術(shù)等），又需要堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論（如新型故障診斷與預(yù)測理論等）作為支撐。目前PHM的重要地位已經(jīng)得到工程界的廣泛認(rèn)同，工程需求也日益增加，隨著大量輕型飛機(jī)的使用，為了節(jié)約維修和運(yùn)營成本，保證飛行安全，在輕型飛機(jī)中引入PHM系統(tǒng)將成為必然。然而國內(nèi)PHM的研究無論是技術(shù)上還是理論上離實(shí)際要求還有不小差距，需要研究人員開展更加深入的研究。目前，PHM的理論以及具體實(shí)現(xiàn)中，存在著許多技術(shù)難題。本文主要分析了輕型飛機(jī)對PHM技術(shù)需求以及相關(guān)的技術(shù)問題，同樣適用于其他行業(yè)。為了搭建輕型飛機(jī)的PHM系統(tǒng)，應(yīng)該在以下方面進(jìn)行深入研究：

（1）PHM系統(tǒng)軟件開放性的研究，通過不斷升級、更新來增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性、穩(wěn)定性；

（2）研究PHM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，為PHM技術(shù)廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)；

（3）研究PHM系統(tǒng)的自我修復(fù)功能；

（4）新型傳感器技術(shù)，異種傳感器數(shù)據(jù)融合傳輸技術(shù)、傳感器嵌入技術(shù)，傳感器布置優(yōu)化以及布線技術(shù)；

（5）新引進(jìn)的PHM系統(tǒng)與飛機(jī)系統(tǒng)本身的兼容問題，包括電源的供給等；

（6）PHM系統(tǒng)本身的耐久性問題，包括飛機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中PHM系統(tǒng)的耐久性、系統(tǒng)傳感器的維修、更換以及系統(tǒng)其他部件的維修；

（7）考慮到飛機(jī)服役環(huán)境的復(fù)雜性，研究PHM的故障診斷與預(yù)測算法，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性以減少誤判和虛警。

4結(jié)語

綜上所述，通過攻關(guān)相關(guān)的技術(shù)難題，得到適航當(dāng)局的認(rèn)可，將PHM系統(tǒng)應(yīng)用到輕型飛機(jī)中，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。

作者：朱新宇盧俊文鄭波王倩營單位：中國民用航空飛行學(xué)院西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院