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故障预测与健康管理

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【摘要】:
故障预测与健康管理PHM(Prognostics Health Management)为了满足自主保障、自主诊断的要求提出来的,是基于状态的维修CBM (视情维修,condition based maintenance)的升级发展。它强调资产设备管理中的状态感知,监控设备健康状况、故障频发区域与周期,通过数据监控与分析,预测故障的发生,从而大幅度提高运维效率。

故障预测与健康管理PHM(Prognostics Health Management)为了满足自主保障、自主诊断的要求提出来的,是基于状态的维修CBM (视情维修,condition based maintenance)的升级发展。它强调资产设备管理中的状态感知,监控设备健康状况、故障频发区域与周期,通过数据监控与分析,预测故障的发生,从而大幅度提高运维效率。

 

  历史渊源

     PHM早期应用主要集中于航空发动机领域,例如GE的F404发动机、PW的F117发动机等等。让它声名显赫的时期,是在F35联合战斗机项目的智能后勤信息系统ALIS,该系统囊括了飞机系统状态监控、健康评估、故障预测、维修计划、后勤保障等若干功能。在F35之前的PHM,只是测试、监控,或者是健康管理,都不是真正意义的PHM。F35战机是第一个真正有故障预测概念的,才能称得上PHM。

 

PHM最早可以源自70年代, 早在1982年F-18大黄蜂机队F404发动机检测系统,用于大黄蜂战机的发动机的监测。那时候,似乎没有故障预测功能,也没有着重于大数据分析,或是没有凸显出大数据分析能力。这其实不属于真正的飞机PHM。当时只有剩余寿命评估、操作极限监控、传感器失效检测、熄火检测、着陆推力评估、飞行员启动记录等,缺失了故障预测功能。  
  早期资料上的PHM都很少涉及故障预测,尽管F22已经有了类似的设备与系统,但是F22的PHM应该还属于状态监测范围。F22在飞行时传输部分数据,落地后采集全部数据。可以通过维修辅助计算机插入接口,发送激励信号采集重点部件测试数据,在当时已经很先进了。但是似乎还处于基于状态监测的健康管理水平,不能称之为预测健康管理(PHM)。

 

发展现状

而F35项目的PHM在F22之上又得到了长足的发展,已经基本上达到了预期的设计目标,整机监测与故障预测。预期设计目标是飞行过程中就采集数据,实时传输部分数据,落地后采集全部数据,并且可以通过维修维修辅助计算机发送激励信号,采集重点部件数据。该系统具有实时分析与故障预测功能。
  PHM的特点是,必须有海量数据分析和健康判断。数据是基础,而有了数据如何分析也是一个大问题。国内的航空公司,几十年海量的数据,都无法自己开发PHM系统。这个难点就是模型:健康模型怎么评价,而预测模型更难。这就是工业技术体系,如何将专家经验和实践经验相结合,这正是工业化的核心。

 

某型飞机推进系统健康监控系统架构

国内状态监测水平都不很高,Health Management基本不掌握工程实用的模型,成功应用案例较少,而PHM就干脆只剩下概念了。有了数据还必须进行分析;而有了建模能力,还得有工程实现能力,把PHM系统设计和开发出来。而且可靠性水平要求也很高,必须高于其他分系统,否则容易虚警。空客与波音都有成熟的PHM理念、方法与实际手段,但是,都是秘不可宣,只能从一些公开资料上得到片面的信息。

随着F35战斗机交付日期迫近,而其革命性的设计要点之一自动后勤信息系统,也就是自检和自动诊断系统,仍然存在这诸多的不确定性,PHM的难度可想而知。

要实现PHM,除了物理基础条件保障外,既需要大数据分析技术,又需要非常密集的行业知识、经验和模型做为支撑。PHM跟航空有很深的渊源,在航空领域有着较为成熟的概念模型和深入的讨论。与此同时,在石化、能源、制药、离散制造等设备运营上,同样有着广泛的应用前景,值得关注。

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