1.2 系统故障诊断技术的发展趋势

1.2.1 故障预测与健康监测的技术内涵

具有现代性能的监测与诊断系统，必须是具有现代状态监测技术与现代分析诊断技术（二者紧密结合），能够达到满意的故障诊断效果及良好的确诊率的系统。

健康监测系统一般应具备如下功能：故障检测、故障隔离、故障诊断、故障预测、健康监测和寿命追踪。对于复杂装备和系统，健康监测应能实现不同层次、不同级别的综合诊断、故障预测和健康监测。目前应用较为成熟的健康监测技术体系是美军F-35飞机上机载智能实时监控系统和地面飞机综合管理的双层体系结构。多级系统实现信息综合并传给地面的联合分布式信息系统（Joint Distribution Information System，JDIS），从而对飞机安全性进行有效判断，实现技术状态管理和维护保障。

健康监测技术的迅速发展导致维修和保障模式从状态监控向状态管理转变，这一技术的实现将使原来由事件主宰的维修（事后维修）或时间相关的维修（定期维修）被基于状态的维修（视情维修，CBM）取代。健康监测是测试和维修诊断的一种革新方案，是一种全面故障检测、隔离、预测及健康监测技术。它的引入不是为了直接消除系统故障，而是为了了解和预报故障何时可能发生，或在出现始料未及的故障时触发一种简单的维修活动，从而实现自主式保障，降低使用和保障费用。健康监测代表了一种方法的转变，即从传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测，从反应式的通信转向先导式的3R（在准确的时间对准确的部位采取准确的维修活动）。健康监测能以较高的故障诊断能力和非常低的虚警率来确定部件完成其特定功能的能力（超出传统测试性和BIT的能力）。

健康退化曲线如图1-3所示。曲线1、曲线2、曲线3表示部件或系统的健康退化过程，由于损伤发展的随机性、载荷的不确定性及失效模式的多样性等原因，部件或系统使用寿命的分散度很大，采用定时维修，即基于使用寿命的统计学估计确定维修间隔τ，既不能有效避免部件突然失效（如图1-3中的曲线1）而造成的事故，还会因为替换了有很长剩余使用寿命的部件（如图1-3中的曲线3）而造成浪费，并增加了因例行检查和更换而造成的人为故障。但是部件或系统的状态（健康水平），将经历一个状态良好、（早期的）潜在故障（初步损伤）、故障发展和即将失效这样一个健康退化过程。这一过程从时变的角度可简化为图1-4，故障预测与健康监测（Prognostic and Health Management，PHM）的目标不仅仅在故障发生时（D点）进行诊断、隔离，更关注于在早期的潜在故障发生时（A点）预测损失演变过程，根据诊断/预测信息、可用资源和使用需求做出维修决策，实现健康监测。

图1-3 健康退化曲线

图1-4 故障预测与健康监测过程

根据以上分析，PHM系统应既涵盖传统的故障诊断与隔离等内容，又包括预测能力的描述，还包括支持状态管理能力的内容。因此，提出的PHM系统指标应分3类：故障诊断/隔离类指标、预测性指标和其他指标。

健康监测所具有的这种持续的状态监控与健康监测、故障诊断和预测、维修决策支持能力，能够实现在准确的时间对准确的部位采取准确的维修活动，可以提高设备使用效率，缩短维修和停工时间，节约维修费用，减少设备的事故率，是实现设备视情维修的重要手段。利用健康监测技术可以实现以下目标。

（1）提高系统的任务可靠性和安全性。

（2）减少维修人力、备件和修理费用。

（3）取消计划性检查。

（4）实现维修和零备件采购时机最佳化。

（5）自动替换故障元件为外场正常元件。

（6）消除不可重复性（Cannot Duplicates，CNDs）和重复测试（Retest OKs，RTOKs）。

（7）实时通报系统各级保障链即将发生的维修事件。

（8）在潜在的灾难性失效发生前及时捕获。

（9）检测初始故障并监测，直到失效前。

（10）适时维修缩短设备停机时间。

健康监测必须在系统制造之前进行设计，目的是使这种全新的概念获得最大的效益。在系统设计中，对保障性因素的权衡是一个复杂的问题。例如，提高系统的可靠性可以减少人力和零备件需求，从而降低保障费用；而更高的可靠性意味着更高的采购费用。引入健康监测不是为了直接消除故障，而是为了了解和预计故障何时发生，或在出现未料到的故障时触发一种简单的维修活动。