国外电子产品PHM技术主要研发方法与面临的挑战

国外电子产品PHM技术主要研发方法与面临的挑战作者：中国航空工业发展研究中心航空技术所于晓伟张宝珍进入21世纪以来，故障预测与健康管理（PHM）技术作为实现武器装备基于状态的维修（CBM）、自主式保障、感知与响应后勤等新思想、新方案的关键技术，受到美英等军事强国的高度重视和推广应用。如今，PHM系统正在成为新一代的飞机、舰船和车辆等系统设计和使用中的一个重要组成部分。它包括两层含义，一是故障预测，即预先诊断部件或系统完成其功能的状态，确定部件正常工作的时间长度；二是健康管理，即根据诊断/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。实际上，PHM技术现已广泛应用于机械结构产品中，比如核电站设备、制动装置、发动机、传动装置等。而将PHM技术应用于电子产品则是近年来国外科技研发的重要发展趋势之一。目前国外对电子产品PHM技术的研发主要集中于军用电子产品，重点包括两部分内容：一是产品寿命周期原位监测中的传感系统与传感技术，二是残余寿命预测的故障诊断模型与算法。前者集中于开发无线微型传感器，以取代尺寸较大且需要有线传输数据的传统传感器。后者致力于探索各种不同类型的诊断模型与算法，为军用电子产品故障预测能力提供理论基础。一、国外电子产品PHM技术的主要研发方法国外参与PHM相关技术研发的单位非常广泛，如美国国防部和三军的有关机构；NASA；波音、洛克希德·马丁、格鲁门、ARINC、霍尼韦尔、罗克韦尔、雷神、通用电气、普惠、BAE系统公司、史密斯航宇公司、古德里奇公司和泰瑞达公司等跨国公司；康涅狄格大学、田纳西大学、华盛顿大学、加州工学院、麻省理工学院、佐治亚理工学院、斯坦福大学、马里兰大学等著名院校；智能自动化公司、Impact技术公司、质量技术系统公司（QSI）、Giordano自动化公司等软件公司；荷兰PHM联盟（DPC）、Sandia国家实验室（SNL）、美国国防工业协会（NDIA）系统工程委员会、美联合大学综合诊断研究中心、美测试与诊断联盟（TDC）等协会和联盟。其中，研发电子产品PHM技术的单位首推马里兰CALCE电子产品和系统中心，其水平处于世界领先地位。目前国外采用的电子产品故障预测方法可以归纳为以下三类。1、通过监测失效征兆来预测故障对失效征兆的监测是通过将传感器嵌入到电子产品中以搜集和分析与故障密切相关的参数（比如性能参数）来实现的。由于电子产品的失效机理千差万别，所以其失效征兆也多种多样。而对于同一种失效模式，也可能有多个征兆与之对应。比如，利用关键参数的变化来预测故障，利用焊接件焊点的电阻变化来预测电子产品的残余寿命，利用动态功耗来预测电路故障等都属于这一类方法。目前，该方法已在国外各机构中得到广泛采用。例如，美国海军的海军水面作战中心及海军空中系统司令部对从装备获取的传感器数据进行比较，建立工程性能基准，来评价实际性能是否超出限制范围；北卡罗来纳大学使用数据挖掘方法鉴定正常状态与异常状态的差别，从而预测故障。2、通过设置预警电路（CanaryDevices）来预测故障这种方法是通过在电子产品中设置预警电路来诊断与预测故障。预警电路比起电子产品正常使用的电路来具有更高的失效率。它通过减少预警电路的线路直径来增加其电流密度，而随着电流密度的增加，预警电路产生的热量也比正常使用电路产生的热量大，继而导致热应力增加。随着时间的推移，应力增加到一定程度便使预警电路先于电子产品发生失效，从而提供故障的早期预警。比如，在低周疲劳连接件和腐蚀件中设置预警电路评估失效机理，利用故障预测芯片来监测晶体管的时间相关绝缘击穿（TDDB）等都属于这类方法。目前国外的研发机构也在不同程度地运用这一方法。例如，罗克韦尔公司对于具有低循环疲劳特性的焊接件和腐蚀件，利用宿驻到产品中的预警电路进行故障早期诊断；Ridgetop集团对电子产品的主机电路设置预警电路来提供故障预测等。3、通过建立累积损伤模型来预测故障建立累积损伤模型就是基于物理失效和原位监测对电子产品实际的寿命周期载荷进行搜集与分析，来评估产品的退化趋势。寿命周期载荷是指产品寿命期内所承受的全部外部载荷条件。电子产品寿命周期中的典型阶段包括制造、储存、处理、运行和非运行等。在整个寿命周期中，导致电子产品破坏的载荷类型有多种，包括温度、湿度、振动、冲击、太阳能辐射、电磁辐射、压力、化学、沙尘等。为建立复合载荷累积损伤模型，需要在电子产品中嵌入一个或多个传感器来检测影响产品可靠性的外部载荷。例如寿命损耗监测（LCM）法即属于这类方法。目前国外的应用有：马里兰大学运用基于物理的损伤模型处理监测参数，监测寿命消耗，计算累积损伤，评估电子产品的残余寿命；Impact技术公司将传感器参数与基于物理的损伤模型相结合，对航电系统、GPS系统和动力系统进行寿命损耗监测。除上述三种方法外，国外研发机构也在努力探索使用新方法。比如，史密斯航宇集团在飞机和直升机子系统中综合利用奇异值分解、主成分分析和神经网络进行非线性多元分析和异常状况检测；美国国家航空航天局在航天飞机中使用故障检测算法（包括高斯混合模型、隐马尔可夫模型、卡尔曼滤波、虚拟传感器等）来检测产品异常状态；范德比尔特大学在航宇产品中使用前馈信号（泰勒级数展开）来预测故障。二、国外电子产品PHM技术发展面临的挑战虽然国外研发机构对军用电子产品PHM技术表现出浓厚兴趣，而且发展迅速，但就目前来看，电子产品PHM技术还远未成熟，至少在以下方面面临巨大挑战。1、残余使用寿命预测中的不确定性在进行电子产品的故障预测时，为增加预测的准确性，需要进行不确定性分析。但不确定性分析面临多方挑战。首先表现在难于鉴定不确定性的来源。不确定性的来源有多种，包括仪器不确定性、参数不确定性、失效评价标准不确定性、未来使用的不确定性。难于搜集所有的信息做出正确的判断。其次，缺乏定量评估不确定性的模型。尽管已经研发出了基于物理的损伤模型的不确定性评估方法，但数据驱动方法目前尚为空白，而且不确定性分析领域研究力度不够。不确定性评估第三个挑战是，当不确定性范围很大时，难于做出正确的维修决策。例如，最终的预测结果是，产品将在10到100个小时内失效，那么如何制定维修计划呢？一个可能的解决方案是确定即时点（JIT）来优化预测。国外专家建议选择5%的风险失效概率点作为JIT点。该点的选择主要是基于对风险和维修费用进行的权衡。减少不确定性的根本方法是限制产生不确定性的根源，或者说不确定性的来源。例如，增强传感器测量、改善制造程序、优化损伤模型都是减少残余寿命周期预测中的不确定性的有效方法。2、间歇失效的预测间歇失效指的是不能鉴定的失效，未来不能复现的失效，或者是特殊的失效模式和失效机理。在航电产品中所有故障的40%到85%属于不能复现的故障（CND），占到维修费用的90%以上。发生间歇失效的原因之一是电子产品在测试过程中持续时间不充分，导致不合格的产品流入应用领域。间歇失效另一个经常发生的原因是载信号连接器连接点存在腐蚀问题。目前，现有的基于物理的损伤模型不能有效预测间歇失效。需要对此进行进一步研究，研发新的基于物理的损伤模型用于间歇失效的预测。3、电子产品寿命周期数据的原位监测电子产品原位监测的第一个挑战是确定有效提供故障预测的寿命周期参数。电子产品常常拥有大量元件，而且每一个元件可能具有多个可测量的性能参数。因此，具有大量潜在的失效源。并且，在电子产品中，不同元件之间具有非常复杂的性能相关性。这就导致难于在元件层次上监测电子产品性能。第二个挑战来自于传感技术的局限性。在故障预测与健康管理中，需要连续监测寿命周期载荷，确保不错过关键数据。为实现连续监测能力，传感系统或者将搜集的数据实时传递给地面站，或者将大量数据存储到容量足够大的机载存贮器中。如果机载存储能力不够，数据简化算法可用来处理数据规模。但是，这将消耗大量功率，而且极大地减少传感系统的电池寿命。第三个挑战是在电路板中安装传感系统的空间有限。对于新的电子产品，故障预测策略可以在设计初期进行考虑，以便在电路板中留出空间安装传感系统。然而，对于传统电子产品，传感器的安装就是一个挑战。许多情况下，电子板的空间小于传感器尺寸。而且，安装到电子产品中的传感器是否对产品的原有性能构成影响，也不十分清楚。4、对PHM技术投资回报率的评估评估电子产品PHM技术投资回报率的挑战之一是，难于提供一个商业案例来展示PHM技术对于电子产品的有益性。部分原因是电子产品PHM技术研发不够成熟。尽管最近在基础PHM技术与方法上取得了巨大进步，但是将科学研发转化为实际应用的案例还不多见。挑战之二是难于量化PHM技术带来的利益。在评估和鉴定投资回报率时，需要用到一些度量标准。例如，在评估电子产品PHM技术带来的利益上，度量标准可能包括减少维修行为的人工小时数，减少维修行为的成本费用、延长的寿命周期、避免的系统失效次数等。PHM度量基准应该准确地显示PHM技术在电子产品全寿命周期中进行故障预测时的消极的和积极的影响。最后，需要对PHM技术执行成本与PHM技术成本规避进行权衡，目的是确定投资回报率。PHM技术的执行成本包括研发成本（如硬件、软件以及集成）、产品制造重复性成本（如硬件、测试和安装）、基础设施成本（如文件编制、后勤/维修文化的培训与改革）、持续保障成本（如数据搜集、数据归档、PHM结构的后勤规模、故障确定费用）等。PHM技术的成本规避包括：失效避免（如，使非计划维修最小化、提高可用性、减少系统故障风险、提高安全性）、残余寿命的损失降到最小、系统后勤规模的减小（如，优化备件管理、外部测试设备降到最少）、减少修理成本（如，改善故障隔离、在修理期间减少间接失效）等。5、确定系统性能的门限值电子产品中包含大量高度交互且相互影响的元件。一个性能参数上的微小变化，可能会导致其它参数的变化，因此对每一个参数设置固定的门限值将是困难的。在定义系统性能门限值方面，不考虑多重参数的交互作用将导致不正确的PHM决策，致使有问题的元件可能检测不出来。这就需要充分认识到研究元件相互作用的重要性。然而，不同类型的元件具有不同范围的技术规格，在环境与操作设置上也存在差异，这就导致研究它们的相互作用成为一个难题。而且，电子产品在它们的寿命周期内，可能遭遇不同的环境与操作条件。在不同的使用场景下，设置一个门限值可能不足以体现系统参数的可变性。因此，建立正常系统性能的基线对于电子产品来说将是困难的。为在故障预测中定义使用门限值，在不同环境和使用条件下，认识清楚每一个元件的性能和寿命周期剖面将变得非常重要。然而，对每个元件，却难于孤立地模拟所有场景，以确定其最终使用寿命。在不同环境条件下，系统和使用的复杂性说明了在故障预测中定义门限值是困难的。6、建立电子产品的基于物理的损伤模型产品失效是由于物理、电、化学、机械应力综合作用导致的结果。确定失效机理除了选用合适可用的失效模式外，还要结合潜在的失效模式与失效原因进行分析。失效机理分为过应力机理和磨损机理两种典型形式。过应力失效机理用于单一载荷（应力）引起的失效；磨损机理用于多种应力条件引起的失效。使用基于物理失效的方法进行可靠性评估的挑战之一是，该模型在对系统失效时间进行定量分析时，存在可用性和精确性问题。同时，在单应力失效条件下，不能使用多重应力失效模型；在多应力条件下，不能使用单应力模型。如果没有失效模型可用，监测参数的选择只能基于过去的现场失效数据或者通过加速试验得来的经验模型。7、PHM技术与传统电子产品的集成在电子产品中实施PHM技术的其中一个挑战是将该技术集成到传统电子产品中。传统的电子产品，尽管经常表现为竞争力差而且与现代产品的兼容性差，但由于其替代产品没有研发出来，所以仍在使用。在传统的电子产品中，比如老龄飞机的航电系统，失效模式与失效机理往往不清楚。另外，缺乏传统系统的应用专家，致使PHM算法中的故障预测建模不成熟和不充分。将PHM技术集成到传统系统中的另外一个挑战是，难于用兼容方式综合各种技术。PHM系统包括传感器、电子设备、计算机和软件，大部分是商业货架产品（COTS）。这些商业货架产品常常对操作