電子產(chǎn)品健康監(jiān)控和故障預(yù)測技術(shù)分析

重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司 吳賢亮

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電子產(chǎn)品健康監(jiān)控和故障預(yù)測技術(shù)分析

重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司 吳賢亮

【摘要】本文分析了當(dāng)前PHM系統(tǒng)運(yùn)用的主要的技術(shù)，如健康監(jiān)控和故障預(yù)測技術(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)等，其為監(jiān)測電子產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測故障提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】電子產(chǎn)品；健康監(jiān)控；故障預(yù)測

0 引言

不同類型的故障預(yù)測與健康管理（prognostic and health management，PHM）系統(tǒng)被應(yīng)用在不同的行業(yè)（國防軍事、航空航天、工業(yè)），其主要的思想是相通的，但是最大的不同之處在于不同的行業(yè)采用的具體的方法與技術(shù)是不相同的。PHM系統(tǒng)共同的應(yīng)用技術(shù)、方法和設(shè)計(jì)思想是一種開放體系的綜合結(jié)構(gòu)（open system architecture for condition-based maintenance ， OSA- CBM ），其目的是為了對具體的PHM 系統(tǒng)進(jìn)行指導(dǎo)。

1 電子產(chǎn)品PHM體系結(jié)構(gòu)

由于OSA-CBM在電子監(jiān)控系統(tǒng)中具有代表性，所以，在創(chuàng)建電子產(chǎn)品 PHM 系統(tǒng)時(shí)，可以參考OSA-CBM系統(tǒng)。電子產(chǎn)品 PHM體系結(jié)構(gòu)由圖1所示。

圖1 電子產(chǎn)品 PHM系統(tǒng)

2 PHM系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)采集和傳感器應(yīng)用技術(shù)

當(dāng)繁瑣的系統(tǒng)要進(jìn)行PHM時(shí)，第一步應(yīng)該確定能夠直接表現(xiàn)健康/故障狀況的參數(shù)因素，或者是采用間接邏輯推理的方法判斷復(fù)雜系統(tǒng)健康/故障狀況所要求的參數(shù)信息，其為PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)的根本所在，并且PHM 系統(tǒng)的效果直接受到傳感器技術(shù)的應(yīng)用的影響。另一方面，需要進(jìn)行監(jiān)測的環(huán)境、性能以及工作參數(shù)是這部分技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)考慮的對象，以此來決定傳感器的信息（安裝的位置、帶寬和精度、類型等）。該部分往往偏重于應(yīng)用現(xiàn)有的成熟的技術(shù)，且經(jīng)濟(jì)性與適用性是應(yīng)用時(shí)需要特別留意的指標(biāo)。

就目前而言，可以使用的傳感器的類型多種多樣，如普通類型的傳感器就有：振動、沖擊和溫度傳感器等。除此之外，還有一部分特殊用途的傳感器，如：腐蝕、聲學(xué)發(fā)射、壓電、光纖傳感器等等。選用什么類型的傳感器可以由實(shí)際的情況來決定，往往可以參考對應(yīng)的使用要求以及工程實(shí)踐。由于測量技術(shù)和微電子技術(shù)飛速發(fā)展，各種先進(jìn)的傳感器技術(shù)（智能傳感器、微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical systems ， MEMS）、內(nèi)建傳感器等）被大量應(yīng)用在一些系統(tǒng)的研發(fā)過程中。以上這些具有精度等級高、適用的范圍廣、智能化等優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)的傳感器在PHM系統(tǒng)中得到廣泛的使用。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

因?yàn)椴煌臄?shù)據(jù)類型滿足不同的狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預(yù)測方法，所以必須對得到的一手?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行不同的預(yù)處理操作，使得預(yù)處理過后的數(shù)據(jù)符合后續(xù)處理的標(biāo)準(zhǔn)；與此同時(shí)，給數(shù)據(jù)的儲存以及傳輸帶來方便。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要有去除噪音、高通濾波、數(shù)據(jù)壓縮、信號自相關(guān)以及數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換等。

要使數(shù)據(jù)滿足不同的要求就必須采用不同的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方式，例如：當(dāng)識別和隔離故障時(shí)，就必須采取特征提取技術(shù)；當(dāng)去除多余的原始數(shù)據(jù)時(shí)，就必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，從而有利于數(shù)據(jù)的更深層次的處理；當(dāng)將連續(xù)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)據(jù)信息時(shí)，就必須采用循環(huán)計(jì)數(shù)的方法。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預(yù)測方法

從某種程度上來講，監(jiān)測、健康評估和故障預(yù)測都是一種推理過程，PHM系統(tǒng)的核心部分由它們組成。創(chuàng)建PHM系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該由系統(tǒng)的實(shí)際狀況運(yùn)用一種或者多種方法與技術(shù)?；诎咐⒁?guī)則以及模型等的邏輯推理算法與“閾值”判斷法都被稱作狀態(tài)監(jiān)測和健康評估法。預(yù)測故障的功能作為PHM系統(tǒng)最明顯的特征，可利用各種不同的數(shù)據(jù)信息（如目前的工作條件與環(huán)境、使用的情況、監(jiān)測的數(shù)據(jù)、歷史經(jīng)驗(yàn)以及以前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)等），以及在不同的推理技術(shù)（例如人工智能、物理模型和數(shù)學(xué)模型等）的幫助下，估計(jì)系統(tǒng)或者部件的使用期限和將來的健康狀態(tài)的過程。同時(shí)，基于人工智能（artificial intelligence ， A I）的預(yù)測、基于物理模型的預(yù)測以及基于特征統(tǒng)計(jì)/進(jìn)化趨勢的預(yù)測等也是PHM系統(tǒng)主要采用的故障預(yù)測算技術(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

利用傳感器采集的大量數(shù)據(jù)信息必須運(yùn)用一定的方式，才能夠?qū)⑵鋫魉徒oPHM系統(tǒng)的其它部分。無線與有線傳輸是當(dāng)今社會采用的兩種不同的數(shù)據(jù)的傳輸方式，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)如Ethernet LAN（local area network）、Internet和有線數(shù)據(jù)總線等傳輸數(shù)據(jù)的方式被稱為是有線數(shù)據(jù)傳輸。相對來講，有線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)目前發(fā)展較為完善，而且大部分能夠遵循網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如UDP /IP、TCP /IP）、通訊規(guī)則等。在蜂窩電話技術(shù)和射頻（radio frequency ， RF）特別是藍(lán)牙（Blue-tooth）技術(shù)的基礎(chǔ)上，在PHM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸越來越成為該領(lǐng)域內(nèi)研究的焦點(diǎn)。當(dāng)前，一系列的分布式放置的傳感器組件組成了無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通訊靠組件內(nèi)部的無線調(diào)制解調(diào)器來進(jìn)行，其中由采集數(shù)據(jù)的電路、執(zhí)行器、無線傳輸器、微處理器、參數(shù)傳感器和電池組等組成傳感器組件，使得傳感器組件自身就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理操作。

3 電子產(chǎn)品 PHM的具體方法

在實(shí)際應(yīng)用過程中，電子產(chǎn)品中的故障難于被檢測，是因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品的缺陷可能是微米尺寸或者是納米尺寸級別的。因此電子產(chǎn)品在進(jìn)行PHM時(shí)，通常采用監(jiān)測性能參數(shù)、預(yù)測故障模型的剩余壽命這兩類方法。

監(jiān)測性能參數(shù)：監(jiān)測可以表現(xiàn)電子產(chǎn)品健康或者故障狀況的性能參數(shù)（例如電壓、電阻、電流等），以達(dá)到對電子產(chǎn)品狀態(tài)的監(jiān)測目的；

預(yù)測故障模型的剩余壽命：在電子產(chǎn)品故障物理（physics of fail-ure， PoF） 模型已知的情況下，為了利用損傷累積模型評估電子產(chǎn)品剩余壽命，從而可以查看電子產(chǎn)品的工作情況，就應(yīng)該對電子產(chǎn)品的工作的條件（例如振動、溫度等）進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié)語

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，PHM系統(tǒng)得到了比較普遍的運(yùn)用，然而就目前來看，其工程實(shí)用化的程度還不夠，如只是檢測主要的部件與系統(tǒng)才會進(jìn)行PHM。而且，若不了解電子產(chǎn)品發(fā)生故障的原理，是僅僅能夠檢測故障的，而不能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)的故障進(jìn)行預(yù)測。因此，怎樣才可以精確地對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，決策出完整的修理方案等方面依舊需要我們?nèi)ヌ剿髋c研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

吳賢亮（1978－），男，湖南邵陽人，工程師。