伊梟劍：用技術(shù)讓裝備重獲新生

武光磊

伊梟劍

人需要做健康管理，那你聽(tīng)說(shuō)過(guò)給裝備做健康管理嗎？

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，航空、航天、船舶、兵器等各個(gè)領(lǐng)域系統(tǒng)的復(fù)雜性、綜合化、智能化程度不斷提高，其研制、生產(chǎn)尤其是維護(hù)和保障的成本也越來(lái)越高。因此，復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷和可靠性逐漸成為科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。基于復(fù)雜系統(tǒng)通用質(zhì)量特性和經(jīng)濟(jì)性考慮，以預(yù)測(cè)技術(shù)為核心的故障預(yù)測(cè)和健康管理PHM（Prognostics and Health Management）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

目前，PHM在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，但PHM技術(shù)在國(guó)內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)還是一個(gè)比較新穎的概念，研究起步較晚。北京理工大學(xué)特別副研究員伊梟劍正是國(guó)內(nèi)研究PHM的中堅(jiān)力量之一。在他看來(lái)，裝備的健康管理不僅是提高裝備維修決策科學(xué)性的重要依據(jù)，也是提高裝備全壽命管理效益的重要手段，更是提升部隊(duì)裝備保障能力和戰(zhàn)斗力的重要基礎(chǔ)。這值得他繼續(xù)為之奮斗下一個(gè)10年。

十年磨劍

伊梟劍從一開(kāi)始就認(rèn)準(zhǔn)了自己的研究興趣——兵器科學(xué)。2010年9月，他順利考入北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，攻讀博士學(xué)位，至此拉開(kāi)了他研究兵器科學(xué)的序幕。隨著研究的深入和科研能力的積累，他把目光鎖定在了裝備健康管理這一研究方向上，并邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐。

2015年，伊梟劍申請(qǐng)到了國(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)的聯(lián)合培養(yǎng)博士項(xiàng)目，前往加拿大渥太華大學(xué)學(xué)習(xí)一年。在國(guó)外，他親身感受到了國(guó)內(nèi)裝備可靠性研究與國(guó)外的差距?！皣?guó)外裝備可靠性研究起步比較早，我在加拿大的導(dǎo)師從1980年就開(kāi)始做這方面的研究了?！?/p>

20世紀(jì)70年代起，故障診斷、故障預(yù)測(cè)、基于狀態(tài)的維修、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控、健康管理等系統(tǒng)逐漸在工程項(xiàng)目中探索應(yīng)用。工程實(shí)踐表明，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，獲取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理等算法，根據(jù)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境因素，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合地面維修資源情況，給出維修決策，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的實(shí)情維修。

PHM的概念和技術(shù)很快出現(xiàn)在軍用裝備中，美國(guó)、英國(guó)、加拿大、荷蘭、新加坡、南非和以色列等國(guó)已將PHM技術(shù)應(yīng)用到直升機(jī)上，出現(xiàn)了被稱作“健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)”（HUMS）的集成應(yīng)用平臺(tái)。

面對(duì)與國(guó)外研究相差20年的差距，伊梟劍暗暗下定決心，要做中國(guó)自己的PHM技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，壯大國(guó)內(nèi)的PHM研究?！耙郧暗年P(guān)鍵問(wèn)題是裝備性能問(wèn)題，現(xiàn)在的關(guān)鍵問(wèn)題是裝備的可靠性問(wèn)題。”因此，當(dāng)中國(guó)裝備的整體性能達(dá)到世界先進(jìn)水平后，就需要考慮裝備健康管理和全壽命周期的問(wèn)題了。

“我可以說(shuō)是從學(xué)生時(shí)代專業(yè)和方向就沒(méi)有變過(guò)，一直在做裝備可靠性研究，多年來(lái)的科研鋪墊和技術(shù)儲(chǔ)備都是我現(xiàn)在工作方向的根基。”目前，伊梟劍正承擔(dān)某輪式裝甲車系列改進(jìn)健康管理系統(tǒng)的研制，這是我國(guó)裝甲裝備領(lǐng)域首套面向中型合成營(yíng)的健康管理系統(tǒng)?！霸谕七M(jìn)健康管理系統(tǒng)型號(hào)的過(guò)程當(dāng)中，我們需要給不同的部門去論證搭載健康管理系統(tǒng)的必要性。我記得一年就開(kāi)了50多次研討會(huì)，評(píng)審會(huì)幾乎每周都開(kāi)一次?！?/p>

在伊梟劍看來(lái)，美國(guó)目前在其軍事裝備中大力推廣PHM的技術(shù)應(yīng)用，并將其廣泛安裝到第三代軍事裝備上已近10年，如果中國(guó)還是要在下一代裝備上才去列裝PHM技術(shù)，那么彼此之間的差距只會(huì)越來(lái)越大。所以他大膽提出在目前的裝備上全面推進(jìn)健康管理系統(tǒng)，只要邁出了第一步，就能把差距一點(diǎn)一點(diǎn)縮小。

與國(guó)外博士導(dǎo)師B.S.Dhillon合影

主動(dòng)出擊

傳統(tǒng)的維修為什么會(huì)被淘汰，是因?yàn)槠湓谘b備出現(xiàn)了明顯劣化后才實(shí)施。而PHM則力求實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)測(cè)與決策，通過(guò)智能模型預(yù)測(cè)將要發(fā)生的故障并在故障發(fā)生前提供需要更換的零部件信息，以達(dá)到降低故障率和節(jié)省保障費(fèi)用的目的。簡(jiǎn)而言之，PHM是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)傳統(tǒng)使用的機(jī)內(nèi)測(cè)試（build-in test，BIT）和狀態(tài)（健康）監(jiān)控能力的進(jìn)一步擴(kuò)展，它是從狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變引入了對(duì)系統(tǒng)未來(lái)可靠性的預(yù)測(cè)能力，借助這種能力識(shí)別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和供應(yīng)保障，降低使用與保障費(fèi)用，提高裝備系統(tǒng)的安全性、完好性和任務(wù)成功性，以較少的維修投入，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修或視情維修（condition-based maintenance，CBM）和自主式保障。

當(dāng)今世界新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正在孕育興起，具有軍事應(yīng)用前景的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等戰(zhàn)略性新興技術(shù)的集中出現(xiàn)，將從根本上影響軍事領(lǐng)域。伊梟劍說(shuō)：“目前我們已經(jīng)開(kāi)始大范圍地進(jìn)行研究，PHM技術(shù)要成為未來(lái)裝備上必須搭載的技術(shù)?！?/p>

在PHM技術(shù)基礎(chǔ)科研方面，伊梟劍作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或技術(shù)負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后基金、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)防科工局技術(shù)基礎(chǔ)、國(guó)防科工局基礎(chǔ)科研和裝備發(fā)展部共性基礎(chǔ)等十余項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目；在PHM技術(shù)工程應(yīng)用方面，他作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或技術(shù)負(fù)責(zé)人主持論證了地面突擊、空降和無(wú)人裝備健康管理系統(tǒng)，并主持研制了某輪式裝甲車系列改進(jìn)健康管理系統(tǒng)。

光是在2017年一年，伊梟劍總共發(fā)表了15篇EI、SCI。但是面對(duì)如此豐碩的成果，他說(shuō)自己只是比別人更善于總結(jié)罷了。他說(shuō)：“我做的這些項(xiàng)目實(shí)際上都圍繞著一個(gè)主線來(lái)申請(qǐng)。盡管看起來(lái)似乎很多，但每個(gè)項(xiàng)目都有自己的特點(diǎn)，不同的關(guān)注點(diǎn)，最終每個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果可以串聯(lián)起來(lái)。”

對(duì)于技術(shù)的研究和應(yīng)用，伊梟劍也有自己的思考，比如像前沿的技術(shù)點(diǎn)，他會(huì)選擇用國(guó)家自然基金去申報(bào)；而專項(xiàng)的技術(shù)，則會(huì)申請(qǐng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目；如果技術(shù)成熟，已經(jīng)具備了一定的應(yīng)用條件，他會(huì)將相關(guān)技術(shù)推廣到型號(hào)裝備中。如此清晰有條理的安排，似乎也印證伊梟劍的科研之路一直走得很順利，所有的成果和進(jìn)步都來(lái)自基礎(chǔ)的積累。

不止十年

站在“十四五”的開(kāi)局之年，伊梟劍的心里也有著自己的目標(biāo)?！拔覀兿Ｍ凇奈濉陂g，將北京理工大學(xué)系統(tǒng)可靠性研究中心升級(jí)為產(chǎn)學(xué)研用的聯(lián)合體，打造一個(gè)為國(guó)家安全服務(wù)的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)?！?/p>

伊梟劍的下一步計(jì)劃，是在完成手上主持的項(xiàng)目的后續(xù)驗(yàn)收后，著手啟動(dòng)新項(xiàng)目，繼續(xù)圍繞PHM技術(shù)開(kāi)展實(shí)體系統(tǒng)的研究。“目前整個(gè)研制的周期很長(zhǎng)，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，我們了解到數(shù)字孿生的概念，希望將其應(yīng)用于研究?！?/p>

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。這種仿真過(guò)程對(duì)于伊梟劍的研究是非常適用的，如果能夠完美地映射出實(shí)體裝備的整個(gè)生命周期，則可以提高PHM技術(shù)在實(shí)際裝備上的應(yīng)用。

“北京理工大學(xué)的理念始終著眼于國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，既然國(guó)家在裝備領(lǐng)域確實(shí)需要我們進(jìn)行相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，那么我們就有責(zé)任承擔(dān)起相關(guān)的科研攻關(guān)工作?！北本├砉ご髮W(xué)的校訓(xùn)“德以明理、學(xué)以精工”在伊梟劍身上得到了印證，探索科學(xué)知識(shí)，掌握裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，解決國(guó)防問(wèn)題，這就是他在科學(xué)的世界里探索的初衷。不只是在下一個(gè)10年，而是在今后無(wú)數(shù)個(gè)10年中，直至實(shí)現(xiàn)為止。