國外電子產品PHM技術主要研發(fā)方法與面臨的挑戰(zhàn)

1、.：.；國外電子產品PHM技術主要研發(fā)方法與面臨的挑戰(zhàn)中國航空工業(yè)開展研討中心航空技術所 于曉偉 張寶珍 進入21世紀以來，缺點預測與安康管理PHM技術作為實現武器配備基于形狀的維修CBM、自主式保證、感知與呼應后勤等新思想、新方案的關鍵技術，遭到美英等軍事強國的高度注重和推行運用。如今，PHM系統(tǒng)正在成為新一代的飛機、艦船和車輛等系統(tǒng)設計和運用中的一個重要組成部分。它包括兩層含義，一是缺點預測，即預先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的形狀，確定部件正常任務的時間長度；二是安康管理，即根據診斷/預測信息、可用資源和運用需求對維修活動做出適當決策的才干。實踐上，PHM技術現已廣泛運用于機械構造產品中，比

2、如核電站設備、制動安裝、發(fā)動機、傳動安裝等。而將PHM技術運用于電子產品那么是近年來國外科技研發(fā)的重要開展趨勢之一。目前國外對電子產品PHM技術的研發(fā)主要集中于軍用電子產品，重點包括兩部分內容：一是產品壽命周期原位監(jiān)測中的傳感系統(tǒng)與傳感技術，二是剩余壽命預測的缺點診斷模型與算法。前者集中于開發(fā)無線微型傳感器，以取代尺寸較大且需求有線傳輸數據的傳統(tǒng)傳感器。后者努力于探求各種不同類型的診斷模型與算法，為軍用電子產品缺點預測才干提供實際根底。一、國外電子產品PHM技術的主要研發(fā)方法國外參與PHM相關技術研發(fā)的單位非常廣泛，如美國國防部和三軍的有關機構；NASA；波音、洛克希德馬丁、格魯門、ARINC

3、、霍尼韋爾、羅克韋爾、雷神、通用電氣、普惠、BAE系統(tǒng)公司、史密斯航宇公司、古德里奇公司和泰瑞達公司等跨國公司；康涅狄格大學、田納西大學、華盛頓大學、加州工學院、麻省理工學院、佐治亞理工學院、斯坦福大學、馬里蘭大學等著名院校；智能自動化公司、Impact技術公司、質量技術系統(tǒng)公司QSI、Giordano自動化公司等軟件公司；荷蘭PHM聯(lián)盟DPC、Sandia國家實驗室SNL、美國國防工業(yè)協(xié)會NDIA系統(tǒng)工程委員會、美結合大學綜合診斷研討中心、美測試與診斷聯(lián)盟TDC等協(xié)會和聯(lián)盟。其中，研發(fā)電子產品PHM技術的單位首推馬里蘭CALCE電子產品和系統(tǒng)中心，其程度處于世界領先位置。目前國外采用的電子產

4、品缺點預測方法可以歸納為以下三類。 1、 經過監(jiān)測失效征兆來預測缺點對失效征兆的監(jiān)測是經過將傳感器嵌入到電子產品中以搜集和分析與缺點親密相關的參數比如性能參數來實現的。由于電子產品的失效機理千差萬別，所以其失效征兆也多種多樣。而對于同一種失效方式，也能夠有多個征兆與之對應。比如，利用關鍵參數的變化來預測缺點，利用焊接件焊點的電阻變化來預測電子產品的剩余壽命，利用動態(tài)功耗來預測電路缺點等都屬于這一類方法。目前，該方法已在國外各機構中得到廣泛采用。例如，美國海軍的海軍水面作戰(zhàn)中心及海軍空中系統(tǒng)司令部對從配備獲取的傳感器數據進展比較，建立工程性能基準，來評價實踐性能能否超出限制范圍；北卡羅來納大學運

5、用數據發(fā)掘方法鑒定正常形狀與異常形狀的差別，從而預測缺點。 2、 經過設置預警電路Canary Devices來預測缺點這種方法是經過在電子產品中設置預警電路來診斷與預測缺點。預警電路比起電子產品正常運用的電路來具有更高的失效率。它經過減少預警電路的線路直徑來添加其電流密度，而隨著電流密度的添加，預警電路產生的熱量也比正常運用電路產生的熱量大，繼而導致熱應力添加。隨著時間的推移，應力添加到一定程度便使預警電路先于電子產品發(fā)生失效，從而提供缺點的早期預警。比如，在低周疲勞銜接件和腐蝕件中設置預警電路評價失效機理，利用缺點預測芯片來監(jiān)測晶體管的時間相關絕緣擊穿TDDB等都屬于這類方法。目前國外的研

6、發(fā)機構也在不同程度地運用這一方法。例如，羅克韋爾公司對于具有低循環(huán)疲勞特性的焊接件和腐蝕件，利用宿駐到產品中的預警電路進展缺點早期診斷；Ridgetop 集團對電子產品的主機電路設置預警電路來提供缺點預測等。 3、 經過建立累積損傷模型來預測缺點建立累積損傷模型就是基于物理失效和原位監(jiān)測對電子產品實踐的壽命周期載荷進展搜集與分析，來評價產品的退化趨勢。壽命周期載荷是指產品壽命期內所接受的全部外部載荷條件。電子產品壽命周期中的典型階段包括制造、儲存、處置、運轉和非運轉等。在整個壽命周期中，導致電子產品破壞的載荷類型有多種，包括溫度、濕度、振動、沖擊、太陽能輻射、電磁輻射、壓力、化學、沙塵等。為建

7、立復合載荷累積損傷模型，需求在電子產品中嵌入一個或多個傳感器來檢測影響產品可靠性的外部載荷。例如壽命損耗監(jiān)測LCM法即屬于這類方法。目前國外的運用有：馬里蘭大學運用基于物理的損傷模型處置監(jiān)測參數，監(jiān)測壽命耗費，計算累積損傷，評價電子產品的剩余壽命；Impact 技術公司將傳感器參數與基于物理的損傷模型相結合，對航電系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和動力系統(tǒng)進展壽命損耗監(jiān)測。除上述三種方法外，國外研發(fā)機構也在努力探求運用新方法。比如，史密斯航宇集團在飛機和直升機子系統(tǒng)中綜合利用奇特值分解、主成分分析和神經網絡進展非線性多元分析和異常情況檢測；美國國家航空航天局在航天飛機中運用缺點檢測算法包括高斯混合模型、隱馬爾

8、可夫模型、卡爾曼濾波、虛擬傳感器等來檢測產品異常形狀；范德比爾特大學在航宇產品中運用前饋信號泰勒級數展開來預測缺點。二、國外電子產品PHM技術開展面臨的挑戰(zhàn)雖然國外研發(fā)機構對軍用電子產品PHM技術表現出濃重興趣，而且開展迅速，但就目前來看，電子產品PHM技術還遠未成熟，至少在以下方面面臨宏大挑戰(zhàn)。 1、 剩余運用壽命預測中的不確定性在進展電子產品的缺點預測時，為添加預測的準確性，需求進展不確定性分析。但不確定性分析面臨多方挑戰(zhàn)。首先表如今難于鑒定不確定性的來源。不確定性的來源有多種，包括儀器不確定性、參數不確定性、失效評價規(guī)范不確定性、未來運用的不確定性。難于搜集一切的信息做出正確的判別。其次

9、，缺乏定量評價不確定性的模型。雖然曾經研發(fā)出了基于物理的損傷模型的不確定性評價方法，但數據驅動方法目前尚為空白，而且不確定性分析領域研討力度不夠。不確定性評價第三個挑戰(zhàn)是，當不確定性范圍很大時，難于做出正確的維修決策。例如，最終的預測結果是，產品將在10到100個小時內失效，那么如何制定維修方案呢？一個能夠的處理方案是確定即時點JIT來優(yōu)化預測。國外專家建議選擇5%的風險失效概率點作為JIT點。該點的選擇主要是基于對風險和維修費用進展的權衡。減少不確定性的根本方法是限制產生不確定性的根源，或者說不確定性的來源。例如，加強傳感器丈量、改善制造程序、優(yōu)化損傷模型都是減少剩余壽命周期預測中的不確定性

10、的有效方法。 2、 間歇失效的預測間歇失效指的是不能鑒定的失效，未來不能復現的失效，或者是特殊的失效方式和失效機理。在航電產品中一切缺點的40%到85%屬于不能復現的缺點CND，占到維修費用的90%以上。發(fā)生間歇失效的緣由之一是電子產品在測試過程中繼續(xù)時間不充分，導致不合格的產品流入運用領域。間歇失效另一個經常發(fā)生的緣由是載信號銜接器銜接點存在腐蝕問題。目前，現有的基于物理的損傷模型不能有效預測間歇失效。需求對此進展進一步研討，研發(fā)新的基于物理的損傷模型用于間歇失效的預測。 3、 電子產品壽命周期數據的原位監(jiān)測 電子產品原位監(jiān)測的第一個挑戰(zhàn)是確定有效提供缺點預測的壽命周期參數。電子產品經常擁有

11、大量元件，而且每一個元件能夠具有多個可丈量的性能參數。因此，具有大量潛在的失效源。并且，在電子產品中，不同元件之間具有非常復雜的性能相關性。這就導致難于在元件層次上監(jiān)測電子產品性能。第二個挑戰(zhàn)于傳感技術的局限性。在缺點預測與安康管理中，需求延續(xù)監(jiān)測壽命周期載荷，確保不錯過關鍵數據。為實現延續(xù)監(jiān)測才干，傳感系統(tǒng)或者將搜集的數據實時傳送給地面站，或者將大量數據存儲到容量足夠大的機載存貯器中。假設機載存儲才干不夠，數據簡化算法可用來處置數據規(guī)模。但是，這將耗費大量功率，而且極大地減少傳感系統(tǒng)的電池壽命。第三個挑戰(zhàn)是在電路板中安裝傳感系統(tǒng)的空間有限。對于新的電子產品，缺點預測戰(zhàn)略可以在設計初期進展思索

12、，以便在電路板中留出空間安裝傳感系統(tǒng)。然而，對于傳統(tǒng)電子產品，傳感器的安裝就是一個挑戰(zhàn)。許多情況下，電子板的空間小于傳感器尺寸。而且，安裝到電子產品中的傳感器能否對產品的原有性能構成影響，也不非常清楚。 4、 對PHM技術投資報答率的評價評價電子產品PHM技術投資報答率的挑戰(zhàn)之一是，難于提供一個商業(yè)案例來展現PHM技術對于電子產品的有益性。部分緣由是電子產品PHM技術研發(fā)不夠成熟。雖然最近在根底PHM技術與方法上獲得了宏大提高，但是將科學研發(fā)轉化為實踐運用的案例還不多見。挑戰(zhàn)之二是難于量化PHM技術帶來的利益。在評價和鑒定投資報答率時，需求用到一些度量規(guī)范。例如，在評價電子產品PHM技術帶來的

13、利益上，度量規(guī)范能夠包括減少維修行為的人工小時數，減少維修行為的本錢費用、延伸的壽命周期、防止的系統(tǒng)失效次數等。PHM度量基準應該準確地顯示PHM技術在電子產品全壽命周期中進展缺點預測時的消極的和積極的影響。最后，需求對PHM技術執(zhí)行本錢與PHM技術本錢躲避進展權衡，目的是確定投資報答率。PHM技術的執(zhí)行本錢包括研發(fā)本錢如硬件、軟件以及集成、產品制造反復性本錢如硬件、測試和安裝、根底設備本錢如文件編制、后勤/維修文化的培訓與改革、繼續(xù)保證本錢如數據搜集、數據歸檔、PHM構造的后勤規(guī)模、缺點確定費用等。PHM技術的本錢躲避包括：失效防止如，使非方案維修最小化、提高可用性、減少系統(tǒng)缺點風險、提高平

14、安性、剩余壽命的損失降到最小、系統(tǒng)后勤規(guī)模的減小如，優(yōu)化備件管理、外部測試設備降到最少、減少修繕本錢如，改善缺點隔離、在修繕期間減少間接失效等。 5、 確定系統(tǒng)性能的門限值電子產品中包含大量高度交互且相互影響的元件。一個性能參數上的微小變化，能夠會導致其它參數的變化，因此對每一個參數設置固定的門限值將是困難的。在定義系統(tǒng)性能門限值方面，不思索多重參數的交互作用將導致不正確的PHM決策，致使有問題的元件能夠檢測不出來。這就需求充分認識到研討元件相互作用的重要性。然而，不同類型的元件具有不同范圍的技術規(guī)格，在環(huán)境與操作設置上也存在差別，這就導致研討它們的相互作用成為一個難題。而且，電子產品在它們的

15、壽命周期內，能夠遭遇不同的環(huán)境與操作條件。在不同的運用場景下，設置一個門限值能夠缺乏以表達系統(tǒng)參數的可變性。因此，建立正常系統(tǒng)性能的基線對于電子產品來說將是困難的。為在缺點預測中定義運用門限值，在不同環(huán)境和運用條件下，認識清楚每一個元件的性能和壽命周期剖面將變得非常重要。然而，對每個元件，卻難于孤立地模擬一切場景，以確定其最終運用壽命。在不同環(huán)境條件下，系統(tǒng)和運用的復雜性闡明了在缺點預測中定義門限值是困難的。 6、 建立電子產品的基于物理的損傷模型產品失效是由于物理、電、化學、機械應力綜協(xié)作用導致的結果。確定失效機理除了選用適宜可用的失效方式外，還要結合潛在的失效方式與失效緣由進展分析。失效機

16、理分為過應力機理和磨損機理兩種典型方式。過應力失效機理用于單一載荷應力引起的失效；磨損機理用于多種應力條件引起的失效。運用基于物理失效的方法進展可靠性評價的挑戰(zhàn)之一是，該模型在對系統(tǒng)失效時間進展定量分析時，存在可用性和準確性問題。同時，在單應力失效條件下，不能運用多重應力失效模型；在多應力條件下，不能運用單應力模型。假設沒有失效模型可用，監(jiān)測參數的選擇只能基于過去的現場失效數據或者經過加速實驗得來的閱歷模型。 7、 PHM技術與傳統(tǒng)電子產品的集成在電子產品中實施PHM技術的其中一個挑戰(zhàn)是將該技術集成到傳統(tǒng)電子產品中。傳統(tǒng)的電子產品，雖然經常表現為競爭力差而且與現代產品的兼容性差，但由于其替代產

17、品沒有研發(fā)出來，所以仍在運用。在傳統(tǒng)的電子產品中，比如老齡飛機的航電系統(tǒng)，失效方式與失效機理往往不清楚。另外，缺乏傳統(tǒng)系統(tǒng)的運用專家，致使PHM算法中的缺點預測建模不成熟和不充分。將PHM技術集成到傳統(tǒng)系統(tǒng)中的另外一個挑戰(zhàn)是，難于用兼容方式綜合各種技術。PHM系統(tǒng)包括傳感器、電子設備、計算機和軟件，大部分是商業(yè)貨架產品COTS。這些商業(yè)貨架產品經常對操作環(huán)境、輸入參數和運用條件具有特殊要求。一個PHM系統(tǒng)在綜合到電子產品中時，需求首先抑制與它本人子系統(tǒng)的集成妨礙。三、國外電子產品PHM技術開展前景美國國防工業(yè)協(xié)會NDIA2006年4月13日公布了NDIA電子產品預測技術任務組最終報告草案。該報

18、告針對電子產品PHM技術研發(fā)現狀與問題確定了四個領域的開發(fā)需求。這四項需求分別是：1工具-預測系統(tǒng)設計工具、技術評價工具、實施的經濟性分析工具以及維修過程集成工具等。2電子預測技術-任務環(huán)境傳感器、器件操作體制傳感器、軟件預測等。3模型-失效物理、設計驗證、維修過程評價、環(huán)境影響、電子預測對系統(tǒng)級功能性能的影響等。4硬件-用于任務環(huán)境和事件的檢測與記錄的硬件，以處理有用壽命的損失丈量。PC板電子預測信號感應、電纜和互聯(lián)缺點檢測用的納米傳感器。最終報告草案最后給出了電子產品預測技術實施道路圖方案，即從上述詳細開發(fā)需求出發(fā)，在四個根身手域工具、預測技術、模型和硬件實施大量廣泛的科研工程。這些電子預測開發(fā)工程時間范圍從2年到5年不等，研發(fā)內容從根本的科學技術任務到最終的驗證與確認。工程每個階段預期繼續(xù)18-24個月。預備進展驗證與確認的技術取該時間范圍的下限，而處于科技開發(fā)程度的