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    PHM系统架构设计技术(一)

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    • PHM系统结构是指PHM系统的基本组织,表现为PHM系统的组件与组件之间的相互关系、组件与环境之间的相互关系以及设计和进化的原理,它描述PHM系统结构的实体及其特性,决定PHM系统体系结构组成部分之间的关系。

      PHM系统的结构形式取决于装备的组织结构和功能关系,从信息处理方式的角度,PHM的体系结构归结为3种类型,即集中式体系结构、分布式体系结构和分层融合式体系结构。

      PHM系统架构设计技术(一)

      一、集中式体系结构

      集中式体系结构是指PHM系统信息处理的核心是一个集信息收集、信息变换、信息处理、信息解释、信息应用于一体的中央故障管理控制器或处理器,如图1所示。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图1

      集中式结构PHM系统的工作过程,接受装备各模块、部件的监测传感器信息,中央故障管理控制器对接收到的监测信息进行格式转换和融合处理,利用故障模型进行各部件的健康状态评估和故障预测,最后给出维修决策。

      集中式结构PHM系统的特点是系统结构简单,信息传递过程清晰,中央故障管理控制器的功能强大,但系统的执行效率低,一般只能用于小型简单系统。

      二、分布式体系结构

      分布式体系结构是指装备的各子系统独立完成状态监测、故障检测和故障隔离等任务,并将各子系统级的健康状态信息直接传递给综合显示控制系统,如图2所示。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图2

      分布式结构PHM系统的工作过程,各子系统故障管理控制器接收相应各模块、部件的监测传感器信息,子系统故障管理控制器对接收到的监测信息进行格式变换和融合处理,利用故障模型进行各部件的健康评估和故障预测,通过综合来得到子系统的健康状态并给出维修建议。

      分布系体系结构特点:由于在子系统级上实现健康状态信息的获取、处理、再生与决策,没有高级别的健康状态信息处理,因此可有效降低系统级别的测试费用,而且有有效提高子系统故障管理控制器的执行效率。但由于各子系统的测试结果没有有效集成,无法有效利用健康状态信息之间的冗余信息,系统级诊断和预测的可信度相对较低。

      三、分层融合式体系结构

      分层融合式体系结构是指对集中式和分布式体系结构的一种综合,其兼有集中式和分布式体系结构的优点,在设计时对每个子系统在可能的低级别考虑能力和集成融合问题,即在低层次上,各子系统收集,解释用于本子系统状态评估的所有信号,然后在高层次上将诊断预测结果集中交由综合故障管理控制器进行记录和决策,如图3所示。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图3

      分层融合式结构系统工作过程:各子系统故障管理控制器接收相应各模块、部件的监测传感器信息、子系统故障管理控制器对接收到的监测信息进行格式变换和融合处理,在模型库和数据库的支持下进行部件和子系统的健康评估和故障预测,然后将子系统的健康状态信息传送给综合故障管理控制器进行综合处理,最终形成维修决策信息。

      分层融合式结构系统特点:由于采用分层次进行融合,系统的逻辑结构清晰,能够在各层更加全面地利用冗余信息,从而能有效降低系统的虚警概率,因此,特别适用于结构复杂、产品约定层次多的系统。

      四、几种典型的PHM系统结构

      1.航空装备PHM系统体系结构

      以F35为典型的JSF飞机的PHM系统采用分层智能推理结构,综合多个设计层次上的多种类型的推理软件,便于从部件级到整个系统级综合应用故障诊断和预测技术。JSF飞机的PHM系统是由机载PHM系统和地面PHM系统构成的一体化系统。如图4所示。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图4

      2.航天装备PHM系统体系结构

      航天器PHM系统是由航天器PHM系统和地面飞控中心PHM系统组成的天地一体化系统。其结构如图5所示。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图5

      航天器机载PHM系统与机载任务管理软件系统运行在同一台计算机上,以减少载荷重量和电源消耗,其结构形式如图6所示。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图6

      航天器地面PHM系统主要为航天器任务发射和在轨运行提供地面故障预测与健康管理功能,它由发射管理控制和监视系统、地面飞控中心PHM系统构成,其结构形式如图7所示。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图7

      3.地空导弹装备PHM系统体系结构

      地空导弹装备PHM 采用分层融合式体系结构,如图8所示。主要由模块级、子系统级、分系统级和系统级4个层次的PHM系统构成,各个层次的PHM系统分别完成相应层的健康状态评估,各层次间通过独立的,标准的接口进行连接。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图8

      4.舰船装备PHM系统体系结构

      舰船装备PHM系统结构形式如图9所示,主要由四部分组成,1)动力装置监控系统,包括振动噪声监控系统、滑油状态监控系统、电机绕组监控系统、无损检测监控系统等。2)电子装备监控系统,包括机内测试监控系统,电子射频监控系统。3)维修工作站,包括诊断与管理分系统,数据存储记录设备,控制显示终端以及数据传输链的接口等。4)系统相关软件。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图9

      5.雷达装备PHM 系统的体系结构

      雷达装备的PHM系统采用开放式总线体系的分层推理结构,如图10所示。PHM系统分为三层,最底层是分布在雷达各分系统中的硬件监测设备或BITE,中间层是PHM处理中心,顶层是管理层,包括雷达维修保障管理平台及后方维修保障机构。

      PHM系统架构设计技术(一)

      图10

      本文根据周林、赵杰等编著的装备故障预测与健康管理技术改编 本文转自: 可靠性杂坛

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