电子产品健康监控和故障预测技术分析

重庆前卫科技集团有限公司 吴贤亮



电子产品健康监控和故障预测技术分析

重庆前卫科技集团有限公司 吴贤亮

【摘要】本文分析了当前PHM系统运用的主要的技术，如健康监控和故障预测技术、数据预处理技术、数据的传输技术等，其为监测电子产品的运行状态并预测故障提供了依据。

【关键词】电子产品；健康监控；故障预测

0 引言

不同类型的故障预测与健康管理（prognostic and health management，PHM）系统被应用在不同的行业（国防军事、航空航天、工业），其主要的思想是相通的，但是最大的不同之处在于不同的行业采用的具体的方法与技术是不相同的。PHM系统共同的应用技术、方法和设计思想是一种开放体系的综合结构（open system architecture for condition-based maintenance ， OSA- CBM ），其目的是为了对具体的PHM 系统进行指导。

1 电子产品PHM体系结构

由于OSA-CBM在电子监控系统中具有代表性，所以，在创建电子产品 PHM 系统时，可以参考OSA-CBM系统。电子产品 PHM体系结构由图1所示。

图1 电子产品 PHM系统

2 PHM系统的应用技术和方法

2.1 数据采集和传感器应用技术

当繁琐的系统要进行PHM时，第一步应该确定能够直接表现健康/故障状况的参数因素，或者是采用间接逻辑推理的方法判断复杂系统健康/故障状况所要求的参数信息，其为PHM系统数据的根本所在，并且PHM 系统的效果直接受到传感器技术的应用的影响。另一方面，需要进行监测的环境、性能以及工作参数是这部分技术应用时需要重点考虑的对象，以此来决定传感器的信息（安装的位置、带宽和精度、类型等）。该部分往往偏重于应用现有的成熟的技术，且经济性与适用性是应用时需要特别留意的指标。

就目前而言，可以使用的传感器的类型多种多样，如普通类型的传感器就有：振动、冲击和温度传感器等。除此之外，还有一部分特殊用途的传感器，如：腐蚀、声学发射、压电、光纤传感器等等。选用什么类型的传感器可以由实际的情况来决定，往往可以参考对应的使用要求以及工程实践。由于测量技术和微电子技术飞速发展，各种先进的传感器技术（智能传感器、微电子机械系统（Micro-electro-mechanical systems ， MEMS）、内建传感器等）被大量应用在一些系统的研发过程中。以上这些具有精度等级高、适用的范围广、智能化等优点的先进的传感器在PHM系统中得到广泛的使用。

2.2 数据预处理技术

因为不同的数据类型满足不同的状态监测、健康评估和故障预测方法，所以必须对得到的一手数据进行不同的预处理操作，使得预处理过后的数据符合后续处理的标准；与此同时，给数据的储存以及传输带来方便。数据的预处理主要有去除噪音、高通滤波、数据压缩、信号自相关以及数据的模数转换等。

要使数据满足不同的要求就必须采用不同的数据处理技术和方式，例如：当识别和隔离故障时，就必须采取特征提取技术；当去除多余的原始数据时，就必须对数据进行简化，从而有利于数据的更深层次的处理；当将连续的数据信息转化为离散的数据信息时，就必须采用循环计数的方法。

2.3 状态监测、健康评估和故障预测方法

从某种程度上来讲，监测、健康评估和故障预测都是一种推理过程，PHM系统的核心部分由它们组成。创建PHM系统时，应该由系统的实际状况运用一种或者多种方法与技术。基于案例、规则以及模型等的逻辑推理算法与“阈值”判断法都被称作状态监测和健康评估法。预测故障的功能作为PHM系统最明显的特征，可利用各种不同的数据信息（如目前的工作条件与环境、使用的情况、监测的数据、历史经验以及以前的试验数据等），以及在不同的推理技术（例如人工智能、物理模型和数学模型等）的帮助下，估计系统或者部件的使用期限和将来的健康状态的过程。同时，基于人工智能（artificial intelligence ， A I）的预测、基于物理模型的预测以及基于特征统计/进化趋势的预测等也是PHM系统主要采用的故障预测算技术。

2.4 数据传输技术

利用传感器采集的大量数据信息必须运用一定的方式，才能够将其传送给PHM系统的其它部分。无线与有线传输是当今社会采用的两种不同的数据的传输方式，运用网络如Ethernet LAN（local area network）、Internet和有线数据总线等传输数据的方式被称为是有线数据传输。相对来讲，有线数据传输技术目前发展较为完善，而且大部分能够遵循网络协议（如UDP /IP、TCP /IP）、通讯规则等。在蜂窝电话技术和射频（radio frequency ， RF）特别是蓝牙（Blue-tooth）技术的基础上，在PHM系统中实现数据的无线传输越来越成为该领域内研究的焦点。当前，一系列的分布式放置的传感器组件组成了无线数据传输系统，数据通讯靠组件内部的无线调制解调器来进行，其中由采集数据的电路、执行器、无线传输器、微处理器、参数传感器和电池组等组成传感器组件，使得传感器组件自身就可以对数据进行采集与处理操作。

3 电子产品 PHM的具体方法

在实际应用过程中，电子产品中的故障难于被检测，是因为电子产品的缺陷可能是微米尺寸或者是纳米尺寸级别的。因此电子产品在进行PHM时，通常采用监测性能参数、预测故障模型的剩余寿命这两类方法。

监测性能参数：监测可以表现电子产品健康或者故障状况的性能参数（例如电压、电阻、电流等），以达到对电子产品状态的监测目的；

预测故障模型的剩余寿命：在电子产品故障物理（physics of fail-ure， PoF） 模型已知的情况下，为了利用损伤累积模型评估电子产品剩余寿命，从而可以查看电子产品的工作情况，就应该对电子产品的工作的条件（例如振动、温度等）进行监测。

4 结语

随着相关技术的发展，PHM系统得到了比较普遍的运用，然而就目前来看，其工程实用化的程度还不够，如只是检测主要的部件与系统才会进行PHM。而且，若不了解电子产品发生故障的原理，是仅仅能够检测故障的，而不能够对复杂系统的故障进行预测。因此，怎样才可以精确地对系统的运行状态进行评估，决策出完整的修理方案等方面依旧需要我们去探索与研究。

参考文献

［1］孙博，黄伟，赵宇，谢劲松.电子产品故障诊断和预测的实验验证案例［A］.中国航空学会可靠性工程专业委员会第10届学术年会论文集［C］.2006-07.

［2］赵宇，谢劲松.半导体器件的通用电迁移失效物理模型［A］.第11届全国可靠性物理学术讨论会论文集［C］.2005﹕77-83.

［3］马静华，谢劲松，康锐，吕瑞.电子产品健康监控和故障预测的流程和案例［A］.中国航空学会可靠性工程委员会第10届学术年会论文集［C］.2006-07.

作者简介：

吴贤亮（1978－），男，湖南邵阳人，工程师。