国外电子产品PHM技术主要研发方法与面临的挑战

1、.：.；国外电子产品PHM技术主要研发方法与面临的挑战中国航空工业开展研讨中心航空技术所 于晓伟 张宝珍 进入21世纪以来，缺点预测与安康管理PHM技术作为实现武器配备基于形状的维修CBM、自主式保证、感知与呼应后勤等新思想、新方案的关键技术，遭到美英等军事强国的高度注重和推行运用。如今，PHM系统正在成为新一代的飞机、舰船和车辆等系统设计和运用中的一个重要组成部分。它包括两层含义，一是缺点预测，即预先诊断部件或系统完成其功能的形状，确定部件正常任务的时间长度；二是安康管理，即根据诊断/预测信息、可用资源和运用需求对维修活动做出适当决策的才干。实践上，PHM技术现已广泛运用于机械构造产品中，比

2、如核电站设备、制动安装、发动机、传动安装等。而将PHM技术运用于电子产品那么是近年来国外科技研发的重要开展趋势之一。目前国外对电子产品PHM技术的研发主要集中于军用电子产品，重点包括两部分内容：一是产品寿命周期原位监测中的传感系统与传感技术，二是剩余寿命预测的缺点诊断模型与算法。前者集中于开发无线微型传感器，以取代尺寸较大且需求有线传输数据的传统传感器。后者努力于探求各种不同类型的诊断模型与算法，为军用电子产品缺点预测才干提供实际根底。一、国外电子产品PHM技术的主要研发方法国外参与PHM相关技术研发的单位非常广泛，如美国国防部和三军的有关机构；NASA；波音、洛克希德马丁、格鲁门、ARINC

3、、霍尼韦尔、罗克韦尔、雷神、通用电气、普惠、BAE系统公司、史密斯航宇公司、古德里奇公司和泰瑞达公司等跨国公司；康涅狄格大学、田纳西大学、华盛顿大学、加州工学院、麻省理工学院、佐治亚理工学院、斯坦福大学、马里兰大学等著名院校；智能自动化公司、Impact技术公司、质量技术系统公司QSI、Giordano自动化公司等软件公司；荷兰PHM联盟DPC、Sandia国家实验室SNL、美国国防工业协会NDIA系统工程委员会、美结合大学综合诊断研讨中心、美测试与诊断联盟TDC等协会和联盟。其中，研发电子产品PHM技术的单位首推马里兰CALCE电子产品和系统中心，其程度处于世界领先位置。目前国外采用的电子产

4、品缺点预测方法可以归纳为以下三类。 1、 经过监测失效征兆来预测缺点对失效征兆的监测是经过将传感器嵌入到电子产品中以搜集和分析与缺点亲密相关的参数比如性能参数来实现的。由于电子产品的失效机理千差万别，所以其失效征兆也多种多样。而对于同一种失效方式，也能够有多个征兆与之对应。比如，利用关键参数的变化来预测缺点，利用焊接件焊点的电阻变化来预测电子产品的剩余寿命，利用动态功耗来预测电路缺点等都属于这一类方法。目前，该方法已在国外各机构中得到广泛采用。例如，美国海军的海军水面作战中心及海军空中系统司令部对从配备获取的传感器数据进展比较，建立工程性能基准，来评价实践性能能否超出限制范围；北卡罗来纳大学运

5、用数据发掘方法鉴定正常形状与异常形状的差别，从而预测缺点。 2、 经过设置预警电路Canary Devices来预测缺点这种方法是经过在电子产品中设置预警电路来诊断与预测缺点。预警电路比起电子产品正常运用的电路来具有更高的失效率。它经过减少预警电路的线路直径来添加其电流密度，而随着电流密度的添加，预警电路产生的热量也比正常运用电路产生的热量大，继而导致热应力添加。随着时间的推移，应力添加到一定程度便使预警电路先于电子产品发生失效，从而提供缺点的早期预警。比如，在低周疲劳衔接件和腐蚀件中设置预警电路评价失效机理，利用缺点预测芯片来监测晶体管的时间相关绝缘击穿TDDB等都属于这类方法。目前国外的研

6、发机构也在不同程度地运用这一方法。例如，罗克韦尔公司对于具有低循环疲劳特性的焊接件和腐蚀件，利用宿驻到产品中的预警电路进展缺点早期诊断；Ridgetop 集团对电子产品的主机电路设置预警电路来提供缺点预测等。 3、 经过建立累积损伤模型来预测缺点建立累积损伤模型就是基于物理失效和原位监测对电子产品实践的寿命周期载荷进展搜集与分析，来评价产品的退化趋势。寿命周期载荷是指产品寿命期内所接受的全部外部载荷条件。电子产品寿命周期中的典型阶段包括制造、储存、处置、运转和非运转等。在整个寿命周期中，导致电子产品破坏的载荷类型有多种，包括温度、湿度、振动、冲击、太阳能辐射、电磁辐射、压力、化学、沙尘等。为建

7、立复合载荷累积损伤模型，需求在电子产品中嵌入一个或多个传感器来检测影响产品可靠性的外部载荷。例如寿命损耗监测LCM法即属于这类方法。目前国外的运用有：马里兰大学运用基于物理的损伤模型处置监测参数，监测寿命耗费，计算累积损伤，评价电子产品的剩余寿命；Impact 技术公司将传感器参数与基于物理的损伤模型相结合，对航电系统、GPS系统和动力系统进展寿命损耗监测。除上述三种方法外，国外研发机构也在努力探求运用新方法。比如，史密斯航宇集团在飞机和直升机子系统中综合利用奇特值分解、主成分分析和神经网络进展非线性多元分析和异常情况检测；美国国家航空航天局在航天飞机中运用缺点检测算法包括高斯混合模型、隐马尔

8、可夫模型、卡尔曼滤波、虚拟传感器等来检测产品异常形状；范德比尔特大学在航宇产品中运用前馈信号泰勒级数展开来预测缺点。二、国外电子产品PHM技术开展面临的挑战虽然国外研发机构对军用电子产品PHM技术表现出浓重兴趣，而且开展迅速，但就目前来看，电子产品PHM技术还远未成熟，至少在以下方面面临宏大挑战。 1、 剩余运用寿命预测中的不确定性在进展电子产品的缺点预测时，为添加预测的准确性，需求进展不确定性分析。但不确定性分析面临多方挑战。首先表如今难于鉴定不确定性的来源。不确定性的来源有多种，包括仪器不确定性、参数不确定性、失效评价规范不确定性、未来运用的不确定性。难于搜集一切的信息做出正确的判别。其次

9、，缺乏定量评价不确定性的模型。虽然曾经研发出了基于物理的损伤模型的不确定性评价方法，但数据驱动方法目前尚为空白，而且不确定性分析领域研讨力度不够。不确定性评价第三个挑战是，当不确定性范围很大时，难于做出正确的维修决策。例如，最终的预测结果是，产品将在10到100个小时内失效，那么如何制定维修方案呢？一个能够的处理方案是确定即时点JIT来优化预测。国外专家建议选择5%的风险失效概率点作为JIT点。该点的选择主要是基于对风险和维修费用进展的权衡。减少不确定性的根本方法是限制产生不确定性的根源，或者说不确定性的来源。例如，加强传感器丈量、改善制造程序、优化损伤模型都是减少剩余寿命周期预测中的不确定性

10、的有效方法。 2、 间歇失效的预测间歇失效指的是不能鉴定的失效，未来不能复现的失效，或者是特殊的失效方式和失效机理。在航电产品中一切缺点的40%到85%属于不能复现的缺点CND，占到维修费用的90%以上。发生间歇失效的缘由之一是电子产品在测试过程中继续时间不充分，导致不合格的产品流入运用领域。间歇失效另一个经常发生的缘由是载信号衔接器衔接点存在腐蚀问题。目前，现有的基于物理的损伤模型不能有效预测间歇失效。需求对此进展进一步研讨，研发新的基于物理的损伤模型用于间歇失效的预测。 3、 电子产品寿命周期数据的原位监测 电子产品原位监测的第一个挑战是确定有效提供缺点预测的寿命周期参数。电子产品经常拥有

11、大量元件，而且每一个元件能够具有多个可丈量的性能参数。因此，具有大量潜在的失效源。并且，在电子产品中，不同元件之间具有非常复杂的性能相关性。这就导致难于在元件层次上监测电子产品性能。第二个挑战于传感技术的局限性。在缺点预测与安康管理中，需求延续监测寿命周期载荷，确保不错过关键数据。为实现延续监测才干，传感系统或者将搜集的数据实时传送给地面站，或者将大量数据存储到容量足够大的机载存贮器中。假设机载存储才干不够，数据简化算法可用来处置数据规模。但是，这将耗费大量功率，而且极大地减少传感系统的电池寿命。第三个挑战是在电路板中安装传感系统的空间有限。对于新的电子产品，缺点预测战略可以在设计初期进展思索

12、，以便在电路板中留出空间安装传感系统。然而，对于传统电子产品，传感器的安装就是一个挑战。许多情况下，电子板的空间小于传感器尺寸。而且，安装到电子产品中的传感器能否对产品的原有性能构成影响，也不非常清楚。 4、 对PHM技术投资报答率的评价评价电子产品PHM技术投资报答率的挑战之一是，难于提供一个商业案例来展现PHM技术对于电子产品的有益性。部分缘由是电子产品PHM技术研发不够成熟。虽然最近在根底PHM技术与方法上获得了宏大提高，但是将科学研发转化为实践运用的案例还不多见。挑战之二是难于量化PHM技术带来的利益。在评价和鉴定投资报答率时，需求用到一些度量规范。例如，在评价电子产品PHM技术带来的

13、利益上，度量规范能够包括减少维修行为的人工小时数，减少维修行为的本钱费用、延伸的寿命周期、防止的系统失效次数等。PHM度量基准应该准确地显示PHM技术在电子产品全寿命周期中进展缺点预测时的消极的和积极的影响。最后，需求对PHM技术执行本钱与PHM技术本钱躲避进展权衡，目的是确定投资报答率。PHM技术的执行本钱包括研发本钱如硬件、软件以及集成、产品制造反复性本钱如硬件、测试和安装、根底设备本钱如文件编制、后勤/维修文化的培训与改革、继续保证本钱如数据搜集、数据归档、PHM构造的后勤规模、缺点确定费用等。PHM技术的本钱躲避包括：失效防止如，使非方案维修最小化、提高可用性、减少系统缺点风险、提高平

14、安性、剩余寿命的损失降到最小、系统后勤规模的减小如，优化备件管理、外部测试设备降到最少、减少修缮本钱如，改善缺点隔离、在修缮期间减少间接失效等。 5、 确定系统性能的门限值电子产品中包含大量高度交互且相互影响的元件。一个性能参数上的微小变化，能够会导致其它参数的变化，因此对每一个参数设置固定的门限值将是困难的。在定义系统性能门限值方面，不思索多重参数的交互作用将导致不正确的PHM决策，致使有问题的元件能够检测不出来。这就需求充分认识到研讨元件相互作用的重要性。然而，不同类型的元件具有不同范围的技术规格，在环境与操作设置上也存在差别，这就导致研讨它们的相互作用成为一个难题。而且，电子产品在它们的

15、寿命周期内，能够遭遇不同的环境与操作条件。在不同的运用场景下，设置一个门限值能够缺乏以表达系统参数的可变性。因此，建立正常系统性能的基线对于电子产品来说将是困难的。为在缺点预测中定义运用门限值，在不同环境和运用条件下，认识清楚每一个元件的性能和寿命周期剖面将变得非常重要。然而，对每个元件，却难于孤立地模拟一切场景，以确定其最终运用寿命。在不同环境条件下，系统和运用的复杂性阐明了在缺点预测中定义门限值是困难的。 6、 建立电子产品的基于物理的损伤模型产品失效是由于物理、电、化学、机械应力综协作用导致的结果。确定失效机理除了选用适宜可用的失效方式外，还要结合潜在的失效方式与失效缘由进展分析。失效机

16、理分为过应力机理和磨损机理两种典型方式。过应力失效机理用于单一载荷应力引起的失效；磨损机理用于多种应力条件引起的失效。运用基于物理失效的方法进展可靠性评价的挑战之一是，该模型在对系统失效时间进展定量分析时，存在可用性和准确性问题。同时，在单应力失效条件下，不能运用多重应力失效模型；在多应力条件下，不能运用单应力模型。假设没有失效模型可用，监测参数的选择只能基于过去的现场失效数据或者经过加速实验得来的阅历模型。 7、 PHM技术与传统电子产品的集成在电子产品中实施PHM技术的其中一个挑战是将该技术集成到传统电子产品中。传统的电子产品，虽然经常表现为竞争力差而且与现代产品的兼容性差，但由于其替代产

17、品没有研发出来，所以仍在运用。在传统的电子产品中，比如老龄飞机的航电系统，失效方式与失效机理往往不清楚。另外，缺乏传统系统的运用专家，致使PHM算法中的缺点预测建模不成熟和不充分。将PHM技术集成到传统系统中的另外一个挑战是，难于用兼容方式综合各种技术。PHM系统包括传感器、电子设备、计算机和软件，大部分是商业货架产品COTS。这些商业货架产品经常对操作环境、输入参数和运用条件具有特殊要求。一个PHM系统在综合到电子产品中时，需求首先抑制与它本人子系统的集成妨碍。三、国外电子产品PHM技术开展前景美国国防工业协会NDIA2006年4月13日公布了NDIA电子产品预测技术任务组最终报告草案。该报

18、告针对电子产品PHM技术研发现状与问题确定了四个领域的开发需求。这四项需求分别是：1工具-预测系统设计工具、技术评价工具、实施的经济性分析工具以及维修过程集成工具等。2电子预测技术-任务环境传感器、器件操作体制传感器、软件预测等。3模型-失效物理、设计验证、维修过程评价、环境影响、电子预测对系统级功能性能的影响等。4硬件-用于任务环境和事件的检测与记录的硬件，以处理有用寿命的损失丈量。PC板电子预测信号感应、电缆和互联缺点检测用的纳米传感器。最终报告草案最后给出了电子产品预测技术实施道路图方案，即从上述详细开发需求出发，在四个根身手域工具、预测技术、模型和硬件实施大量广泛的科研工程。这些电子预测开发工程时间范围从2年到5年不等，研发内容从根本的科学技术任务到最终的验证与确认。工程每个阶段预期继续18-24个月。预备进展验证与确认的技术取该时间范围的下限，而处于科技开发程度的