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本书系统阐述了装备故障预测与健康管理(PHM)的全寿命周期理论与实践。作者提出了PHM系统工程的10个关键模型，涵盖需求论证、总体设计、系统研制和综合验证等各个阶段，为PHM系统的成功研制和有效应用提供了全面的方法论支撑。全书共分为七章:第一章概述PHM的发展历程、关键技术及应用现状;第二章阐述PHM需求论证方法，包括运行概念模型、能力需求模型和费用评估模型;第三章介绍PHM总体设计方法，重点讨论组织架构模型和功能-逻辑-物理架构模型;第四章详细阐述PHM系统研制的关键技术，包括故障模式机理与影响分析、系统可测试性设计、状态监控与故障诊断预测算法等;第五章提出PHM综合验证方法，构建了贯穿全寿命周期的多维度验证体系;第六章以典型装备为例，展示PHM系统的工程实践;第七章展望PHM未来发展趋势。本书不仅提供了PHM系统研制的理论指导，还结合大量工程实例，深入浅出地阐释了PHM的核心思想和关键技术，是一本理论与实践相结合的PHM专业著作。

第1章  PHM技术的发展概况	1
1.1　PHM的定义	2
1.2　PHM的本质	4
1.3　PHM的发展演化	5
1.4　PHM学术研究与典型应用现状	8
1.4.1  PHM学术研究现状分析	8
1.4.2  PHM工程实践现状	11
1.5　PHM相关标准体系现状	14
1.5.1  PHM相关标准组织	15
1.5.2  PHM经典标准简介	18
1.6　PHM技术的困难与挑战	21
1.6.1  需求不清	21
1.6.2  性能不稳	22
1.6.3  支持不够	23
1.7　小结	25
第2章  基于模型的PHM系统工程	26
2.1　PHM全寿命周期关键活动	27
2.2　PHM全寿命周期模型概览	28
2.2.1  运行概念模型	31
2.2.2  能力需求模型	33
2.2.3  费用评估与优化模型	35
2.2.4  组织架构模型	37
2.2.5  功能-逻辑-物理架构模型	39
2.2.6  故障模式、机理、影响与危害性分析模型	40
2.2.7  系统测试性模型	42
2.2.8  状态监测、故障诊断与预测模型	43
2.2.9  基于诊断/预测信息的使用保障优化模型	45
2.2.10  效能验证模型	47
2.3　小结	50
第3章  PHM需求分析	51
3.1　装备系统运行概念与保障场景分析	52
3.1.1  装备PHM利益攸关方识别	53
3.1.2  装备系统使用场景分析	56
3.2　装备系统PHM需求映射分解	59
3.2.1  PHM需求模型	59
3.2.2  PHM能力指标体系	65
3.3　基于仿真的PHM能力需求论证方法	77
3.3.1  PHM仿真模型构建	79
3.3.2  PHM仿真逻辑	85
3.3.3  案例分析	88
3.4　PHM需求确认	90
3.4.1  PHM需求确认的基本原则	91
3.4.2  PHM需求确认的流程	92
3.5　小结	94
第4章  PHM总体设计	96
4.1　PHM系统总体框架设计	97
4.1.1  PHM与装备系统总体设计的协同	97
4.1.2  PHM研发组织模式	100
4.1.3  PHM框架设计流程	103
4.2　PHM系统功能架构设计	105
4.2.1  PHM使用场景细化分析	105
4.2.2  飞机PHM功能架构案例	107
4.3　PHM系统逻辑架构设计	111
4.3.1  典型PHM逻辑架构方案	111
4.3.2  飞机PHM逻辑架构案例	113
4.4　PHM系统物理架构设计	115
4.4.1  典型PHM物理架构方案	116
4.4.2  飞机PHM物理架构案例	120
4.5　小结	123
第5章  PHM工程研制	124
5.1　PHM对象的确认	125
5.1.1  系统/部件增强型故障模式和影响分析	126
5.1.2  寿命件分析	129
5.1.3  特殊事件分析	130
5.1.4  传感器选型	133
5.1.5  系统测试性模型构建与优化	135
5.2　PHM系统框架构建	138
5.2.1  PHM硬件构成	139
5.2.2  PHM软件架构设计	147
5.3　PHM数据处理与算法设计	151
5.3.1  数据预处理	152
5.3.2  状态监测/异常检测、故障诊断、寿命预测算法	155
5.3.3  运维决策支持算法	170
5.4　小结	174
第6章  PHM综合验证	175
6.1　PHM验证框架设计	176
6.1.1  PHM验证的阶段维度	177
6.1.2  PHM验证的层级维度	178
6.1.3  PHM验证的实施原则	178
6.2　总体设计阶段验证	179
6.2.1  PHM系统架构验证	180
6.2.2  专家评审验证	182
6.3　工程研制阶段验证	186
6.3.1  FMECA验证	187
6.3.2  系统测试性模型验证	189
6.3.3  功能性能验证	193
6.4　综合集成和试验阶段验证	198
6.4.1  接口兼容性验证	198
6.4.2  跨分系统功能集成验证	199
6.4.3  PHM综合试验台	203
6.5　部署使用阶段验证	207
6.5.1  PHM使用全历程数据集构建	207
6.5.2  部署使用阶段的主要验证工作	211
6.5.3  PHM性能的持续熟化	215
6.6　小结	217
第7章  总结与展望	218
7.1　本书的核心内容与主要贡献	219
7.2　PHM技术的发展趋势	224
7.2.1  未来PHM技术总体展望	226
7.2.2  未来PHM的可能商业模式与研发策略	231
7.2.3  大模型、数字孪生、虚拟现实技术对PHM的影响	237
7.2.4  PHM与其他领域的交叉研究	240
参考文献	246

序言
我与本书作者胡杨的相识始于2013年，那时我正在欧洲访学，恰逢他在米兰理工大学攻读博士学位。我们初次见面是在米兰理工大学举办的关于工程系统可靠性分析的研讨会上。那时，这位身着笔挺西装却难掩书卷气的博士生，正用流利的英语阐述着基于深度神经网络的装备剩余使用寿命预测算法。那时的人工智能还远没有现在的热度，但他已经察觉到工程系统运维智能化的趋势，让我看到了一个求知欲很强的青年学者在交叉学科领域的努力探索。时光飞逝，到了2024年，胡杨加入了我领导的智慧民航科创中心，所在单位是位于杭州市的北京航空航天大学国际创新研究院。他与我的博士后韩丹阳合著了一部专著——《智预——装备故障预测与健康管理：全寿命周期解读与实践》。当胡杨请我为此书作序时，我欣然应允。思来想去，与其把推荐序写成这本书的内容摘要，我更想讲讲这部书背后，我们共同经历的那些时光，以及我所熟悉的那个充满热情、求真务实的胡杨。
自我们在米兰认识开始，我们每年至少相聚一次，我数得上的地点包括苏黎世、北京、昆明、无锡、桂林、杭州等。我们畅谈学术，深入探讨复杂系统的内涵、系统性能退化的本质、不确定性的本质及其处理方法、确信可靠性的理论基础及复杂工程系统中确信可靠性的体系性分析方法等议题。同时，我们也经常思考科研的真正价值和目标，探索如何进行真正有意义的研究，并多次触及“钱学森之问”，也交流对世界、对生活的理解，每次聚会总能相谈甚欢，碰撞出许多思想的火花，彼此启发，推动了我们科研思路的创新。
记得2021年初，胡杨主导了一项故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management, PHM）技术现状与未来发展的问卷调查，邀请我作为专家参与。这份调研问卷设计得极为“精妙”——它不是让被调查者简单地做选择题，而是要求深度回答，且问题涉及极为全面，几乎涵盖了PHM技术的各个方面，这些问题必须是行业里的老手才能回答。我花了整整2个小时，认真回答完他的每一个问题，也感觉将这个领域中的一系列关键问题在脑海中重塑了一遍，真的有一种自己的宝贵知识被他“榨取”了的感觉！填写完问卷后，我开玩笑地对他说：“你这个调研不是让我回答问题，而是让我给你写报告！”但正是通过这次调研，我感受到了他对PHM技术全面而深入的理解，以及他敏锐的洞察力——这种工程师+科学家的双重视角在他身上体现得淋漓尽致。
“PHM研究需要什么？模型、模型、模型！”这是我在那次问卷中反复强调的观点。胡杨深谙此道。与当前很多专注于算法细节、陷入“内卷化”的PHM研究不同，他始终保持着对PHM的内涵本质的清醒认识。受益于博士期间扎实的理论功底与型号工程中的实践经验，他知道PHM的价值不在于算法的先进性，而在于能否真正解决装备全寿命周期的降本增效问题；他明白PHM不应该仅仅是系统的整体要求，而是具体的、明确的诊断与预测要求；他更总结出PHM的核心，是以少量的代价换取高质量的信息与模型，并合理运用它们来减少或消除对工程系统运行过程的认知不确定性。这也是PHM能够实现降本增效的关键。
正是这样的学术积淀与实践锤炼，孕育出眼前这本《智预——装备故障预测与健康管理：全寿命周期解读与实践》。这本书最打动我的特质在于其“工程师+科学家”的双重视角。胡杨既保持着科学家对本质规律的执着追问，又具备工程师对落地实效的敏锐嗅觉。书中总结的基于10类关键模型的PHM系统工程方法，正是这种双重特质的完美呈现，体现了他对PHM领域深厚的积淀和精准的把握。书中强调的全寿命周期方法论框架，正是当今工程实践所急需的。它不仅解决了PHM需求捕获与分析的系统工程问题，更提供了从需求分析、总体设计、工程研制到综合验证的完整技术路径。
我深信这本书将成为PHM领域的重要参考。它既能为初学者提供清晰的技术路线图，也可为资深专家开辟新的思考维度，更能为装备研制决策者展示PHM赋能装备综合运维能力的完整图景。PHM技术的真正价值在于其经济效益和实用效果，实践是检验真理的唯一标准！我衷心希望更多的同行和年轻学者能够从这本书中获益，感受到PHM技术的魅力与潜力，也期待他们像胡杨一样，保持好奇心和求知欲，在学术道路上行稳致远。
前言
想象不远的未来（2050年前后），人类社会可能发生翻天覆地的变化。为人类服务的各类人造物品，大到飞机、轮船这样的高价值复杂装备，小到剃须刀、手机等生活器具，它们几乎都有一个“万能显示器”，向外界清晰地展示其使用历程与健康状态，人类对它们几乎是“物尽其用”。也许对未来的工程师来说，浪费和故障可能是相对陌生的技术名词，因为我们对这些设备已经有了“上帝视角”，对它们的了解甚至比对自己的身体更全面、深入。而这一切，都归功于一项“古老”的黑科技——故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）。书中的“智预”便是对这一技术的精妙概括。通过“智能”和“预测”两个关键词，表达了PHM系统的核心技术内涵，同时通过谐音表达了“治愈”的概念，强调了PHM技术的目标——通过智能化手段，提前发现并诊断潜在故障，从而“治愈”装备，使其恢复正常运行状态。
即使回到今天，PHM也已经是一个“老概念”了，其诞生最早可追溯到1997年美国空军在F-35联合攻击战斗机的论证过程中提出的概念，之后的20多年间，PHM技术经历了从单一故障检测到全方位健康管理的演进，逐步具备综合性的装备能力。这种能力不仅包括状态监测、故障诊断、失效与剩余使用寿命预测，还涵盖了健康评估和智能决策（如快速自检、维修决策生成、保障方案优选等）。在当前工业互联网、智能制造和新质生产力的时代背景下，PHM技术再次焕发了新的活力，特别是随着人工智能和大数据技术的快速发展，PHM技术不仅在技术层面获得了显著提升，而且其使用模式、设计理念和整体架构也正在经历深刻变革。
然而，要实现装备的这个“万能显示器”功能并非易事。它需要一套系统的、全面的解决方案，这也是本书要尝试回答的问题。在本书做书稿审查时，多位专家曾问作者：“PHM这个主题已经出了好多本书，你这本有什么不一样？”这是一个灵魂之问！在编写本书之前，作者广泛研读了国内外五十余本关于PHM、智能运维和工业大数据的著作。与现有PHM著作最大的不同是，本书尝试做一个PHM的“鸟瞰图”，站在PHM外部看PHM的全貌，给读者一个PHM全局视角。所以从这本书的角度出发，PHM不仅仅是监测、诊断、预测和管理（虽然PHM的概念和定义就是上述要素，当前大部分PHM相关文献也都在讨论这些问题），而是一套PHM综合解决方案，涵盖了装备PHM的方方面面。本书采用了基于模型的系统工程理念，将PHM系统研发过程的要素提炼为10类关键模型——运行概念模型，能力需求模型，费用评估与优化模型，组织架构模型，功能-逻辑-物理架构模型，故障模式、机理、影响与危害性分析模型，系统测试性模型，状态监测、故障诊断与预测模型，基于诊断/预测信息的使用保障优化模型及效能验证模型。这些模型涵盖了从需求分析、总体设计、工程研制到综合验证的各个关键阶段，且彼此关联、互为支撑，为PHM系统的成功研制和有效应用提供了系统化、结构化的解决方案。
通过本书提出的方法，可以推断出PHM能力生成的三个关键阶段：首先，在需求分析和总体设计阶段，通过不同层级的故障模式与影响分析，可以识别装备系统所有已知的故障并进行相应设计，这决定了PHM性能的下限；其次，在工程研制过程中，通过有效执行设计方案并充分验证，确保需求和功能的无偏实现，这可以保证PHM性能达标；最后，通过对系统部署后获得的海量数据的整理挖掘，可以发现装备隐性的性能退化和故障，这些往往是需求分析和总体设计阶段认知不到的，这决定了PHM性能的上限。
为了最大限度地提高本书的可读性，作者在每个章节都采用了“总-分-总”的内容组织方式。首先总体描述每个技术要素在PHM技术体系中的定位与作用，然后分项描述技术细节，最后进行总结。在分项描述时，作者尽量将最精华的内容置于标题或每段的首尾句，便于读者高效阅读，在较短时间内掌握本书的核心内容。作者希望这本书能够成为PHM领域的入门指导和工具书，能够让PHM工程师迅速上手，找到PHM各个阶段技术要点的核心内容，如需深入，也可快速定位高质量的参考文献进行详细研究。本书的读者可以设想这样一个场景：你在一家大型企业从事装备系统的研发工作，接到了一个重要任务——负责某新型装备PHM分系统的论证和研制。你之前对PHM技术并没有深入了解，但时间紧迫，你必须带领一个5人的小团队从零开始。在这种情况下，本书将成为你的得力助手，帮助你站在全局的高度俯瞰PHM研制过程的全貌，找到各阶段的技术要点，快速形成可行的研制方案并稳步推进。
本书的编写得到了PHM领域众多专家学者的悉心指导和宝贵建议。在编写过程中，航空工业603所的聂同攀研究员提供了很多飞机PHM总体设计的工程经验与素材，北京复杂航空系统仿真实验室的苗学问正高工为本书收集了大量国内外PHM技术资料，这些高质量参考文献有力地支撑了本书的编写工作，在此特别表示感谢。韩峰岩、袁慎芳、康锐、景博、吕琛、郝晓辉、何田、代京、刘东、聂同攀、李贵江、赵春玲、吴英建、王红、张宝珍、罗鹏程、Enrico Zio、Olga Fink等专家在百忙之中抽出宝贵时间审阅书稿和相关的支撑材料，提出了许多富有洞见的意见和建议，这些意见不仅帮助提升了本书的学术质量，也为作者开拓了新的研究思路。特别是在PHM系统架构设计、算法优化及实际应用案例分析等方面，各位专家的建议为本书增添了不少亮点，在此对他们表示衷心的感谢。此外，北京复杂航空系统仿真实验室的杨西、何庆杰、董骁雄工程师，北京为益科技有限公司的付江、梁英龙，北京航空航天大学的硕士生陈昕航、魏芷寰、邓畯协助作者整理了相关材料，并绘制了本书的部分插图，在此一并表示感谢。限于作者学识和经验的局限，本书在内容的完整性和准确性方面难免存在疏漏和不足，恳请广大读者予以批评指正。
最后，让我们回到开篇的畅想。未来我们的PHM技术发展到很高的水平时，就可以完全实现对人造工程系统的“上帝视角”和“物尽其用”吗？很遗憾，答案很可能是不行，这里的深层原因是工程系统的复杂性。英国著名的计算机科学家、数学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆提出的“第30号规则”揭示了复杂系统的计算不可约性。这一发现告诉我们，对于足够复杂的系统，我们无法跳过必要的计算步骤而提前预知结果，换言之，任何复杂系统在本质上都是不可完全预测的。不幸的是，PHM技术服务的对象——人造工程系统，几乎无一例外地都属于复杂系统，而且随着未来技术的发展，其复杂度会不降反增，它们总会做一些让我们感到意外的事情，我们不能百分之百掌控它们。
这一认知对PHM技术的发展既是挑战，也是机遇。一方面，它提醒我们要谨慎看待复杂系统的预测能力，不管未来的人工智能、量子计算等技术手段发展到什么程度，我们都要对复杂系统保持敬畏；另一方面，正是因为存在复杂系统的计算不可约性，PHM技术才有了持续的生命力。正如沃尔夫勒姆所言，在每个计算不可约系统中，总存在无数个“可约化的口袋（pockets of computational reducibility）”，即局部有效的规律，它们是对复杂系统运行过程的某种“压缩”，这样的规律总是可以找到的，但永远都找不完。PHM技术的发展就是不断发现和利用这些局部规律的过程。虽然我们可能无法做到“物尽其用”的完美预测，但我们总是会提出一些像“按照当前的使用工况，系统剩余寿命为8～10小时的概率为0.9”这样不保证绝对正确，但很可能是正确的统计意义上的预测。从这个层面上看，PHM技术仍然有着无穷无尽的发展空间，不管未来技术进步如何奔涌向前，我们仍然可以一如既往地去探索它！

著  者     
2024年9月9日

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