欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
伊枭剑:用技术让装备重获新生

来源:  发布时间:2021-10-15

武光磊

  
  
  人需要做健康管理,那你听说过给装备做健康管理吗?
  随着信息技术的迅速发展,航空、航天、船舶、兵器等各个领域系统的复杂性、综合化、智能化程度不断提高,其研制、生产尤其是维护和保障的成本也越来越高。因此,复杂系统故障诊断和可靠性逐渐成为科学家关注的焦点。基于复杂系统通用质量特性和经济性考虑,以预测技术为核心的故障预测和健康管理PHM(Prognostics and Health Management)技术应运而生。
  目前,PHM在国内外得到了广泛应用,但PHM技术在国内相对来说还是一个比较新颖的概念,研究起步较晚。北京理工大学特别副研究员伊枭剑正是国内研究PHM的中坚力量之一。在他看来,装备的健康管理不仅是提高装备维修决策科学性的重要依据,也是提高装备全寿命管理效益的重要手段,更是提升部队装备保障能力和战斗力的重要基础。这值得他继续为之奋斗下一个10年。
  
十年磨剑
  
  伊枭剑从一开始就认准了自己的研究兴趣——兵器科学。2010年9月,他顺利考入北京理工大学机电学院兵器科学与技术专业,攻读博士学位,至此拉开了他研究兵器科学的序幕。随着研究的深入和科研能力的积累,他把目光锁定在了装备健康管理这一研究方向上,并迈出了坚实的步伐。
  2015年,伊枭剑申请到了国家留学基金管理委员会的联合培养博士项目,前往加拿大渥太华大学学习一年。在国外,他亲身感受到了国内装备可靠性研究与国外的差距。“国外装备可靠性研究起步比较早,我在加拿大的导师从1980年就开始做这方面的研究了。”
  20世纪70年代起,故障诊断、故障预测、基于状态的维修、发动机监控、健康管理等系统逐渐在工程项目中探索应用。工程实践表明,故障预测与健康管理技术利用先进的传感器技术,获取系统运行状态信息和故障信息,借助神经网络、模糊推理等算法,根据系统历史数据和环境因素,对系统进行状态监测、故障预测,同时对系统的健康状态进行评估,结合地面维修资源情况,给出维修决策,以实现关键部件的实情维修。
  PHM的概念和技术很快出现在军用装备中,美国、英国、加拿大、荷兰、新加坡、南非和以色列等国已将PHM技术应用到直升机上,出现了被称作“健康与使用监控系统”(HUMS)的集成应用平台。
  面对与国外研究相差20年的差距,伊枭剑暗暗下定决心,要做中国自己的PHM技术应用平台,壮大国内的PHM研究。“以前的关键问题是装备性能问题,现在的关键问题是装备的可靠性问题。”因此,当中国装备的整体性能达到世界先进水平后,就需要考虑装备健康管理和全寿命周期的问题了。
  “我可以说是从学生时代专业和方向就没有变过,一直在做装备可靠性研究,多年来的科研铺垫和技术储备都是我现在工作方向的根基。”目前,伊枭剑正承担某轮式装甲车系列改进健康管理系统的研制,这是我国装甲装备领域首套面向中型合成营的健康管理系统。“在推进健康管理系统型号的过程当中,我们需要给不同的部门去论证搭载健康管理系统的必要性。我记得一年就开了50多次研讨会,评审会几乎每周都开一次。”
  在伊枭剑看来,美国目前在其军事装备中大力推广PHM的技术应用,并将其广泛安装到第三代军事装备上已近10年,如果中国还是要在下一代装备上才去列装PHM技术,那么彼此之间的差距只会越来越大。所以他大胆提出在目前的装备上全面推进健康管理系统,只要迈出了第一步,就能把差距一点一点缩小。
  
主动出击
  
  传统的维修为什么会被淘汰,是因为其在装备出现了明显劣化后才实施。而PHM则力求实现智能化预测与决策,通过智能模型预测将要发生的故障并在故障发生前提供需要更换的零部件信息,以达到降低故障率和节省保障费用的目的。简而言之,PHM是对复杂系统传统使用的机内测试(build-in test,BIT)和状态(健康)监控能力的进一步扩展,它是从状态监控向健康管理的转变,这种转变引入了对系统未来可靠性的预测能力,借助这种能力识别和管理故障的发生、规划维修和供应保障,降低使用与保障费用,提高装备系统的安全性、完好性和任务成功性,以较少的维修投入,实现基于状态的维修或视情维修(condition-based maintenance,CBM)和自主式保障。
  当今世界新一轮科技和产业革命正在孕育兴起,具有军事应用前景的物联网、大数据、云计算、人工智能等战略性新兴技术的集中出现,将从根本上影响军事领域。伊枭剑说:“目前我们已经开始大范围地进行研究,PHM技术要成为未来装备上必须搭载的技术。”
  在PHM技术基础科研方面,伊枭剑作为项目负责人或技术负责人主持国家自然科学基金、博士后基金、国家科技重大专项、国防科工局技术基础、国防科工局基础科研和装备发展部共性基础等十余项国家级项目;在PHM技术工程应用方面,他作为项目负责人或技术负责人主持论证了地面突击、空降和无人装备健康管理系统,并主持研制了某轮式装甲车系列改进健康管理系统。
  光是在2017年一年,伊枭剑总共发表了15篇EI、SCI。但是面对如此丰硕的成果,他说自己只是比别人更善于总结罢了。他说:“我做的这些项目实际上都围绕着一个主线来申请。尽管看起来似乎很多,但每个项目都有自己的特点,不同的关注点,最终每个项目的结果可以串联起来。”
  对于技术的研究和应用,伊枭剑也有自己的思考,比如像前沿的技术点,他会选择用国家自然基金去申报;而专项的技术,则会申请国家重点研发计划项目;如果技术成熟,已经具备了一定的应用条件,他会将相关技术推广到型号装备中。如此清晰有条理的安排,似乎也印证伊枭剑的科研之路一直走得很顺利,所有的成果和进步都来自基础的积累。
  
不止十年
  
  站在“十四五”的开局之年,伊枭剑的心里也有着自己的目标。“我们希望在‘十四五’期间,将北京理工大学系统可靠性研究中心升级为产学研用的联合体,打造一个为国家安全服务的新型研发机构。”
  伊枭剑的下一步计划,是在完成手上主持的项目的后续验收后,着手启动新项目,继续围绕PHM技术开展实体系统的研究。“目前整个研制的周期很长,非常费时费力,我们了解到数字孪生的概念,希望将其应用于研究。”
  数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。这种仿真过程对于伊枭剑的研究是非常适用的,如果能够完美地映射出实体装备的整个生命周期,则可以提高PHM技术在实际装备上的应用。
  “北京理工大学的理念始终着眼于国家重大战略需求,既然国家在装备领域确实需要我们进行相关技术攻关,那么我们就有责任承担起相关的科研攻关工作。”北京理工大学的校训“德以明理、学以精工”在伊枭剑身上得到了印证,探索科学知识,掌握装备领域的关键技术,解决国防问题,这就是他在科学的世界里探索的初衷。不只是在下一个10年,而是在今后无数个10年中,直至实现为止。
  
  

分享到:
杂志
本期封面

2021年11月中

上一期 下一期