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第一部分 系统健康管理的社会技术来源3

第1章 系统健康管理的理论3

概述3

1.1 引言3

1.2 功能，非标称状态和原因8

1.3 复杂度和认知局限性12

1.4 系统健康管理缓解策略13

1.5 操作性的故障管理功能15

1.5.1 检测功能和模型调整18

1.5.2 故障诊断19

1.5.3 失效预测20

1.5.4 失效响应决策21

1.5.5 失效响应21

1.6 方法24

1.6.1 故障容错24

1.6.2 冗余24

1.7 原则总结27

1.8 系统健康管理实现28

1.9 一些启示29

1.9.1 检测不可预知的非常态状态30

1.9.2 无共性条件下达到完整认知的不可能性30

1.9.3 管理体制的必要性与不足31

1.9.4 接口简洁31

1.9.5 需求，模型和正规表述31

1.10 小结32

参考文献33

第2章 多模式沟通35

概述35

2.1 系统健康管理中的多模式沟通38

2.2 沟通渠道41

2.3 从灾难中学习44

2.4 航空航天工业的现有沟通45

2.5 系统健康管理沟通中的感知一决策问题46

2.6 不良沟通的代价48

2.7 意义48

2.8 结论50

致谢54

参考文献54

第3章 高可靠性组织63

概述63

3.1 高可靠性组织和可靠性设计研究64

3.2 实际经验：高可靠性组织行为模式67

3.2.1 系统设备和人工危害的不可分割性68

3.2.2 系统风险的动态管理70

3.2.3 收益和风险的社会认知72

3.3 高可靠性组织项目的可靠性设计，组织行为和关联74

3.4 结论76

参考文献78

第4章 知识管理84

概述84

4.1 具有嵌入式知识的系统85

4.2 知识管理和信息技术86

4.3 组织系统的可靠性和可持续性86

4.4 建立学习型组织的案例研究：戈达德航天飞行中心89

4.4.1 实践1：暂停和学习（PaL）90

4.4.2 实践2：知识共享研讨会92

4.4.3 实践3：案例研究93

4.4.4 实践4：回顾过程和共同的经验教训94

4.4.5 实践5：戈达德设计规则95

4.4.6 实践6：基于案例的管理培训96

4.5 结论97

参考文献97

第5章 系统健康管理的商业案例100

概述100

5.1 商业案例的流程和工具101

5.2 支持决策过程的指标104

5.2.1 可用性104

5.2.2 计划可靠性105

5.2.3 维护资源利用105

5.2.4 投资回报率105

5.2.5 净现值106

5.2.6 资金流通106

5.3 开发企业模型要考虑的因素106

5.3.1 运作模型108

5.3.2 财务分析110

5.4 备选方案的评估110

5.5 对选定原型模型的修改111

5.5.1 在平台上对技术的增加和改变111

5.5.2 在保障操作上对技术的增加和改变112

5.5.3 在政策和程序上的改变112

5.6 建模的风险和不确定性113

5.7 模型验证和确认114

5.8 评价结果114

5.9 结论116

参考文献117

第二部分 系统健康管理（SHM）和系统寿命周期123

第6章 健康管理系统工程和综合123

概述123

6.1 引言123

6.2 系统构想124

6.3 知识管理126

6.4 系统工程127

6.5 系统工程寿命周期阶段128

6.6 系统工程、可靠性和健康管理129

6.7 系统健康管理寿命周期阶段133

6.7.1 研究阶段133

6.7.2 需求发展阶段133

6.7.3 系统／功能分析135

6.7.4 设计综合与集成137

6.7.5 系统测试与评估139

6.7.6 健康管理系统的成熟140

6.8 系统健康管理的分析模型和工具142

6.8.1 安全模型142

6.8.2 可靠性模型143

6.8.3 诊断模型144

6.9 结论145

致谢145

参考文献145

第7章 架构147

概述147

7.1 引言148

7.2 系统健康管理系统架构组件149

7.2.1 电源功耗150

7.2.2 数据通信151

7.3 电源和数据注意事项举例152

7.4 系统健康管理系统架构特性153

7.4.1 处理154

7.4.2 运行时间155

7.4.3 容错和失效管理156

7.4.4 可靠性157

7.4.5 资产可用性158

7.4.6 兼容性159

7.4.7 可维护性160

7.4.8 可扩展性160

7.4.9 集中式与分布式系统健康管理161

7.5 系统健康管理系统架构先进概念161

7.5.1 系统之系统161

7.5.2 网络中心战162

7.6 结论162

参考文献163

第8章 系统设计和分析方法165

概述165

8.1 引言166

8.2 寿命周期考虑167

8.3 针对有效系统健康管理的设计方法和运用168

8.3.1 可靠性分析方法169

8.3.2 正规的设计方法171

8.3.3 基于功能的设计方法171

8.3.4 基于功能的失效和风险分析方法173

8.3.5 测试性设计方法175

8.3.6 系统分析和最优化方法175

8.4 结论180

致谢181

参考文献182

第9章 评估和熟化技术成熟等级186

概述186

9.1 引言186

9.2 激励成熟度评估187

9.3 技术成熟等级综述189

9.4 系统健康管理的特殊要求192

9.5 抑制办法195

9.6 系统健康管理的技术成熟等级197

9.7 示范性的成熟化工作198

9.8 结论201

参考文献203

第10章 验证与确认204

概述204

10.1 引言204

10.2 现有的软件验证与确认205

10.2.1 航空电子设备的验证与确认205

10.2.2 美国国家航空航天局关于软件的需求、政策、标准和规程208

10.2.3 航天器故障保护的验证与确认209

10.2.4 验证与确认现行实践的工业范例：航天飞机主发动机控制器211

10.3 现有系统健康管理软件验证与确认实践的可行性和充分性212

10.3.1 可行性212

10.3.2 充分性213

10.4 适用于系统健康管理的验证与确认技术的时机215

10.4.1 系统健康管理架构215

10.4.2 系统健康管理中采用的模型216

10.4.3 系统健康管理中的规划系统218

10.4.4 软件系统的系统健康管理218

10.5 对系统健康管理传感器和航电设备的验证与确认考虑218

10.5.1 飞行硬件的验证与确认219

10.5.2 传感器数据的验证与确认219

10.6 系统健康管理具体应用的验证与确认规划221

10.6.1 应用介绍222

10.6.2 使用IMS的数据驱动异常检测223

10.6.3 使用TEAMS基于模型的故障诊断227

10.6.4 使用SHINE的基于规则驱动的失效恢复229

10.7 系统健康管理的验证与确认的系统工程前景231

10.8 结论232

致谢233

参考文献233

第11章 飞行器健康监测系统的验证237

概述237

11.1 引言238

11.2 飞行器健康监测系统的耐久性238

11.3 结构健康监测系统的机械设计243

11.4 飞行器健康监测系统的可靠性和寿命243

11.5 软件和硬件认证244

11.6 适航认证244

11.7 健康与使用监控系统认证案例245

11.8 结论248

致谢248

参考文献249

第三部分 分析方法255

第12章 失效物理255

概述255

12.1 引言256

12.2 金属失效物理258

12.2.1 高级分类258

12.2.2 次级分类260

12.3 陶瓷失效物理271

12.3.1 裂纹272

12.3.2 材料损耗274

12.4 结论275

参考文献275

第13章 失效评估278

概述278

13.1 引言278

13.2 失效模式及影响分析279

13.3 软件失效模式及影响分析280

13.4 故障树分析282

13.5 软件故障树分析283

13.6 双向安全分析284

13.7 安全性分析286

13.8 软件可靠性工程287

13.9 工具和自动化292

13.10 未来方向292

13.11 结论293

致谢293

参考文献294

第14章 可靠性298

概述298

14.1 故障时间模型概念和两种有用的分布299

14.1.1 可靠性分析的其他兴趣299

14.1.2 重要概率分布300

14.2 系统可靠性概述302

14.2.1 系统可靠性概念302

14.2.2 系统可靠性指标302

14.2.3 系统可靠性时间的依赖性303

14.2.4 结构简单的系统303

14.2.5 产品设计中局部运算的重要性305

14.3 经检查的寿命数据分析306

14.3.1 正在检查的多样数据分析306

14.3.2 概率绘图307

14.3.3 极大似然估计308

14.3.4 扩展到运用其他类型的检查和平截方法的数据310

14.4 加速寿命测试311

14.5 退化数据分析311

14.5.1 退化数据分析的一种简单方法313

14.5.2 近似退化分析的评述313

14.6 重复数据的分析315

14.6.1 均值累积函数和重复率316

14.6.2 均值累积函数的非参数估计317

14.7 可靠性数据的统计分析软件318

致谢319

参考文献319

第15章 概率风险评估321

概述321

15.1 引言321

15.2 航天飞机的概率风险评估322

15.3 协助项目风险管理的评估累积风险323

15.4 软件可靠性的量化327

15.5 对用于航天飞机概率风险评估中的技术的讨论330

15.5.1 初始事件主逻辑图表（IE-MLD）332

15.5.2 任务事件树332

15.5.3 故障树332

15.5.4 故障树与事件树的链接334

15.5.5 结论334

参考文献334

第16章 诊断336

概述336

16.1 引言337

16.2 一般诊断问题338

16.3 失效效应传播和影响339

16.4 测试性分析340

16.5 诊断技术340

16.5.1 基于规则的专家系统341

16.5.2 基于实例的推理系统342

16.5.3 学习系统343

16.5.4 基于模型的推理347

16.6 诊断系统自动化设计349

16.7 结论351

致谢351

参考文献352

第17章 预测357

概述357

17.1 背景358

17.2 预测运算方法359

17.2.1 统计的可靠性与基于用途的方法360

17.2.2 基于趋势的演算法361

17.2.3 数据驱动法362

17.2.4 粒子滤波363

17.2.5 基于物理的建模法364

17.3 预测剩余使用寿命概率密度函数365

17.4 自适应预测366

17.5 性能矩阵367

17.5.1 准确性367

17.5.2 精确性369

17.5.3 收敛性369

17.6 分布式的预测系统结构370

17.7 结论371

参考文献372

第四部分 操作381

第18章 质量保证381

概述381

18.1 美国国家航空航天局质量保证的政策要求382

18.2 质量体系标准385

18.3 质量条款386

18.4 工艺标准387

18.5 政府合同质量保证388

18.6 政府强制检查点389

18.7 质量管理体系审核391

18.8 结论392

参考文献392

第19章 可维护性：理论与实践394

概述394

19.1 可靠性和可维护性的定义395

19.2 可靠性和可维护性工程397

19.3 可维护性实践400

19.4 提高可靠性和可维护性的措施402

19.5 结论404

参考文献404

第20章 人为因素406

概述406

20.1 背景407

20.2 下一代航天器的故障管理411

20.3 当代综合故障管理自动化414

20.4 实时故障管理人机自动化协作417

20.4.1 人机功能分配417

20.4.2 自动化活动中信息的可见性418

20.4.3 系统综合显示的方法419

20.5 人机协作理念420

20.6 实证测试和评估424

20.7 未来的发展趋势426

20.8 结论428

参考文献428

第21章 发射操作432

概述432

21.1 发射场操作介绍432

21.2 人工实施的健康管理433

21.2.1 航天飞机的复用操作433

21.2.2 国际空间站（ISS）的要素整合测试436

21.2.3 发射台操作438

21.2.4 发射倒计时439

21.2.5 一次性运载火箭处理439

21.3 系统健康管理441

21.3.1 传感能力441

21.3.2 综合数据环境441

21.3.3 配置数据自动化442

21.4 发射场中断飞行和紧急离舱442

21.5 后航天飞机的未来趋势444

21.6 结论445

参考文献445

第22章 载人航天飞行操作的故障管理方法446

概述446

22.1 飞行控制小组447

22.2 系统结构的影响448

22.3 操作的产品，工艺和技术455

22.4 从航天飞机和国际空间站汲取的经验463

22.5 结论466

参考文献466

第23章 军事后勤467

概述467

23.1 集中后勤469

23.2 美国海军陆战队的自主后勤473

23.3 系统健康管理对军事行动和后勤的影响及效益478

23.4 系统健康管理在军事行动和后勤的价值体现481

23.5 结论487

参考文献487

第五部分 子系统健康管理491

参考文献491

第24章 飞机推进系统健康管理493

概述493

24.1 引言493

24.2 基本原则494

24.2.1 模块性能分析494

24.2.2 发动机健康状态跟踪496

24.3 以发动机为主的健康管理498

24.3.1 传感器498

24.3.2 发动机气路499

24.4 运行条件499

24.4.1 驱动499

24.4.2 机械部件499

24.4.3 振动499

24.4.4 润滑系统500

24.4.5 涡轮机械500

24.4.6 叶片的直接测量500

24.4.7 前景501

24.5 计算用主机501

24.6 软件501

24.6.1 全权限数字发动机控制代码502

24.6.2 异常检测502

24.6.3 信息融合503

24.6.4 故障隔离503

24.7 机载模型504

24.8 部件使用寿命估计504

24.8.1 传统的计算部件寿命的方法504

24.8.2 先进的部件寿命使用情况跟踪505

24.9 发动机健康管理系统设计505

24.9.1 安全性506

24.9.2 全寿命费用506

24.9.3 机群管理供应商507

24.10 支持层次化方法508

24.11 结论508

参考文献509

第25章 用于健康管理的智能传感器513

概述513

25.1 引言514

25.2 传感器技术516

25.2.1 实用性517

25.2.2 可靠性517

25.2.3 冗余和互联517

25.2.4 正交性518

25.3 传感器系统的发展518

25.3.1 智能传感器518

25.3.2 “贴片式”泄漏检测传感器技术521

25.4 支撑技术：高温应用实例523

25.5 测试仪器和无损评估523

25.6 传感器系统到飞行的转化524

25.6.1 性能因素考虑525

25.6.2 物理因素考虑525

25.6.3 环境因素考虑525

25.6.4 安全性和可靠性考虑526

25.7 支持层次化的方法526

25.8 结论527

致谢529

参考文献529

第26章 结构健康监控531

概述531

26.1 引言531

26.2 建议的框架532

26.2.1 影响监测532

26.2.2 热保护系统中的螺栓松动检测535

26.2.3 内置结构健康监控系统的设计538

26.3 支持层次化的方法540

26.4 结论540

致谢541

参考文献541

第27章 电源系统健康管理543

概述543

27.1 引言544

27.2 主要蓄电池部件及其失效模式综述544

27.2.1 太阳能电池板545

27.2.2 燃料电池546

27.2.3 蓄电池548

27.2.4 转轮能量储能550

27.2.5 电源管理和分配551

27.3 当前电源系统健康管理综述554

27.3.1 哈勃太空望远镜554

27.3.2 国际空间站555

27.3.3 航天飞机556

27.3.4 航空领域556

27.4 未来电源系统的系统健康管理557

27.4.1 设计注意事项557

27.5 支持层次化的方法558

27.6 结论559

参考文献559

第28章 航电系统健康管理562

概述562

28.1 航电系统描述563

28.1.1 航电部件563

28.1.2 航电系统结构565

28.1.3 航电技术565

28.2 电气、电子与机电部件认证566

28.2.1 商业级567

28.2.2 工业级567

28.2.3 军用级567

28.2.4 航天级568

28.3 环境568

28.3.1 环境参数568

28.4 故障源571

28.4.1 设计缺陷571

28.4.2 材料缺陷572

28.4.3 制造缺陷572

28.5 当前航电健康管理技术572

28.5.1 扫描设计／内置自检573

28.5.2 错误检测和校正574

28.5.3 边界扫描574

28.5.4 表决576

28.5.5 空闲数据模式诊断576

28.5.6 输入保护577

28.5.7 模块测试和维护总线578

28.5.8 智能传感器和执行器579

28.5.9 航电系统579

28.6 航电系统健康管理要求580

28.6.1 预测健康管理与恢复581

28.6.2 异常和故障检测582

28.6.3 恢复583

28.7 支持层次化的方法584

28.8 结论584

参考文献585

第29章 健康管理的容错结构587

概述587

29.1 引言587

29.2 系统失效响应的阶段588

29.3 系统级提高可靠性的方法589

29.4 太空任务的容错软件体系结构590

29.4.1 通用航天器592

29.4.2 国防气象卫星计划593

29.4.3 火星探路者595

29.5 用于商用航空系统的容错软件体系结构596

29.5.1 通用航空系统597

29.5.2 空客A330/A340/A380598

29.5.3 波音777599

29.6 观测和趋势599

29.6.1 商业货架部件600

29.6.2 “线控”软件和自治600

29.6.3 故障源的增加和余度升级602

29.6.4 特殊领域的观察603

29.7 支持层次化的方法603

29.8 结论604

致谢604

参考文献604

第30章 飞行控制健康管理607

概述607

30.1 飞行控制系统健康管理前瞻608

30.1.1 商用客机608

30.1.2 无人机608

30.1.3 航天器609

30.1.4 可重复使用的太空探索飞行器609

30.2 飞行控制系统的组成609

30.3 飞行控制传感器和执行器的健康管理611

30.3.1 传感器健康管理612

30.3.2 执行器健康管理614

30.4 飞控系统和空气动力学健康管理616

30.4.1 导航健康管理617

30.4.2 制导健康管理618

30.4.3 控制健康管理618

30.5 飞行控制健康管理的益处619

30.6 支持层次化的方法619

30.7 结论620

参考文献620

第31章 寿命保障健康管理623

概述623

31.1 引言623

31.1.1 寿命保障系统626

31.2 建模627

31.2.1 基于物理特性的建模628

31.2.2 基于资源的建模631

31.3 系统体系结构631

31.3.1 行为显示器和诊断器632

31.3.2 故障自适应控制器633

31.3.3 管理控制器635

31.3.4 资源监视器637

31.3.5 计划和安排637

31.4 未来美国国家航空航天局的寿命保障应用637

31.4.1 载人探索飞行器638

31.4.2 月球居住638

31.4.3 火星居住638

31.5 支持层次化的方法638

31.6 结论639

参考文献639

第32章 软件642

概述642

32.1 软件失效导致的事故案例分析642

32.2 现有方法644

32.2.1 多版本软件644

32.2.2 恢复模块645

32.2.3 异常处理645

32.2.4 数据获取方法646

32.3 挑战647

32.4 支持层次化的方法648

32.5 结论648

参考文献649

第六部分 系统应用655

第33章 运载火箭健康管理655

概述655

33.1 引言655

33.2 运载火箭系统健康管理的功能和使用范围656

33.3 运载火箭术语和操作659

33.4 关于“运载火箭可靠性”的经验教训659

33.5 运载火箭系统健康管理的需求和体系结构661

33.6 运载火箭系统健康管理的分析和设计663

33.6.1 运载火箭系统健康管理的分析过程概述663

33.6.2 机载运载火箭系统健康管理的设计665

33.6.3 地面运载火箭系统健康管理设计668

33.7 运载火箭系统健康管理系统描述669

33.7.1 改进型可重复使用运载火箭系统健康管理669

33.7.2 美国国家航空航天局太空运输系统的运载火箭系统健康管理670

33.7.3 先进的可重复使用的发射载具运载火箭系统健康管理测试程序671

33.8 运载火箭系统健康管理未来系统的要求673

33.8.1 可重复使用型运载火箭与操作响应型宇宙飞行器673

33.8.2 载人级运载火箭674

33.8.3 运载火箭系统健康管理的配置功能675

33.8.4 冗余、容错、载人评估676

33.9 结论677

参考文献678

第34章 无人驾驶航天器健康管理680

概述680

34.1 引言681

34.2 航天器健康与深太空任务的综合考虑682

34.3 航天器系统健康管理的实施方法684

34.4 标准故障保护的实施684

34.5 无人驾驶航天器系统健康管理的配置686

34.6 航天器地面系统健康管理规则和要求687

34.7 系统故障保护结构与子系统内部故障保护结构688

34.7.1 故障保护监测结构689

34.7.2 标准的故障保护应用实例：命令损失690

34.7.3 标准故障保护的应用实例：低电压错误690

34.8 结论693

参考文献693

第35章 战术导弹健康管理695

概述695

35.1 引言696

35.2 储存监控结果696

35.3 概率预测建模697

35.3.1 应力和强度干涉法699

35.3.2 累积损伤函数法700

35.3.3 威布尔寿命预测方法703

35.4 结论705

参考文献706

第36章 战略导弹健康管理708

概述708

36.1 引言708

36.2 固体火箭发动机的基本法则709

36.3 发动机部件711

36.3.1 机壳711

36.3.2 推进剂—衬层—隔热系统711

36.4 战略火箭健康管理面临的挑战712

36.4.1 材料属性变化712

36.4.2 材料老化713

36.4.3 缺陷713

36.5 固体火箭系统健康管理的现状714

36.5.1 已部署系统健康管理系统的技术现状715

36.5.2 实验室系统健康管理演示的技术现状716

36.6 固体火箭发动机系统健康管理当前面临的挑战717

36.6.1 固体火箭发动机系统健康管理数据的采集、存储和分析717

36.6.2 系统寿命与可靠性718

36.6.3 使用寿命传感器的匮乏719

36.6.4 商业案例719

36.7 结论720

参考文献721

第37章 旋翼机健康管理722

概述722

37.1 引言722

37.2 旋翼机系统健康管理标准操作725

37.3 新的做法728

37.4 经验教训730

37.5 未来的挑战731

37.6 结论732

参考文献733

第38章 商业航空健康管理737

概述737

38.1 商业航空面临的挑战738

38.2 系统健康管理的分层方法738

38.3 商用航空系统健康管理的演化739

38.3.1 第一代系统740

38.3.2 第二代系统740

38.3.3 第三代系统741

38.3.4 第四代系统741

38.4 商业技术发展现状742

38.4.1 Primus Epic中央维护计算机743

38.4.2 波音787成员信息系统／维护系统748

38.5 下一代：智能飞行器／感知和响应751

38.5.1 实现“感知—响应”向网络中心操作的转变752

38.5.2 应用瓶颈754

38.5.3 下一步措施754

38.6 结论755

参考文献755

术语（名词解释）757

缩略语759