大海星辰，可靠性护航 | 何晶靖
可靠性是产品质量的根本保证，高可靠性是中国未来高质量制造的基石之一。
何晶靖
可靠性与环境工程技术国防科技重点实验室
北京航空航天大学副教授
什么是可靠性？
有研究发现，全球局部战争中间使用最多的就是AK-47，我不知道大家听到这个结果的时候是什么样的反应，当时我本人是很震惊的，因为我认为在一个科技这么发达，武器五花八门的情况下，最出彩的居然是简简单单的一把步枪，这是为什么呢？答案是因为AK-47是公认为最可靠的。那么它具有什么样的特性，让我们认为它是最可靠的呢？
第二，AK-47是一把特别简单的枪支，所用的零件非常少，维修起来很方便。作战的时候，能实现快速的排除故障，这一点大家都明白，在战争当中是非常重要的一点。
最后，也是很重要的一点就是AK-47之所以能成为“万枪之王”是因为它无论是在冰天雪地的车臣，或者是黄沙满地的伊拉克，或者是丛林密布的越南，AK-47一直保持着优良的性能。也就是说，这把枪在不同的环境下，能保持稳定的性能，它的环境适应性很好。
我们把AK-47所有这些优点集合在一起，抽象出来，其实就是咱们所说的可靠性，广义的可靠性包括了“六性”，环境适应性、测试性、保障性、安全性、维修性、可靠性，这就是我们所说的六种通用质量特性。也就是说，我们如果说一个装备，或者是一个产品，它的可靠性高，那一定是在说，它这六个方面都做得很好。
其实就相当于我们在怀孕的阶段，医生跟我们说你要吃维生素，这是为了保证胎儿的优生。在宝宝生下来之后，我们会精心的照顾他，相当于产品的使用阶段，我们在他的全生命周期监测它的故障，预测它的寿命，并且合理的制定维修策略，这是保证优育。可靠性对于一个产品而言，在出生之初保证了它的优生，在它的使用过程，保证了它的优育。一句话总结一下可靠性，是一门与故障做斗争的学科，它的定义是产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
大家可以看出可靠性其实是一门具有高度的交叉学科特点的新兴学科。之前在国内，可靠性主要是在航空航天，军工装备等领域被大家所熟知，但是随着现在《中国制造2025》，大国重器的宣传，大家越来越重视质量，重视可靠性。
我想跟大家聊一个比较有意思的事情，2013年的时候，为了鼓励美国民众使用美国制造，当时的美国总统奥巴马在迈阿密的港口做了一次演讲，而他的身后就是一个重型的起重机，上面挂着美国国旗。具有讽刺意味的是，当天刚好起了大风，风把美国国旗刮掉了，露出了当时被刻意遮挡起来的中国制造厂商的名字，这在美国的CNN上得到了大肆的报道。可见，中国的产品已经由以前的劣质低价，向优质高价发展了。
故障预测和健康管理技术
可靠性这么重要，那可靠性的关键性技术有哪些呢？今天我想跟大家聊聊可靠性领域的一项关键技术—故障预测和健康管理技术。
首先还是想跟大家说一个最近的航空事故，2018年4月17日，美国西南航空公司波音737型客机的发动机叶片发生了疲劳断裂，叶片打碎了整流罩和位于飞机左侧14排座椅处的窗户玻璃，造成了人员伤亡。大家可能说这会不会是一个个例，小概率事件。让我们来以数据说话，1990年到2000年这十年中间，军用航空发动机54%的A类事故和55%的发动机故障均来自高周疲劳，其维修费用占了整个空军维修总费用的30%，这个数据来自美国空军实验室。我的朋友圈当时被这个事故刷爆了，因为我的朋友圈中主要是做可靠性、做PHM的，这个案例就是经典的PHM和可靠性必要性的经典案例。
PHM要解决的就是对损伤微小阶段进行检测进而判断部件的寿命，从而实现及时、视情的维修，达到防止重大事故的目的。对于疲劳这样的损伤，PHM采用检测的手段使得微小的损伤在早期就发现，并对它的扩展行为进行监测，以防它导致最终灾难性的后果，这就是PHM最终的目的。
PHM的技术，最早是在航空发动机上使用的，像GE的F404，但是真正让PHM技术声名鹊起是在F35战斗机上的使用。F35之前，其实也提过PHM，但是主要都是做一些检测或者是故障诊断，而没有寿命预计这个很关键的一环，在F35上，正式加入了寿命预计，就完成了整个PHM流程。因为PHM技术在F35上成功的使用，这个技术也迎来了自己发展的春天，大家可以看到，这是简单的PHM三个重要的步骤。
首先是故障诊断，其实这个跟咱们看病是一样的。通过外在的表现，或者是内在的测量，来判断一个产品或者是一个系统的健康状态。有了这个诊断的信息，我们根据已有的物理、化学等知识来判断一个部件的维修时间或者使用寿命。再根据诊断的信息，加上现有的、可用的人力、物力资源，来合理安排我们的维修策略，就是现在经常说的视情维修，如何视情，就是看前面那两个步骤的结果了。展开来说，PHM的第一步诊断是在飞机结构或者是表面布各种传感器，来感知结构的健康状态，这个概念其实咱们的老祖宗华佗神医几千年前就提出来过，中医的望闻问切，其实跟航空领域中的PHM诊断是完全一样的。
再根据诊断结果对症下药，所以这个时候，我们就应该来制定维修策略，或者是更换策略。大家会说了，PHM在国外已经提出这么多年了，取得了什么样的成果呢？
发动机的故障诊断与寿命预测技术的使用，使得致命事故减少了80%，这是来自于美国航天局的数据。美国F22战机的PHM的装备也一直是它四代机重要的标志。同时，在民用方面，三大航空发动机公司，都在它的民用航空发动机，及大多数军用航空发动机都装备了EHM系统。
这是2014年FAA对美国圣地亚哥国家实验室开展的基于导波的PHM项目，进行适航认证，并且通过了。同时我也很高兴的了解到，商飞在结构健康监测，无损检测方面有了非常非常多的积累和成果。
现有PHM技术面临的挑战
已经有了这么高大上的PHM的技术，之前我们提到的西南航空公司的惨剧就一定能够避免吗？非常遗憾的说，不能100%肯定，为什么呢？是因为我们的PHM技术，虽然有了长足的发展，但是仍然面临着一些挑战。
挑战一：状态智能感知及大数据理论的应用
第一个挑战就来自于数据，我们期待的数据是非常的完整，非常的干净，这些数据就是未来我们做寿命预计的基础。而往往我们接收到的数据是有噪声的，我们的产品往往在非常严酷的环境下工作，比如说航空发动机，高温、高压、振动都有。最差的情况，我们还会接受到错的信息，或者是丢失数据信息。好的一面，现在大数据理论，还有机器学习理论的发展，在一定程度上，为我们的PHM数据的问题提供了一个有效的途径。
这是来自于中国工程物理研究院研究生院老师做的一个高精度全自动无损检测以及寿命评价的成果，大家可以看到，能够非常精准的还原整个产品结构的外形，并实现了高精度的内在缺陷的量化，最终还能以此为依据做出寿命及可靠性评价。
挑战二：新型智能传感理论、系统设计与制造
第二个挑战是来自于传感器的挑战，新型材料的大量使用。在商飞的CR929上，复合材料的应用已经大于50%，这个是CR929上一体成型的复合材料机体的结构。新材料的使用和大尺度、复杂几何外形的结构，也对我们的传感器提出了很大的挑战。所以高灵敏度、高环境适应性的柔性传感器技术也变成了PHM技术的一个挑战。
关于这方面，非常激动的想跟大家分享两个研究成果。一个是来自于香港理工大学老师所提出的喷涂式传感器，未来我们的传感器可能就不需要再贴上了，我们可以通过打印机喷上。另外一种，是来自于美国加州大学圣地亚哥分校老师的研究成果，他的研究成果已经在《Science》上发表了，这个传感器是柔性、可拉伸、可扩展的传感器。这些新型传感器的发展或者是应用，都为PHM技术提供了很强的硬件支持。
挑战三：故障机理本身的挑战
第三个方面的挑战是来自于故障机理本身的挑战，不知道大家是不是熟悉美国大片《复仇者联盟》，对钢铁侠是否有印象？他的盔甲每次装备的时候，都是几千片的零部件组装在一起，每次我看这个电影的时候，脑子里想的第一件事就是，它的可靠性一定很难做。为什么呢？因为每一个系统都不是孤立存在的，它是由很多的部件组成的，而部件一旦发生了故障，我们没办法头疼医头，脚疼医脚，因为故障就跟疾病一样，本身是可以传播的，如何传播，故障的级联效应，这些都成为PHM的一个挑战。
现在比较新的一个热点是集成计算材料工程，这个概念的提出就是为了解决刚才的跨尺度的问题，它要实现从原子到产品的跨尺度的全寿命周期的损伤建模与可靠性评价，这是一个非常新的技术，让我们拭目以待。
之后想跟大家分享一点关于PHM方面来自于美国的NASA的小笑话。以前怎么做PHM呢？打个比方，这儿有一座桥，有一个大部队要过桥，如何判断这个桥是否能承受这么多人呢？找一个人上去蹦两下，这个桥没有塌，然后就说这是安全的。但是实际上这个桥已经开始裂了，这就说明过去的那种比较老的健康检测的方法只能从外观来判断它是好的还是坏的。而现在是通过人，或者是更先进一点，机器人，来一个个做检测，做故障诊断。
未来我们希望通过手持平板电脑，采用无线信号，就知道这个产品的损伤情况、寿命情况，甚至拿着平板电脑，就知道整个机群的健康程度、维修策略，这是我们未来希望能够实现的。
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第3期：荆棘之路
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