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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/A380 598

29.5.3 波音777 599

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