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