中國電子學會

中國電子學會團體標準

《面向復(fù)雜電子裝備運行維護需求的故障預(yù)測應(yīng)用指南》編

制說明

一、工作簡況

1、任務(wù)來源

《面向復(fù)雜電子裝備運行維護需求的故障預(yù)測應(yīng)用指南》標準制定是2021年中國電子學

會團體標準計劃項目之一，計劃號：JH/CIE182-2021，由中國電子學會可靠性分會提出，

由中國電子學會可靠性分會歸口，主要承辦單位為工業(yè)和信息化部電子第五研究所。項目起

止時間：2021.12-2022.12。

2、主要工作過程

2021年6月，完成面向復(fù)雜電子裝備運行維護需求的故障預(yù)測國內(nèi)外相關(guān)標準情況調(diào)研。

2021年7月-8月，完成面向復(fù)雜電子裝備運行維護需求的故障預(yù)測總體技術(shù)路線、實施

方案規(guī)劃和關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計及論證，并編制標準草案初稿。

2021年10月由工業(yè)和信息化部電子第五研究所組織所內(nèi)專家評審?fù)瓿蓸藴什莅傅乃鶅?nèi)

評審，并形成工作組討論稿。

2022年11月-3月，完成標準草案內(nèi)部的修改，并開展標準草案的測試驗證工作，同時，

按照學會要求準備形成《面向復(fù)雜電子裝備運行維護需求的故障預(yù)測應(yīng)用指南》標準（征求

意見稿初稿）。后續(xù)即將發(fā)給行業(yè)內(nèi)專家進行首輪意見征集并修改。

3、標準編制的主要成員單位及其所做的工作

主要承辦單位：工業(yè)和信息化部電子第五研究所，主要完成相關(guān)標準和文獻調(diào)研、標準

技術(shù)點研究、標準編制以及意見征集。

二、標準編制原則和確定主要內(nèi)容的論據(jù)及解決的主要問題

1、編制原則

參照GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》進行

標準編制。

標準研究立足于復(fù)雜電子裝備故障預(yù)測技術(shù)及方法的研究，實現(xiàn)復(fù)雜電子裝備的預(yù)測流

程設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與分析、特征提取、預(yù)測方法選取及建模等故障預(yù)測參考體系，適應(yīng)復(fù)雜

裝備故障預(yù)測技術(shù)的數(shù)字化、智能化的要求，明確了故障預(yù)測的體系架構(gòu)和具體內(nèi)容。

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2、確定標準的主要內(nèi)容和框架

本標準主要內(nèi)容的依據(jù)源于項目《面向復(fù)雜裝備的全壽命周期MRO系統(tǒng)》的主要技術(shù)內(nèi)

容和技術(shù)方案，項目針對復(fù)雜電子裝備開展了相關(guān)故障模式的調(diào)研、預(yù)測算法模型的研究以

及試驗驗證等工作，標準的架構(gòu)體系參考國外IEEE、IEC等PHM相關(guān)標準體系架構(gòu)并進行擴

展和完善。

本標準的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容框架包括：（1）范圍；（2）規(guī)范性引用文件；（3）術(shù)語和定義；

（4）縮略語；（5）一般要求；（6）故障預(yù)測設(shè)計流程；（7）預(yù)測方法的選取原則；（8）

故障預(yù)測方法；（9）預(yù)測報告；（10）附錄A（資料性）預(yù)測報告子（示例）；（11）附錄

B（資料性）常用故障預(yù)測方法。

3、編制過程中解決的主要問題

本文件編制過程中主要規(guī)定了復(fù)雜電子裝備運行維護過程中所采用的故障預(yù)測技術(shù)的

一般技術(shù)要求、故障與設(shè)計流程、預(yù)測方法的選取原則以及主要故障預(yù)測方法等內(nèi)容。本標

準首先對復(fù)雜電子裝備的一般技術(shù)要求進行了規(guī)定，然后設(shè)計了故障預(yù)測的主要流程，再次

對預(yù)測方法的選取原則和主要故障預(yù)測方法進行了規(guī)范性的定義和梳理，最后對預(yù)測報告的

格式和內(nèi)容進行了規(guī)范性解釋和說明。

三、主要試驗[或驗證]情況分析和預(yù)期達到的效果

本編制組在前期的復(fù)雜裝備的故障預(yù)測相關(guān)研究中，針對航空電子綜合處理系統(tǒng)的故障

注入及預(yù)測算法測試，搭建了實驗室仿真及測試驗證平臺，測試結(jié)果證明的預(yù)測技術(shù)和方法

的準確及有效性。

基于故障注入硬件平臺和Labview測控軟件開展P2020實驗板和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的測試實

驗，完成P2020各個模塊工作狀態(tài)下相關(guān)參數(shù)的測試。

實驗器材：

本實驗故障注入平臺基于PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和其他分立儀器搭建而成，如表1所示，

主要包括：

表1故障注入平臺模塊化儀器

模塊化儀器型號說明

PXIe-8135控制模塊

PXIe-1062Q機箱

PXI-4110電源板卡

PXI-4461動態(tài)信號采集模塊

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PXIe-6363X系列多功能采集卡

PXI-4072數(shù)字萬用表

PXI-5124數(shù)字化儀

PXI-5422任意波形發(fā)生模塊

TCP/IPTCP/IP網(wǎng)絡(luò)（路由器）

Channel1553PXI

1553B總線接口模塊

InterfaceModulefromAIT

PXI-2533矩陣開關(guān)

SCB-68等相關(guān)接線盒

分立儀器：電源、信號源、示波器、負載和Labview軟件。

實驗原理：

本實驗主要使用的儀器主要包括故障注入硬件平臺、P2020實驗板、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。上

述器材的連接原理如圖4所示，其中故障注入平臺以PXIe-8135為核心控制模塊，控制

PXI-5422故障信號發(fā)生模塊產(chǎn)生故障信號，通過PXI-25334*64矩陣板卡把故障信號注入到

P2020實驗板的各個測試點。P2020實驗板通過多條信號注入線與PXI-2533內(nèi)部的列引腳

相連，以實現(xiàn)故障信號經(jīng)通道選擇后在P2020實驗板不同位置的注入功能。

本實驗以PXI-5124為信號采集和波形顯示功能核心板卡，P2020實驗板的信號測

量點通過信號線連接到PXI-2533的不同列引腳，通過選通列引腳與行引腳將待觀測信號引

入PXI-5124的信號輸入端，通過設(shè)計的Labview軟件將PXI-5124采集到的數(shù)據(jù)顯示為直觀

波形。P2020實驗板通過PCI-E接口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，以實現(xiàn)兩臺或者多臺P2020實驗

板通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進行互相通信。

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TCP/IP網(wǎng)絡(luò)

實驗系統(tǒng)架構(gòu)

PCI-E接口

E-PCI

接口

P2020實驗板P2020實驗板

信號注入線

以太網(wǎng)

信號注入線以太網(wǎng)

故障注入平臺

圖4故障注入與信號監(jiān)測實驗框架

實驗過程：

在系統(tǒng)正常連接工作時，使用基于Labview開發(fā)的測控軟件對P2020板卡的某些電路

引腳進行故障信號注入、數(shù)字信號采集和波形顯示，另外通過在P2020板卡上運行的軟件

采集CPU負載率等操作系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。測控軟件界面如下圖5所示。

圖5測控軟件運行界面

本實驗通過測控軟件設(shè)定故障注入信號具體參數(shù)、并入電阻阻值、并入電容容值的設(shè)

定，以及故障注入和相關(guān)信號采集的具體位置。具體的，各路信號都通過PXI-25334*64矩

陣板卡，通過選通板卡上不同的行與列，即可控制信號的發(fā)送和接收。

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故障注入和信號測量需通過外部信號線把P2020實驗板的某些引腳和PXI-2533的相應(yīng)

引腳連接起來，具體的實物連接如圖6所示。

圖6P2020實驗板信號測試連線

在指標驗證過程，通過故障注入的方式選擇若干典型漸進式故障或非漸進式故障。這

里給出指標驗證過程中選取的5種典型故障模式對應(yīng)的故障注入點及注入信號等細節(jié)情況，

見表2（五種典型故障模式對應(yīng)關(guān)系）。

表2典型故障模式對應(yīng)關(guān)系

故障模式故障注入點故障信號故障編號對象編號

P2020_GND（電容C164P2020_GND注入0-0.2V

CPU處理能力下的負極）噪聲信號

故障11#P2020

降P2020_CLK（晶鎮(zhèn)Y7P2020_CLK注入0-0.3V

的3號引腳）1KHz方波信號

USB_GND（U34的地引USB_GND注入0-0.3V噪

電路性能下降故障21#P2020

腳）聲信號

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DDR3_GND（電容C207DDR3_GND注入0-0.2V

負極）噪聲信號

存儲器性能下降故障31#P2020

DDR3_CLK（晶鎮(zhèn)Y8DDR3_CLK注入0-0.3V

的3號引腳）5KHz方波信號

VSC7385（U23）的GNDGND注入0-0.2V噪聲信

網(wǎng)絡(luò)通信速度下（Y2的2號引腳）號

故障41#P2020

降VSC7385的CLK信號CLK注入0-0.2V10KHz

（Y2的3號引腳）方波信號

CPLD_GND（Y11的2CPLD_GND注入0-0.2V

CPLD工作異常

號引腳）噪聲信號

導致系統(tǒng)啟動出故障51#P2020

CPLD_CLK（Y10的3CPLD_CLK注入0-0.2V

錯

號引腳）3KHz方波信號

IMA系統(tǒng)資源層健康預(yù)測模型的預(yù)測評估逼真度不低于80%。

1)詮釋

對于資源層健康評估模型的評估逼真度主要考慮反映隨著模型變量的變化，健康評估

模型結(jié)果變化趨向的符合性。

2)考核方式

選取資源層若干個典型案例，在仿真驗證平臺上，運行資源層定義的主要失效模式的

樣本數(shù)據(jù)，得到仿真評估結(jié)果。由評估專家組對評估結(jié)果變化的趨向符合性進行評定，超過

80%的案例評定為滿足趨向符合性，即視為滿足技術(shù)指標要求。

指標3的驗證：

IMA仿真驗證平臺（系統(tǒng)）中包含2個P2020實驗板卡。驗證指標3，選擇1#P2020

實驗板卡試驗。采用故障注入的方式模擬1#P2020板3種漸進式故障模式，分別包括CPU

處理能力下降（漸進式故障1）、存儲器存儲能力下降（漸進式故障2）、網(wǎng)絡(luò)通信速度變慢

（漸進式故障3）。每種故障模式按故障注入的強度分為正常（不注入故障）、輕微退化和中

度退化三個級別，對應(yīng)的健康等級分別為健康、亞健康、非健康三個等級。

分別采集每種故障模式下健康、亞健康以及非健康（對應(yīng)不同的故障注入強度）三個

狀態(tài)的數(shù)據(jù)，每種狀態(tài)采集時間設(shè)置為2分鐘，對每種狀態(tài)采集數(shù)據(jù)隨機截取3秒數(shù)據(jù)片段，

得到每種故障三種狀態(tài)下合計9秒鐘的16路信號數(shù)據(jù)。每種故障重復(fù)5次試驗，最終得到

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IMA仿真系統(tǒng)在3種漸進式故障模式下的15組試驗數(shù)據(jù)。

對于得到的IMA仿真系統(tǒng)在3種漸進式故障模式下的15組試驗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含

16路信號的參數(shù)值。將數(shù)據(jù)發(fā)送至IMA系統(tǒng)資源層PHM仿真驗證平臺進行算法評估。通

過健康評估算法得到每組試驗的健康度變化情況。通過健康度曲線與實際故障注入數(shù)據(jù)的仿

真進行比對，試驗中的15個案例中有13個案例計算出的健康度預(yù)測曲線趨勢符合實際故障

注入時從正?！p微退化→中度退化的仿真試驗背景，見圖7及圖8。據(jù)此，進一步計算得

到健康預(yù)測模型的預(yù)估逼真度為86%，滿足IMA系統(tǒng)資源層健康評估模型的預(yù)測評估逼真

度不低于80%的指標要求。試驗結(jié)果見表3：

表3P2020漸進故障注入情況

試驗序號故障注入注入強度1注入強度2注入強度3測試結(jié)果

1漸進故障1不注入輕微中度趨勢符合

2漸進故障1不注入輕微中度趨勢符合

3漸進故障1不注入輕微中度趨勢符合

4漸進故障1不注入輕微中度趨勢符合

5漸進故障1不注入輕微中度不明顯符合

6漸進故障2不注入輕微中度趨勢符合

7漸進故障2不注入輕微中度趨勢符合

8漸進故障2不注入輕微中度趨勢符合

9漸進故障2不注入輕微中度趨勢符合

10漸進故障2不注入輕微中度趨勢符合

11漸進故障3不注入輕微中度趨勢符合

12漸進故障3不注入輕微中度趨勢符合

13漸進故障3不注入輕微中度不明顯符合

14漸進故障3不注入輕微中度趨勢符合

15漸進故障3不注入輕微中度趨勢符合

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