《装备部件间歇故障检测与诊断技术》聚焦于间歇故障在装备任务关键时刻随机发生、难以捕获与复现这一棘手难题，系统总结国内外间歇故障检测与诊断技术*新研究成果及作者多年研究实践，提出“机理分析—环境工况激励复现—传播分析—检测诊断—健康评估”间歇故障确定性检测与诊断方案，对装备部件间歇故障产生原因、机理及表现形式进行深入分析和建模；根据装备部件间歇故障的机理与特点，提出基于环境激励的间歇故障复现技术，分析间歇故障传播特性与影响，阐述确定性间歇故障检测与诊断技术、基于间歇故障特征的健康状态评估与预测技术等。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 装备间歇故障研究背景 1
1.2 装备间歇故障基本内涵 3
1.2.1 间歇故障基本概念 3
1.2.2 间歇故障与间歇失效 4
1.2.3 间歇故障的分类 6
1.3 装备间歇故障检测与诊断技术研究现状 8
1.3.1 国外研究现状 8
1.3.2 国内研究现状 11
1.4 装备间歇故障检测与诊断关键技术分析 13
第2章 装备部件间歇故障机理分析 16
2.1 装备部件间歇故障的诱因分析 16
2.1.1 装备板内连接型间歇故障诱因分析 16
2.1.2 装备板间连接型间歇故障诱因分析 26
2.2 装备板内连接型间歇故障机理分析 28
2.2.1 板内连接型间歇故障过程分析 28
2.2.2 板内典型连接结构特性分析 30
2.2.3 焊点间歇故障机理分析 32
2.3 装备板间连接型间歇故障机理分析 35
2.3.1 板间连接型间歇故障过程分析 35
2.3.2 板间连接器动力学与电路模型分析 36
2.3.3 板间连接器间歇故障机理分析 47
第3章 装备部件间歇故障复现技术 62
3.1 装备部件间歇故障与环境关联关系分析 62
3.1.1 温度应力与间歇故障关联关系 62
3.1.2 振动应力与间歇故障关联关系 63
3.2 装备部件间歇故障复现总体方案 63
3.2.1 装备部件间歇故障复现方案设计原则 63
iv 装备部件间歇故障检测与诊断技术
3.2.2 装备间歇故障复现方案 65
3.3 基于服役环境应力的间歇故障复现方法 65
3.3.1 服役环境应力剖面分析 66
3.3.2 基于服役环境应力的间歇故障复现流程 66
3.4 基于恒加应力的间歇故障加速复现技术 70
3.4.1 基于恒加应力的间歇故障加速复现总体方案 70
3.4.2 间歇故障加速复现模型 71
3.4.3 服役环境应力下间歇故障频次估计 73
3.5 基于步进应力的间歇故障加速复现技术 80
3.5.1 基于步进应力的间歇故障加速复现原理 80
3.5.2 基于步进应力的间歇故障加速复现试验优化模型构建 84
3.5.3 基于步进应力的间歇故障加速复现试验优化设计 89
3.5.4 基于步进应力的间歇故障加速复现试验优化设计算法 90
第4章 装备部件间歇故障传播特性与影响分析 92
4.1 装备部件物理层间歇故障的传播特性分析 92
4.1.1 装备部件间歇故障的建模与试验模拟方法 92
4.1.2 装备部件间歇故障传播演化机理的定性分析 96
4.1.3 装备部件间歇故障传播演化机理的定量分析 101
4.2 装备部件间歇故障的分层影响分析 111
4.2.1 装备部件间歇故障特性与层级分析 111
4.2.2 装备部件间歇故障分层传播介质分析 112
4.2.3 装备部件间歇故障分层传播路径分析 115
4.2.4 装备部件间歇故障分层传播不确定性分析 118
4.3 装备部件间歇故障的分层影响建模分析 120
4.3.1 基于因果分层拓扑网络的间歇故障传播模型 120
4.3.2 基于因果分层拓扑网络的间歇故障传播模型求解方法 125
4.3.3 基于CHTNM 的间歇故障分层传播推理分析 130
4.4 装备部件间歇故障传播影响案例分析 133
4.4.1 面向毫米波雷达的CHTNM 构建 133
4.4.2 面向毫米波雷达的故障分层传播推理分析 136
4.4.3 试验验证与分析 139
第5章 装备部件间歇故障检测与诊断技术原理 148
5.1 装备部件间歇故障特性分析 148
5.1.1 装备部件间歇故障理论分析 148
5.1.2 装备部件间歇故障动力学模型构建 152
5.1.3 装备部件间歇故障频率特性分析 158
5.1.4 装备部件间歇故障随机特性分析 165
5.2 装备部件间歇故障极速检测技术 171
5.2.1 间歇故障检测方法概述 171
5.2.2 基于锁存与触发的间歇故障检测方法 173
5.2.3 基于正交硬件网络结构的多通路并行检测方法 177
5.3 基于响应信号特征分析的装备部件间歇故障诊断方法 185
5.3.1 基于响应信号特征分析的间歇故障诊断隔离方法思路 185
5.3.2 基于小波分析的瞬态响应特征提取方法 187
5.3.3 基于小波时频熵能量序列的间歇故障隔离方法 191
5.4 基于瞬断放电信号特征的装备部件间歇故障诊断方法 194
5.4.1 间歇故障瞬断放电信号特性及放电信号模型分析 194
5.4.2 间歇故障瞬断放电信号数据获取 197
5.4.3 基于特征提取与支持向量机的间歇故障诊断 202
5.4.4 基于卷积神经网络的间歇故障诊断方法 216
5.5 装备部件间歇故障检测与诊断系统原理 221
5.6 装备部件间歇故障检测与诊断案例分析 224
第6章 基于间歇故障特征的装备部件健康状态评估与预测技术 229
6.1 基于间歇故障时域特征的装备部件健康状态评估与预测方法 229
6.1.1 基于间歇故障广义强度的装备部件健康状态表征分析 229
6.1.2 基于HSMM的装备部件使用状态转移模型构建 243
6.1.3 基于HSMM的装备部件使用状态评估方法 246
6.1.4 基于HSMM的装备部件剩余寿命预测方法 253
6.1.5 案例分析 255
6.2 基于间歇故障动态响应信号特征的装备部件退化状态评估方法 261
6.2.1 间歇故障动态响应信号特性及动力学模型分析 261
6.2.2 间歇故障动态响应信号特征分析 267
6.2.3 基于深度信念网络和多任务学习模型的退化状态评估 277
6.3 基于间歇故障长期演化信号特征的装备部件剩余寿命预测方法 284
6.3.1 电连接器间歇故障长期演化信号数据获取 284
6.3.2 电连接器健康退化*线及剩余寿命预测起始点分析 289
6.3.3 间歇故障长期演化信号特性分析与导电斑点模型分析 294
6.3.4 基于长短时记忆网络与注意力机制的剩余寿命预测方法 298
参考文献 312

第1章绪论
　　1.1装备间歇故障研究背景
　　近年来，随着装备实战化训练水平、任务强度和复杂性的提高，以及临近空间、深空、深海等计划的实施，装备结构越来越复杂，工作环境越来越恶劣，一个“黑色幽灵”越来越多地困扰装备尤其是电子设备的使用和保障，影响任务完成甚至导致任务失败，使保障难度和费用大幅度增加。这个“黑色幽灵”就是装备无故障发现(no fault found，NFF)问题。NFF是指装备单元在某维修级别被认为故障而拆卸，而在下一维修级别测试没有发现故障的现象。国内外统计发现，目前，NFF问题在飞机等大型复杂装备中表现日益突出。这些装备在执行任务过程中，其机内测试(built-in test，BIT)等指示了故障，但拆下维修时，近1/3的故障排查不出，即使配置强大的自动测试系统也检测不出，导致排故和修理难以下手。NFF问题直接有损于装备可用度，导致装备任务中断，降低任务成功率，还会导致装备好的部件错误拆换，造成无效的维修活动，增加维修费用和维修时间。如果NFF现象出现频率过高，操作者和维修者就会对BIT等测试手段失去信任，甚至忽略故障指示，当装备出现真实故障或异常时未进行处置，则可能造成严重后果。目前，国外航空装备维修中，NFF问题处理费用已经占电子设备维修费用的30%～50%，成为装备维修领域的棘手问题与“瓶颈”技术问题。研究与分析表明，导致装备NFF问题的主要原因是间歇故障(intermittent fault，IF)。
　　在导致装备NFF问题的原因中，间歇故障是一个*重要的原因，如飞机机载线缆的间歇故障问题(图1.1)。
　　间歇故障是不同于传统的永久故障的一种特殊故障表现形式[1]。我国军用标准GJB3385—98《测试与诊断术语》中给出的定义是：产品发生故障后，不经修理而在有限时间内或适当条件下自行恢复功能的故障。实质上，间歇故障危害可能比永久故障更严重，其特点是任务关键时刻随机、瞬时发生，持续时间极短，现地难以捕获与处置，往往导致任务失败，事后难以复现与排故，维护无从下手。目前，在故障诊断领域，间歇故障的检测与诊断问题仍未得到足够重视，原因有两方面：一方面，间歇故障在宏观表象上具有一定的随机性，学术界还未将其归结为一个科学问题展开系统而深入的研究；另一方面，间歇故障不同于永久故障，由于其瞬变、故障恢复等特性，其故障征兆及特征不易获取，利用传统诊断识别方法进行间歇故障检测与诊断相对困难。但近年来，随着大型复杂装备不断投入应用，装备NFF和间歇故障问题已逐渐成为故障诊断领域不可回避的核心问题，受到相关技术领域专家和学者的广泛关注，已逐渐成为当前国际的研究热点。
　　装备发生间歇故障导致NFF问题出现时，会导致装备任务中断，从而进行拆卸、换件等维修工作，会产生大量维修费用。以美国军队的F-16战斗机为例，每年由NFF问题造成的替换费用(用正常工作的电子箱替换现场测试不通过的电子箱)超过1300万美元，加上40%的由厂商维修时遇到的类似问题，NFF问题造成的替换费用超过2000万美元[2，3]。另外，NFF问题发生后，被拆故障单元在维修检测合格后无法排除故障或问题归零，并且类似情况发生若干次后，装备使用部门可能不再换件送修，而是凭经验采用重启、重新插拔等手段尝试使设备恢复正常。装备使用部门深刻反映，这种处理方式实属权宜之计，虽然可使设备暂时恢复工作，但并未找到故障原因，无法排除间歇故障问题。装备实际上是带隐患工作的，后续工作时特别是实战化环境下故障可能又会发生，不仅失去了永久故障发生前改进和修复的宝贵时机，而且可能因为间歇故障发生而错过稍纵即逝的任务窗口，直接导致装备的任务失败，成为影响装备可用性和任务成功的重大隐患。由于当前复杂装备BIT等检测手段能力有限，各类电子设备中还有相当的间歇故障在装备使用过程中可能未被检测出来，虽然装备没有报警，但装备已经带隐患工作，长此以往，将严重影响装备的完好性和任务执行能力。
　　在近期及未来几年，随着越来越多的大型复杂装备在我国投入使用，间歇故障尤其是连接型间歇故障将处于高发期，其检测与诊断需求迫切，主要体现在：①连接型间歇故障的出现与使用环境密切相关，随着装备使用与保障强度越来越大，环境越来越复杂、严酷，连接型间歇故障出现频度会越来越高，将给装备服役安全等带来很大的隐患，严重影响战备完好性和任务执行力；②从国外研究发现的连接型间歇故障发生规律来看，连接型间歇故障也与设备连接环节老化过程相关，在类似的使用环境下，一般在设备寿命前中期出现频度较小，寿命中后期出现频度较大。随着我国各类大型复杂装备服役年限的增长，装备电子设备将面临较严重的连接型间歇故障和NFF问题，如我国的某主战装备，已逐步步入电子设备连接型间歇故障的高发期，对装备使用和任务执行的影响将越来越大。由于间歇故障具有随机性、过程时间短等特点，目前的故障检测与诊断方法难以实现对其准确检测、隔离与定位，排故与维修无从下手，而工程中基于经验等简单处理方式不仅不能真正解决该问题，而且可能会导致严重后果。因此，针对电子设备间歇故障，尤其是连接型间歇故障开展检测与诊断技术研究，这对于提高装备完好性和保障效能具有重要意义。
　　1.2装备间歇故障基本内涵
　　1.2.1间歇故障基本概念
　　间歇故障是指持续时间短、可反复出现、未经处理可自行消失的非永久故障，具有随机发生、短时自行恢复的特性。间歇故障*鲜明的特性在于发生时间不确定、持续时间随机。其本质是装备在振动、温度等环境应力和工作载荷长期作用下达到一定退化状态，服役中受到实时的强烈振动、热辐射等高应力产生的一种突变效应，具有随机出现、时有时无、持续时间短的特性。
　　国内外装备使用调研表明，间歇故障是在装备尤其是装备中电子设备服役中后期出现的一种主要故障类型。在装备使用过程中监控到间歇故障，但在后续更高级别维修环境下间歇故障不再发生，或通过某些手段将间歇故障复现，但现有测试手段无法检测定位间歇故障，是导致装备出现NFF问题的主要原因之一。间歇故障是不同于传统永久故障的一种特殊故障表现形式。间歇故障与瞬时故障、永久故障之间的区别如表1.1所示。
　　由表1.1可知，可恢复性是间歇故障区别于永久故障的关键特征。间歇故障发生后，即使不采用维修措施，故障征兆也会消失。而永久故障一旦发生，在未采取维修措施的情况下，电控装置将无法恢复至正常工作状态。间歇故障的可重复性是指，对电控装置施加适当的激励，如振动、温/湿度应力等，使装备在服役过程中出现过的间歇故障可能再一次出现，即复现，在内场复现出间歇故障是下一步间歇故障检测、诊断与评估的基础。间歇故障具有的随机性特征表现为故障发生和故障恢复的不可预测性，因此间歇故障的持续时间为有限时间，其故障征兆也呈现间歇性特征。
　　图1.2为间歇故障的一种表现形式。当装备的性能参数(如电压、电流等)超过故障阈值时，如图1.2中虚线所示，则发生故障。在故障持续有限时间后，装备性能参数恢复正常。在一次任务剖面或间歇故障复现周期内，间歇故障可能多次发生，并且不同间歇故障的持续时长、幅值均表现不同。
　　图1.2间歇故障的一种表现形式
　　1.2.2间歇故障与间歇失效
　　工程中，间歇失效这一术语很常见，那么间歇故障与间歇失效的关系是什么呢？正如Sugasawa和Seya[4]所指出，故障(fault)、失效(failure)和错误(error)的含义有所区别。故障为组件失去功能(lose its function)的状态，失效为系统失去特定功能(lose its specified function)的状态，也就是说，如果故障未被修复，它将引发失效。错误则为逻辑上正确的状态与观察值的不一致。在标准IEC60050-192《国际电工术语词汇第192部分：可靠性》[5]中，明确指出了失效是由故障引发的，故障是失效的原因。在实际应用中，失效和故障的名称有可能是相同的，如齿轮磨损，既是故障模式名称，也是失效模式名称。
　　对于用户，当其发现产品间歇性地失去功能时就判断产品发生了间歇故障，然而事实上直观上发现的间歇故障只是一种表象，称为系统间歇失效。
　　系统间歇失效的定义为：系统间歇性地失去规定功能的状态。间歇故障与间歇失效的关系如图1.3所示。
　　图1.3间歇故障与间歇失效的关系
　　系统间歇失效的原因可能有以下几种。
　　(1)超出容限的工作条件。由于设计缺陷、生产工艺的波动、装配误差和参数设置不当，每个器件的容许工作范围不一定符合设计的要求。造成超出容限工作条件的原因既包括外部环境，如振动、温度、湿度、电磁环境的变化，也包括工作应力和载荷的变化。此时该类失效称为工程型系统间歇失效，即由超出容限的工作条件造成的系统间歇失效。
　　例如，某操控系统开机上电时，关于液位和流量的显示均为0或乱码，重启后此现象仍然存在，关机一段时间以后再开机，此现象消失。这是因为处理液位显示的89C2051芯片电压过高，其实测值为5.06V，再加上开机瞬时的冲击电压，导致89C2051芯片的供电电压可能超出正常工作的电压，从而造成死机、乱码等故障现象。当调节芯片的电压为5V时，故障消失。
　　(2)永久故障组件的间断工作。正如deKleer等[6]所指出的，有一类间歇故障如果能在更低层级建模，间歇故障将消失。两条线短路造成装备中的某个门电路呈现出间歇故障，事实上是由不期望的连接造成的。在复杂系统装备中，在某一时间剖面，并不是所有器件都参与工作。对某个带有永久故障组件的器件来说，当它参与工作时，故障表现出来；当它未参与工作时，故障则被隐藏。因此，对于它的上一层级，其功能表现出了间歇性的特性。此时该类失效称为永久型系统间歇失效，即由永久故障组件间断工作造成的系统间歇失效。
　　例如，某操控系统操舵仪在模放通道自动操舵时电磁球阀有时会出现“噼里啪啦”的异响，这是因为航差信号发送电机输出电压在航差不变时有3.5V左右的波动，导致操舵仪输出控阀电信号波动，电磁阀频繁通断；再如，操舵微机偶尔出现死机现象，这是因为副操上的线性旋转变压器故障。
　　(3)间歇故障。间歇故障的发生是由于产品发生了实质的物理性退化，对系统工作造成间歇性的破坏，并能以相同的特征重复出现。从故障的影响来看，间歇故障的发生将导致三种结果：无错误影响、即时错误和延时错误。其中，无错误影响是指间歇故障的发生不会造成错误；即时错误是指当间歇故障发生时，立即造成了错误；延时错误是指当间歇故障发生时，在经历一个时间段后才会诱发错误。
　　无错误影响有两种情况：①当间歇故障的时间过短或者由其造成的非正常信号的阈值过低时，不足以影响系统工作；②当产品本身具有自适应或恢复机制时，所造成的错误被掩盖。例如，网络通信协议具有检错和重发功能，当网络连接器有轻微的接触不良时，个别数据会丢失，但并不会影响通信功能。延时错误是由于信号传输延迟或锁存，使得异常信号不会立即诱发错误。因此，根据故障的结果，间歇故障可分为无错误间歇故障、即时错误间歇故障和延时错误间歇故障。
　　综上可以看出，间歇故障具有如下特点：①随机性，即时间上发生的时刻、持续的时长都不确定；②反复性，即在同一个位置反复发生；③可恢复，即故障造成的错误或影响可消除，通常只关注会造成错误影响的间歇故障。根据以上分析，得到间歇故障的本质特点为：无规律重复发生的故障。这与IEC60050-192[5]中故障的定义保持形式上的一致。在这个定义中，间歇故障为由物理性退化引起的真实故障，以此与系统间歇失效相区分；明确了故障的时间特征，以此与永久故障相区分；指出了间歇故障的重复特性，以此与瞬时故障相区分。
　　1.2.3间歇故障的分类
　　从间歇故障的表现形式来看，间歇故障也是分层级的，不同层级的间歇故障具有不同的表现形式。某些间歇故障逐层影响，在装备各个层级都有所体现。以某连接器接触不良导致的间歇故障为例，在器件级表现为连接器