基于狀態的維護增強型（CBM+）策略可以幫助軍事項目中的設計人員提高可靠性和可用性，改進維護實踐并降低生命周期成本。為狀態監測和健康評估而設計的低成本線路可更換單元（LRU）可以成為CBM+綜合戰略的重要組成部分。

基于狀態的維護加國防部指南［由國防部（DoD）于2017年3月發布］將CBM+描述為“有意識地將設備維護從故障時的無計劃，被動方法轉變為由狀態感知和集成的，基于分析的決策驅動的更主動和預測的方法。CBM+的實施通常見于高價設備或具有最關鍵故障效應模式的設備。根據國防部指南，運營和支持（O&S）成本占項目總生命周期成本的65%至80%。低成本的LRU通常不具有向CBM+處理提供足夠的預后數據所需的狀態監測功能。這種LRU只是提供對反應性維護系統的故障后可見性，從而限制了它們的實用性。

隨著CBM+繼續獲得牽引力，對軍方的好處將越來越取決于下游子系統診斷的參與程度。完整的以可靠性為中心的維護（RCM）分析將為預測性故障評估提供全套規則，這在較小的開發合同中并不常見。

即使使用成本較低、效用較低的設備，也可以使用通用組件實現對關鍵設備狀態的監控，從而使產品能夠參與CBM+。儀器儀表良好的 LRU 即使運行狀況監控不太復雜，也可以提供對單元操作的寶貴見解，并使設備更接近主動維護。

圖1：煤層氣+基礎設施領域。

狀態監測架構設計

圖1說明了建立信任措施+基礎設施領域。此環境中的合規 LRU 通常滿足傳感器、狀態監測、健康評估、通信和人機界面方面的要求。在這些區域執行處理的設計功能可以以合理的低經常性成本實現。盡管初始開發成本逐漸高于最常見的通過/不通過診斷，但高重利用率、更長的使用壽命和潛在的較低平均維護成本使其成為一個令人信服的商業案例。

可靠的運行狀況評估依賴于 RCM 分析的詳細規則，但在 LRU 級別，可靠性預測以及故障模式和影響關鍵性分析 （FMECA） 提供了足夠的信息來開發有意義的運行狀況評估算法。此類監控和分析可以發現趨勢，例如電流增加、直流電源線上的紋波或受損的熱圖。如果運行狀況評估仍然證明成本太高，則維護日志以供將來分析是一個合理的折衷方案。可以提取有價值的數據，以確定返回維修的設備是否經歷了沖擊、振動、溫度或輸入電源事件。

例如，在車載或航空電子顯示單元（DU）中，典型的診斷包括存儲器、通信端口內部環回、電源故障以及可能的LED ［發光二極管］驅動器電壓監控。如果有具有診斷中間件的單板計算機 （SBC），則可能提供其他測量的電源、溫度和電源周期計數數據。內置測試 （BIT） 選項包括上電、后臺、啟動以及可能一個或多個操作員參與的視覺測試。

用于狀態監測的DU如圖2所示。溫度、功率、加速度和光傳感器測量關鍵工作參數并將其傳輸到微控制器，以便進行后續的健康評估處理。

圖2：用于狀態監測的顯示單元（圖片由IEE提供）。

溫度傳感器

熱傳感器的低成本使開發人員能夠使用多個傳感器從多個位置收集溫度數據，以生成高分辨率熱圖。候選設計的范圍從具有內置校準和串行通信的高價傳感器，到需要額外模擬多路復用以向MCU提供信號的低成本熱敏電阻。圖3中的風格化描述是熱仿真研究的輸出，說明了電路板組件的典型熱曲線。當使用經驗數據進行驗證時，設計工程師可以很容易地選擇幾個關鍵位置進行熱測量，以支持對電路板熱曲線的實時測量。借助RCM+，這種溫度傳感器映射可以提供卡的有效測量，并支持故障條件的發生檢測。

圖3：電路板組裝熱圖可視化和實際測量（圖片由IEE提供）。

功率傳感器

隨著低成本單片器件的出現，一次和二次電源的電壓和電流監控得到了簡化。與溫度、CPU 利用率或其他因素無關的電壓和電流變化表明潛在故障的發生。

亮度傳感器

顯示單元可以跟蹤背光強度、環境光強度、背光驅動電流和電壓、溫度以及經過的時間，以拼湊出顯示器退化的趨勢數據。亮度檢測可用于增加故障檢測，而不是操作員反饋。盡管顯示器故障對操作員來說可能很明顯，但某些系統設計不允許操作員交互成為故障檢測的一部分，并且不會考慮BIT垂直度分析。

加速度傳感器

加速度計可以檢測沖擊和振動事件，并可以警告LRU受到沖擊和振動事件的影響，以進行故障預測或故障后根本原因分析。加速度計產生大量數據，因此其輸出應通過現場可編程門陣列（FPGA）或其他數據采集預處理器進行處理，以便僅存儲滿足閾值標準的加速事件。更復雜的設計可能包含足夠的功率保持能力，以檢測移除和移除后處理事件，在此期間 LRU 特別容易受到攻擊。

運行狀況監視

集成診斷工程師必須確定如何處理所有這些數據。由于缺乏完整的全系統RCM分析，供應商應執行足夠的故障分析，為健康監測提供基本規則。許多故障閾值特定于器件，需要從元件數據手冊中獲得大量規格詳細信息。盡管向CBM+環境提供有意義的LRU機器健康數據可能需要時間和精力，但健康監測是全面參與的關鍵組成部分。

通信

在我們的示例中，顯示單元負責向任務計算機提供相關的操作參數和運行狀況數據。該系統負責使各級建立信任措施+環境都能訪問數據。

人機界面

DU向操作員提供關鍵操作參數和健康評估數據，以便在執行任務期間采取變通措施。這些數據以更詳細的故障日志形式提供，使維護操作員可以使用CBM+通信基礎設施來完成有效的故障排除和維修。該裝置還使任務和維護操作員能夠啟動需要操作員反饋的診斷和目視測試。

傳感器是關鍵

低成本LRU可以通過實施傳感器、狀態監測、健康評估、通信和人機接口功能，更充分地參與CBM+環境。如果所有這些單元都在一定程度上實現這些功能，即使是軍方使用的關鍵設備的設計人員也會發現對總生命周期成本和可靠性的重大影響。

審核編輯：郭婷