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健康，顾名思义，是指一个人在身体、精神和社会等方面都处于良好的状态。随着科学技术的发展，装备和系统的运行能力和性能越来越受到人们的重视，借用一般意义上“健康”的概念，产生了装备健康及系统健康的观念，即设备或系统健康反映了装备在特定工作条件下的性能水平及其剩余工作能力。
随着现代化装备的不断发展，系统可靠性及可用性、系统效能水平、经济可承受性等指标要求被纳入到系统设计中。系统的测试及诊断技术涉及到相互关联、相互制约的多个层次的众多因素，系统在运行过程中可能会出现介于完全正常状态和完全故障状态之间的运行状态。系统健康论正是在这样的背景下诞生的，它不是孤立地仅将系统全寿命周期划分为“正常”和“故障”两个极端状态，而侧重于反映装备系统持续应对所处环境并完成规定任务的能力。系统健康度量与评价是故障预测与健康管理（PHM）体系的基础问题，本文给出装备系统健康度量与评价的基本原则和适用框架。
1 系统健康度量原则
结合装备结构复杂化、功能多样化的特点，同时考虑到系统工作任务频繁、使用环境多变、需确保高任务安全与任务成功等特点，装备系统的健康内涵应当从以下几方面考虑。
首先，系统的健康是一种良好的可用状态。装备系统本身的可靠性、耐久性、重构能力及自愈能力是确保装备系统能够长时间正常工作、大概率处于可用工作状态的重要因素；而装备系统所处的使用、维修及贮存环境是健康的主要影响因素；此外，装备系统合理使用和维修是继续保持和恢复健康的重要手段。
其次，系统的健康状态应当是可以度量表征的。各项健康指标的确定应当基于可以直接或间接测量或获取的健康表征量，从而为及时准确地确定装备系统的工作状态，隔离设备内部故障提供依据。正是通过对健康表征量的不断获取和整合，能够观测系统的运行状态变化及性能衰退水平，从而获知装备系统的实际工作能力。
最后，任务能力是健康的评价依据。随着战争对抗性的不断提高,对装备执行任务的成功性要求越来越高，必须在短时间内完成高强度的战斗任务。系统的健康水平，不应仅仅取决于其功能、性能指标要求，更应直接与其执行任务的能力关联起来。
基于以上分析，系统健康度量框架应当至少包含以下概念：
“健康标尺”是指系统持续应对所处环境并完成规定任务能力程度的度量，由健康度和健康等级组成。
“健康表征”是指影响系统健康的各种因素的集合。
“健康度”是指健康表征的规范化投影，一般取值在0-1范围内。
“健康等级”是基于健康度确定的健康级别划分。
“健康标尺”是指标定健康等级的临界水平，是健康等级取值范围的分界值。
2 健康表征集合的构建方法
健康表征集的构建主要包括健康表征量的获取、健康表征量的筛选这两大部分。健康表征量的获取依赖于对研究对象的结构、功能分解，并依赖于对应层次的故障模式影响分析结果，不同的故障模式有不同的表现形式及故障征兆，据此提取合适的健康表征元素。健康表征量的筛选则需要根据表征量的类型，进行可测性分析、去相关性分析，并分析其重要程度，从而筛选出能够获取、低冗余低相关性且具有较高重要性的精简的健康表征集。健康表征集合的构建过程如下。
2.1 结构与功能分析
常用方法包括工作分解结构（WBS）分析及功能分解结构（FBS）分析，前者是以以系统最高层次向最低层次分解和延伸构成一个有序的层次体系，用以反映系统的结构组成；后者是以系统的任务为先导，逐层的分解系统的功能，把系统的功能逐步分解到低层次系统。
图1 工作分解结构
图2 功能分解结构
2.2 故障模式影响分析（FMEA）
故障模式分析是可靠性分析的一个基本工作项目，也是确定健康表征参数的必经步骤。故障模式分析在于通过系统分析，确定零部件、子系统、设备、软件在设计和使用过程中所有可能的故障模式，以找出潜在的薄弱环节，并确定故障模式对应的故障征兆量。FMEA的实施一般是通过填写FMEA表格进行，在进行FMEA分析的同时确定故障影响，并且归纳出其健康表征量。
表1 简化的FMEA表格内容
2.3 重要程度分析
为了根据需求有所侧重地对关键性的设备进行故障表征分析，根据结构/功能组成及故障模式分析的结果，可以通过重要程度分析大致给一个设备重要度排序，给出优先进行表征参数分析的几个模块或单元，确定系统处于重要地位或易损的重要组成部分。
重要程度分析可以通过以下方法进行。（1）结构/功能重要度法，即确定某项组成结构、子功能对于整个被研究对象功能实现的重要程度，分析在执行系统任务过程中该组成结构、子功能实施能力的重要性；（2）可靠性分析法，即依据组成部分的可靠性水平进行排序；（3）检测与修复难度，即确定当部件故障发生时，进行故障检测、故障排查、维修保障相关工作的难易程度。最终的重要程度分析是以上各项分析结果的综合。
2.4 健康表征因素初步汇总
根据以上分析的结果，归纳并汇总设备在不同故障模式下的故障表征或检测参数。在选定表征因素集合之后，应对表征因素加以分类，以区分表征因素集的不同属性。不同类型的划分主要是影响到这些表征因素健康计算的差异。
图3 健康表征量分类方式举例
2.5 可测性分析
获取到初始的健康表征集之后，需要对各组成元素（即各个健康表征量）进行可测性分析。对于可直接测量的故障征兆，其可测性非常明显，且容易获得具体数值；对于其他表征量，特别是不能给出具体取值的故障征兆（信息），要分析产品设计是否提供了表征量信息的测试手段或测试方法，例如机内测试（BIT）设计、传感器网络设计等。
进行可测性分析，即确认是否能够采用间接手段获取相应的健康表征量。通过监测在发生给定故障时各测点的参数变化，挑选出较为异常与超过预定值的因素，并将测试结果作为可测量的表征因素。需要注意的是，可获知故障征兆（信息）的测试手段本身不能作为健康表征集的元素，而应当是通过检测得到的检测值或检测结果作为健康表征集的元素。
2.6 相关性分析
对可测表征因素集合进行相关性分析，避免强相关的两个或多个变量同时计入健康表征集而导致的重复。工程上可以采取定量分析结合定性分析的方法，将现有的可测健康表征集划分为具有关联性的表征因素集合和独立性的表征因素集合。将关联性集合中选取两两唯一对应相关的因素集（例如温度、电流），去除冗余关联因素，从而得到基本健康表征因素集。
3 系统健康度的计算及合成
评估系统健康度，应当首先从健康表征集的各项表征量入手，分别建立各个健康表征量从其本身数值向其对应的健康度的映射关系。然后，将各个健康表征量对应的健康度进行系统总体合成，得到系统总体的健康度水平。
3.1 单个健康表征量下的健康度计算
将实测参数与标准或正常态（即健康基准）的对比，将偏差程度赋予定量的数值相应的得到健康度。这里，健康基准根据正常工作状态下该表征量的取值范围确定的，一旦表征量超过阈值即表明该指标出现偏离正常水平的情形，即健康程度下降、产品性能退化。实测参数与单健康度之间应确立明确的对应或映射关系。
对连续量而言，可定义连续函数映射，可将连续的实测参数映射到连续的0-1域内的子区间，或可将连续的实测参数映射到0-1区间的离散点。其中，阈值范围内的实测值映射至健康度1.0，超出阈值范围的实测值根据健康衰退情况映射到不大于1.0的对应值上。
对离散量而言，可定义离散函数映射，将离散的实测参数映射到0-1区间的离散点。其中，阈值范围内的实测值映射至健康度1.0，超出阈值范围的实测值根据健康衰退情况映射到不大于1.0的对应值上。对于二值离散量，可将非正常情况下的取值直接映射到0，即在该表征量下健康度为0。
图4 健康表征量实测值向健康度的映射关系示意
3.2 总体健康度的合成
总体健康度的合成包含两部分含义。其一，部件的不同健康表征量下健康度应予以加总，从而获得该层次下部件的健康度水平；其二，系统层的健康度应当根据下层各组成单元的健康度进行合成。
总体健康度的合成关键在于确定合成规则。对于第一种合成，应明确不同健康表征量的重要程度，根据健康表征量重要度权值或排序，给出相应的加总规则。对于第二种合成，应当根据各组成单元间的关联关系和单元与系统层的关系，利用功能重要度分析结果，给出相应的合成规则。健康度合成一般是利用逻辑运算或加权计算的方式。
总体健康度的合成需要符合以下两个基本原则：
（1）系统健康度应当是随着系统健康衰退逐步进行而递减的，且健康度的偏离应与实际健康表征量的偏离相吻合。
（2）系统健康度的取值应具有较强的区分度，能够划分合适的健康度取值区间，作为后续健康评定和健康等级划分的依据。
图5 总体健康度的合成
4 健康标尺的确定方法
健康评价的过程即确定计算得到的健康度落在哪一个健康等级区间，即健康评价依赖于确定当前系统状态的健康标尺。健康标尺的划定应严格按照健康等级的定义及级别进行，以获知系统健康度落入的区间，并给出系统健康程度的划分，进而采取相应的维修、保障等方面的行动。
一般而言，可以采取前向方法或后向方法进行健康标尺的设置。
前向方法是指根据研究对象的结构和功能组成，自下而上地进行系统健康度与系统健康关系的推导。该方法适用于上下层健康度逻辑关系清晰、健康征兆独立性强的情况。利用前述的健康度合成规则，可以将下层健康标尺映射或对应到上层，从而形成上层健康度准则。
后向方法是指利用试验、仿真模拟和统计方法，获知上层健康度或系统健康度下的健康水平，判断其所处健康等级并给出其健康标尺的方法。后向方法适用于健康度逻辑关系不明确，或者下层健康状况存在交叉影响的情况。一般而言，采取健康度区间遍历的方法，利用已有知识对不同健康度取值下的健康水平进行归类，判别其健康等级，从而间接地给出系统健康标尺。
5 结语
系统健康度量与评价方面的研究和应用是故障预测与健康管理（PHM）体系的基础问题，它需要解决以下问题：如何确定多参数系统的健康特征参数集；如何依据健康表征量进行定性或定量度量；如何根据底层的健康表征量确定系统级健康水平并进行健康评估。本文以系统工程的思想，给出装备系统的系统健康度量与评价的原则和通用框架。当然，结合具体的系统对象和应用环境，该框架实施过程可能需要有所变化，例如针对有明显时序或路径依赖、存在多工作模式或重构设计等装备系统。
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