故障預測與健康管理——PHM技術(shù)簡介

PHM技術(shù)代表了一種理念的轉(zhuǎn)變，是裝備管理從事后處置、被動維護，到定期檢查、主動防護，再到事先預測、綜合管理不斷深入的結(jié)果，旨在實現(xiàn)從基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預測轉(zhuǎn)變，從忽略對象性能退化的控制調(diào)節(jié)向考慮性能退化的控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變，從靜態(tài)任務規(guī)劃向動態(tài)任務規(guī)劃轉(zhuǎn)變，從定期維修到視情維修轉(zhuǎn)變，從被動保障到主動保障轉(zhuǎn)變。

引自：《智能運維與健康管理》（作者：肖雷，張潔）。由清華大學出版社「智造苑」原創(chuàng)首發(fā)，經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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PHM技術(shù)的內(nèi)涵

從概念內(nèi)涵上講，PHM技術(shù)（prognostics and health management，故障預測與健康管理）從外部測試、機內(nèi)測試、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷發(fā)展而來，涉及故障預測和健康管理兩大方面的內(nèi)容。故障預測即PHM中的P（prognostics）部分，主要是指根據(jù)系統(tǒng)歷史和當前的監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷、預測其當前和將來的健康狀態(tài)、性能衰退和故障的發(fā)生；健康管理即PHM中的HM（health management），主要是指根據(jù)診斷、評估、預測的結(jié)果，結(jié)合可用的維修資源和設備使用要求等知識，對任務、維修與保障等活動做出適當規(guī)劃、決策、計劃與協(xié)調(diào)的能力。

PHM技術(shù)的主要功能如圖1所示，主要包括關鍵系統(tǒng)/部件的實時狀態(tài)監(jiān)控（傳感器監(jiān)測參數(shù)與性能指標等參數(shù)的監(jiān)測）、故障判別（故障檢測與隔離）、健康預測（包括性能趨勢、使用壽命及故障的預測）、輔助決策（包括維修與任務的輔助決策）和資源管理（包括備品備件、保障設備等維修保障資源管理）、信息應需傳輸（包括故障選擇性報告、信息壓縮傳輸?shù)龋┡c管理等方面。

圖1 PHM技術(shù)主要功能

PHM技術(shù)代表了一種理念的轉(zhuǎn)變，是裝備管理從事后處置、被動維護，到定期檢查、主動防護，再到事先預測、綜合管理不斷深入的結(jié)果，旨在實現(xiàn)從基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預測轉(zhuǎn)變，從忽略對象性能退化的控制調(diào)節(jié)向考慮性能退化的控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變，從靜態(tài)任務規(guī)劃向動態(tài)任務規(guī)劃轉(zhuǎn)變，從定期維修到視情維修轉(zhuǎn)變，從被動保障到主動保障轉(zhuǎn)變。故障預測可向短期協(xié)調(diào)控制提供參數(shù)調(diào)整時機，向中期任務規(guī)劃提供參考信息，向維護決策提供依據(jù)信息。故障預測是實現(xiàn)控制參數(shù)、任務規(guī)劃和視情維修的前提，是提高裝備六性（可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性、環(huán)境適應性）和降低全壽命周期費用的核心。近年來，PHM技術(shù)受到了學術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，在機械、電子、航空、航天、船舶、汽車、石化、冶金和電力等多個行業(yè)領域得到了廣泛的應用。

PHM技術(shù)并不是適用于所有的對象，是否采取PHM技術(shù)對設備進行管理需要同時考慮故障的頻率和故障影響的大小，如圖2所示。對于故障頻率高、故障影響小的設備應準備更多的備件。對于故障頻率高、故障影響大的設備主要是系統(tǒng)設計的問題，需要改進設計。對于故障頻率低、故障影響小的設備采用傳統(tǒng)的維護方式即可。對于故障頻率低、故障影響大的設備應采用PHM技術(shù)對其進行管理。

圖2 維護方式的選擇

02

國外PHM技術(shù)發(fā)展

隨著系統(tǒng)和設備復雜性的增加以及信息技術(shù)的發(fā)展，國外的PHM技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了外部測試、機內(nèi)測試（built-in test，BIT）、智能BIT、綜合診斷、PHM共5個階段。與此同時，維修決策技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了事后維修、周期性預防維護、狀態(tài)維護等階段。目前，PHM技術(shù)已經(jīng)得到美英等軍事強國的深度研究與推廣應用，并正在成為新一代飛機、艦船和車輛等武器裝備研制階段與使用階段的重要組成。代表性的PHM相關系統(tǒng)包括：F-35飛機PHM系統(tǒng)、直升機健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）、波音公司的飛機狀態(tài)管理系統(tǒng)（AHM）、NASA飛行器綜合健康管理（IVHM）、美國海軍綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）以及預測增強診斷系統(tǒng)（PEDS）。其中PHM技術(shù)在F-35戰(zhàn)斗機上的應用最為典型，圖3為F-35戰(zhàn)斗機PHM系統(tǒng)工作流程。

圖3 F-35戰(zhàn)斗機PHM系統(tǒng)工作流程

根據(jù)美軍的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機采用PHM技術(shù)后故障不可復現(xiàn)率降低82%，維修人力減少20%~40%，后勤規(guī)模減少50%，出動架次率提高25%，飛機的使用與保障費用比過去機種減少50%，使用壽命達8000飛行小時?；谏鲜鲋笜耍ㄋ椎乩斫庠瓉碛?00架飛機，實施PHM后可以當成125架飛機來用。

驗證評價是確認PHM設計結(jié)果是否達到設計要求，從而對設計完善和改進提出反饋的重要手段，是PHM設計開發(fā)、成熟化部署應用的關鍵環(huán)節(jié)。國外已經(jīng)公開的PHM驗證系統(tǒng)如表1所示。

表1 國外已經(jīng)公開的PHM相關驗證系統(tǒng)

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國內(nèi)PHM技術(shù)發(fā)展

我國在PHM系統(tǒng)設計與驗證基礎理論與方法研究方面起步較晚，研究基礎薄弱。近年來，國內(nèi)相關院所主要在航空航天裝備領域開展了一系列的PHM系統(tǒng)設計基礎研究工作，并結(jié)合型號技術(shù)攻關，邊研究邊驗證、迭代完善、雙線并行，取得了一定的成果。目前，已初步構(gòu)建了一套典型機電、電子、結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品的健康表征、健康度量與演化規(guī)律挖掘的方法體系，形成了相關的診斷與預測模型設計方法。此外，還開展了一定的PHM系統(tǒng)驗證與評價、試驗驗證系統(tǒng)設計等技術(shù)方法研究，并形成了相關演示系統(tǒng)與輔助工具。

結(jié)合裝備使用和維修保障情況，我國在航空、航天、船舶、兵器等領域正逐步開展相關工程技術(shù)研究。在PHM系統(tǒng)能力與需求分析基礎上，從物理結(jié)構(gòu)、綜合診斷、信息處理以及功能結(jié)構(gòu)等方面進行了PHM體系架構(gòu)與集成的初步研究；與此同時，也開展了PHM系統(tǒng)參數(shù)指標體系、標準規(guī)范等研究。在上述研究基礎之上，開發(fā)了相應的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能傳感器、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測集成驗證平臺、機電PHM原型系統(tǒng)與案例庫、系統(tǒng)測試性設計分析工具、嵌入式智能診斷原型系統(tǒng)，以輔助開展PHM系統(tǒng)設計。

PHM技術(shù)在國內(nèi)的研究起步較晚。雖然開展了大量的工作，并取得了顯著的研究成果，但前期主要是跟蹤國外工程應用，在相應基礎理論與技術(shù)、系統(tǒng)綜合集成等方面的研究還較少。作為PHM中的最為核心的技術(shù)之一——預測性維護，我國也與國外有著較大的差距。全球物聯(lián)網(wǎng)知名研究機構(gòu)IoT Analytics曾在2016年對全球110家從事預測性維護的技術(shù)性公司進行了調(diào)研和排名，具體排名情況如圖4所示。

圖4 涉及預測性維護技術(shù)的公司排行榜

縱觀整個PHM的框架，我國與國外的差距具體表現(xiàn)在：

（1）在PHM系統(tǒng)集成與使能技術(shù)方面。國外已經(jīng)開展了大量的相關研究和應用工作，初期國內(nèi)僅是跟蹤國外的工程應用，設計方面相對落后，PHM系統(tǒng)集成與使能工具設計相關研究較少，工程應用亟待進一步深入研究。

（2）在復雜系統(tǒng)健康管理方面，國外已開展了大量的基于PHM的維修決策研究工作和應用；同時，國外已在自愈材料、智能結(jié)構(gòu)方面開展了大量的研究，部分技術(shù)已有應用。國內(nèi)裝備仍以周期性預防維護為主，基于PHM的裝備任務規(guī)劃與維修決策研究工作較少；我國在裝備自愈研究方面開展較晚，自愈材料與智能結(jié)構(gòu)研究方面以力理論研究為主，而應用研究較少。

（3）在復雜系統(tǒng)健康診斷與預測方面，國內(nèi)外在此方面研究差距不大，某些方向已達到國際先進水平。在方法研究上，國內(nèi)外均開展基于物理故障、數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型、專家知識的診斷與預測技術(shù)研究。但是，在技術(shù)成熟度上與應用廣度上，國外領先國內(nèi)。尤其在應用與PHM的新型智能傳感器技術(shù)及裝置研發(fā)上，國外已遠領先于國內(nèi)。

（4）在PHM能力試驗驗證方面，國外已開展了大量研究，國內(nèi)在PHM設計驗證方面，也開展了初步的研究工作，但目前還沒有成熟的PHM體系綜合建模、試驗驗證與能力評價技術(shù)方法體系，相關驗證輔助工具與平臺成果還較少。

國內(nèi)外的PHM技術(shù)相關研究發(fā)展蓬勃，已形成不少的標準，近十年來與PHM相關的標準如表2所示。

表2 PHM相關標準

具體到開發(fā)PHM系統(tǒng)設計，其流程共分為以下7步。

第1步：需求定義。需求定義其實就是判斷是否需要做PHM。在設計PHM系統(tǒng)時首先要厘清問題的現(xiàn)狀，做好問題的定義和問題的拆解。主要包括：在設備維護管理方面企業(yè)目前面臨的挑戰(zhàn)有哪些，如運維、質(zhì)量、能效等；整個企業(yè)的預測性維護價值是多少；哪些設備或零部件可以確定為關鍵資產(chǎn)；是否有一些關鍵資產(chǎn)可以從預測性維護試點中收益；資產(chǎn)需要的可靠度和可用性的目標是什么。

第2步：監(jiān)控層次定義。確定監(jiān)控層次主要是確定監(jiān)控的對象，是產(chǎn)線、機器還是組件、部件。要選擇哪些關鍵的組件、部件進行建模，以及需要關心哪些特定的故障模式等。在確定監(jiān)控層次時需明確一點：并不是所有的設備或零部件都需要進行檢測，只需要對故障發(fā)生頻率不高，但故障發(fā)生后影響較大的設備或零部件進行監(jiān)控。

第3步：模型選擇。根據(jù)監(jiān)測的數(shù)量以及數(shù)據(jù)的質(zhì)量，進行模型選擇。模型主要包括數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型、機理式模型以及混合模型。混合式的模型可以時不同的數(shù)據(jù)驅(qū)動式的模型混合，也可以是不同的機理式的模型混合，也可以是數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型和機理式的模型的混合。在建模時要考慮是強數(shù)據(jù)弱機理還是弱數(shù)據(jù)強機理，抑或數(shù)據(jù)和機理都強。如果機理較強而數(shù)據(jù)量較少則需要借鑒領域知識，應盡量采取機理式的模型。如果數(shù)據(jù)量較大而對機理不清晰，則適用于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型。

第4步：關鍵參數(shù)選擇。選擇關鍵參數(shù)與第1步和第2步密切相關，這一步主要是定義到底需要采集哪些數(shù)據(jù)。如果設備自身沒有監(jiān)測這些數(shù)據(jù)，則需要外加傳感器。在使用傳感器對設備進行狀態(tài)監(jiān)測時，需要考慮傳感器的類型、數(shù)量、傳感器的布局、傳感器的大小、重量、成本、靈敏度、為有線傳輸還是無線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸速率和其他特性。

第5步：部署策略和實驗設計。在此步驟開始采集一些能夠進行可行性分析的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要能夠盡量反映完整的工況，并且能夠盡量覆蓋不同的失效模式，要盡量能夠支撐不同建模需求。最佳狀態(tài)是可以采集設備或關鍵零部件的全壽命周期數(shù)據(jù)。所采集的數(shù)據(jù)具有典型的工業(yè)大數(shù)據(jù)3B特性，即質(zhì)量差（bad quality）、碎片化（broken）和背景性（background）。

第6步：技術(shù)和經(jīng)濟性可行性研究。驗證整個系統(tǒng)從硬件到軟件再到算法是否能夠有機幾何，算法能否閉環(huán)用戶需求并實際傳遞給用戶一些可執(zhí)行的信息，同時對投資回報率等經(jīng)濟性的角度進行分析，判斷上述方式能否在成本可控范圍內(nèi)最小程度定制化地推廣。

第7步：技術(shù)開發(fā)與上線應用。在確定技術(shù)和經(jīng)濟可行性之后，進行技術(shù)上線，并平行展開規(guī)?；膽谩?/p>