故障預(yù)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(dòng)維護(hù)，到定期檢查、主動(dòng)防護(hù)，再到事先預(yù)測、綜合管理不斷深入的結(jié)果，旨在實(shí)現(xiàn)從基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測轉(zhuǎn)變，從忽略對(duì)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(wù)規(guī)劃向動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)變，從定期維修到視情維修轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)保障到主動(dòng)保障轉(zhuǎn)變。

引自：《智能運(yùn)維與健康管理》（作者：肖雷，張潔）。由清華大學(xué)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(yù)測與健康管理）從外部測試、機(jī)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(yù)測和健康管理兩大方面的內(nèi)容。故障預(yù)測即PHM中的P（prognostics）部分，主要是指根據(jù)系統(tǒng)歷史和當(dāng)前的監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷、預(yù)測其當(dāng)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(píng)估、預(yù)測的結(jié)果，結(jié)合可用的維修資源和設(shè)備使用要求等知識(shí)，對(duì)任務(wù)、維修與保障等活動(dòng)做出適當(dāng)規(guī)劃、決策、計(jì)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(guān)鍵系統(tǒng)/部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控（傳感器監(jiān)測參數(shù)與性能指標(biāo)等參數(shù)的監(jiān)測）、故障判別（故障檢測與隔離）、健康預(yù)測（包括性能趨勢、使用壽命及故障的預(yù)測）、輔助決策（包括維修與任務(wù)的輔助決策）和資源管理（包括備品備件、保障設(shè)備等維修保障資源管理）、信息應(yīng)需傳輸（包括故障選擇性報(bào)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(dòng)維護(hù)，到定期檢查、主動(dòng)防護(hù)，再到事先預(yù)測、綜合管理不斷深入的結(jié)果，旨在實(shí)現(xiàn)從基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測轉(zhuǎn)變，從忽略對(duì)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(wù)規(guī)劃向動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)變，從定期維修到視情維修轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)保障到主動(dòng)保障轉(zhuǎn)變。故障預(yù)測可向短期協(xié)調(diào)控制提供參數(shù)調(diào)整時(shí)機(jī)，向中期任務(wù)規(guī)劃提供參考信息，向維護(hù)決策提供依據(jù)信息。故障預(yù)測是實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)、任務(wù)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(yīng)性）和降低全壽命周期費(fèi)用的核心。近年來，PHM技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，在機(jī)械、電子、航空、航天、船舶、汽車、石化、冶金和電力等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

PHM技術(shù)并不是適用于所有的對(duì)象，是否采取PHM技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理需要同時(shí)考慮故障的頻率和故障影響的大小，如圖2所示。對(duì)于故障頻率高、故障影響小的設(shè)備應(yīng)準(zhǔn)備更多的備件。對(duì)于故障頻率高、故障影響大的設(shè)備主要是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)于故障頻率低、故障影響小的設(shè)備采用傳統(tǒng)的維護(hù)方式即可。對(duì)于故障頻率低、故障影響大的設(shè)備應(yīng)采用PHM技術(shù)對(duì)其進(jìn)行管理。

圖2 維護(hù)方式的選擇

02

國外PHM技術(shù)發(fā)展

隨著系統(tǒng)和設(shè)備復(fù)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(jī)內(nèi)測試（built-in test，BIT）、智能BIT、綜合診斷、PHM共5個(gè)階段。與此同時(shí)，維修決策技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了事后維修、周期性預(yù)防維護(hù)、狀態(tài)維護(hù)等階段。目前，PHM技術(shù)已經(jīng)得到美英等軍事強(qiáng)國的深度研究與推廣應(yīng)用，并正在成為新一代飛機(jī)、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(guān)系統(tǒng)包括：F-35飛機(jī)PHM系統(tǒng)、直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）、波音公司的飛機(jī)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(píng)估系統(tǒng)（ICAS）以及預(yù)測增強(qiáng)診斷系統(tǒng)（PEDS）。其中PHM技術(shù)在F-35戰(zhàn)斗機(jī)上的應(yīng)用最為典型，圖3為F-35戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)工作流程。

圖3 F-35戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)工作流程

根據(jù)美軍的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機(jī)采用PHM技術(shù)后故障不可復(fù)現(xiàn)率降低82%，維修人力減少20%~40%，后勤規(guī)模減少50%，出動(dòng)架次率提高25%，飛機(jī)的使用與保障費(fèi)用比過去機(jī)種減少50%，使用壽命達(dá)8000飛行小時(shí)?；谏鲜鲋笜?biāo)，通俗地理解原來有100架飛機(jī)，實(shí)施PHM后可以當(dāng)成125架飛機(jī)來用。

驗(yàn)證評(píng)價(jià)是確認(rèn)PHM設(shè)計(jì)結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而對(duì)設(shè)計(jì)完善和改進(jìn)提出反饋的重要手段，是PHM設(shè)計(jì)開發(fā)、成熟化部署應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國外已經(jīng)公開的PHM驗(yàn)證系統(tǒng)如表1所示。

表1 國外已經(jīng)公開的PHM相關(guān)驗(yàn)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(shè)計(jì)與驗(yàn)證基礎(chǔ)理論與方法研究方面起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱。近年來，國內(nèi)相關(guān)院所主要在航空航天裝備領(lǐng)域開展了一系列的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究工作，并結(jié)合型號(hào)技術(shù)攻關(guān)，邊研究邊驗(yàn)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(jī)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(guān)的診斷與預(yù)測模型設(shè)計(jì)方法。此外，還開展了一定的PHM系統(tǒng)驗(yàn)證與評(píng)價(jià)、試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)方法研究，并形成了相關(guān)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(lǐng)域正逐步開展相關(guān)工程技術(shù)研究。在PHM系統(tǒng)能力與需求分析基礎(chǔ)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(jìn)行了PHM體系架構(gòu)與集成的初步研究；與此同時(shí)，也開展了PHM系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等研究。在上述研究基礎(chǔ)之上，開發(fā)了相應(yīng)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(yàn)證平臺(tái)、機(jī)電PHM原型系統(tǒng)與案例庫、系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

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(yīng)用，在相應(yīng)基礎(chǔ)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(yù)測性維護(hù)，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(jī)構(gòu)IoT Analytics曾在2016年對(duì)全球110家從事預(yù)測性維護(hù)的技術(shù)性公司進(jìn)行了調(diào)研和排名，具體排名情況如圖4所示。

圖4 涉及預(yù)測性維護(hù)技術(shù)的公司排行榜

縱觀整個(gè)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(guān)研究和應(yīng)用工作，初期國內(nèi)僅是跟蹤國外的工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)方面相對(duì)落后，PHM系統(tǒng)集成與使能工具設(shè)計(jì)相關(guān)研究較少，工程應(yīng)用亟待進(jìn)一步深入研究。

（2）在復(fù)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(yīng)用；同時(shí)，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(yīng)用。國內(nèi)裝備仍以周期性預(yù)防維護(hù)為主，基于PHM的裝備任務(wù)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(yīng)用研究較少。

（3）在復(fù)雜系統(tǒng)健康診斷與預(yù)測方面，國內(nèi)外在此方面研究差距不大，某些方向已達(dá)到國際先進(jìn)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(dòng)、模型、專家知識(shí)的診斷與預(yù)測技術(shù)研究。但是，在技術(shù)成熟度上與應(yīng)用廣度上，國外領(lǐng)先國內(nèi)。尤其在應(yīng)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(yuǎn)領(lǐng)先于國內(nèi)。

（4）在PHM能力試驗(yàn)驗(yàn)證方面，國外已開展了大量研究，國內(nèi)在PHM設(shè)計(jì)驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證與能力評(píng)價(jià)技術(shù)方法體系，相關(guān)驗(yàn)證輔助工具與平臺(tái)成果還較少。

國內(nèi)外的PHM技術(shù)相關(guān)研究發(fā)展蓬勃，已形成不少的標(biāo)準(zhǔn)，近十年來與PHM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 PHM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

具體到開發(fā)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其流程共分為以下7步。

第1步：需求定義。需求定義其實(shí)就是判斷是否需要做PHM。在設(shè)計(jì)PHM系統(tǒng)時(shí)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(shè)備維護(hù)管理方面企業(yè)目前面臨的挑戰(zhàn)有哪些，如運(yùn)維、質(zhì)量、能效等；整個(gè)企業(yè)的預(yù)測性維護(hù)價(jià)值是多少；哪些設(shè)備或零部件可以確定為關(guān)鍵資產(chǎn)；是否有一些關(guān)鍵資產(chǎn)可以從預(yù)測性維護(hù)試點(diǎn)中收益；資產(chǎn)需要的可靠度和可用性的目標(biāo)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(duì)象，是產(chǎn)線、機(jī)器還是組件、部件。要選擇哪些關(guān)鍵的組件、部件進(jìn)行建模，以及需要關(guān)心哪些特定的故障模式等。在確定監(jiān)控層次時(shí)需明確一點(diǎn)：并不是所有的設(shè)備或零部件都需要進(jìn)行檢測，只需要對(duì)故障發(fā)生頻率不高，但故障發(fā)生后影響較大的設(shè)備或零部件進(jìn)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(jìn)行模型選擇。模型主要包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型、機(jī)理式模型以及混合模型?；旌鲜降哪Ｐ涂梢詴r(shí)不同的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式的模型混合，也可以是不同的機(jī)理式的模型混合，也可以是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型和機(jī)理式的模型的混合。在建模時(shí)要考慮是強(qiáng)數(shù)據(jù)弱機(jī)理還是弱數(shù)據(jù)強(qiáng)機(jī)理，抑或數(shù)據(jù)和機(jī)理都強(qiáng)。如果機(jī)理較強(qiáng)而數(shù)據(jù)量較少則需要借鑒領(lǐng)域知識(shí)，應(yīng)盡量采取機(jī)理式的模型。如果數(shù)據(jù)量較大而對(duì)機(jī)理不清晰，則適用于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型。

第4步：關(guān)鍵參數(shù)選擇。選擇關(guān)鍵參數(shù)與第1步和第2步密切相關(guān)，這一步主要是定義到底需要采集哪些數(shù)據(jù)。如果設(shè)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(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測時(shí)，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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在此步驟開始采集一些能夠進(jìn)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(shè)備或關(guān)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(jì)性可行性研究。驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)從硬件到軟件再到算法是否能夠有機(jī)幾何，算法能否閉環(huán)用戶需求并實(shí)際傳遞給用戶一些可執(zhí)行的信息，同時(shí)對(duì)投資回報(bào)率等經(jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)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(yīng)用。在確定技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性之后，進(jìn)行技術(shù)上線，并平行展開規(guī)?；膽?yīng)用。