故障預測與健康管理——PHM技術(shù)簡(jiǎn)介

PHM技術(shù)代表了一種理念的轉變，是裝備管理從事后處置、被動(dòng)維護，到定期檢查、主動(dòng)防護，再到事先預測、綜合管理不斷深入的結果，旨在實(shí)現從基于傳感器的診斷向基于智能系統的預測轉變，從忽略對象性能退化的控制調節向考慮性能退化的控制調節轉變，從靜態(tài)任務(wù)規劃向動(dòng)態(tài)任務(wù)規劃轉變，從定期維修到視情維修轉變，從被動(dòng)保障到主動(dòng)保障轉變。

引自：《智能運維與健康管理》（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)授權發(fā)布。

01

PHM技術(shù)的內涵

從概念內涵上講，PHM技術(shù)（prognostics and health management，故障預測與健康管理）從外部測試、機內測試、狀態(tài)監測和故障診斷發(fā)展而來(lái)，涉及故障預測和健康管理兩大方面的內容。故障預測即PHM中的P（prognostics）部分，主要是指根據系統歷史和當前的監測數據診斷、預測其當前和將來(lái)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），主要是指根據診斷、評估、預測的結果，結合可用的維修資源和設備使用要求等知識，對任務(wù)、維修與保障等活動(dòng)做出適當規劃、決策、計劃與協(xié)調的能力。

PHM技術(shù)的主要功能如圖1所示，主要包括關(guān)鍵系統/部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)監控（傳感器監測參數與性能指標等參數的監測）、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(wù)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、信息壓縮傳輸等）與管理等方面。

圖1 PHM技術(shù)主要功能

PHM技術(shù)代表了一種理念的轉變，是裝備管理從事后處置、被動(dòng)維護，到定期檢查、主動(dòng)防護，再到事先預測、綜合管理不斷深入的結果，旨在實(shí)現從基于傳感器的診斷向基于智能系統的預測轉變，從忽略對象性能退化的控制調節向考慮性能退化的控制調節轉變，從靜態(tài)任務(wù)規劃向動(dòng)態(tài)任務(wù)規劃轉變，從定期維修到視情維修轉變，從被動(dòng)保障到主動(dòng)保障轉變。故障預測可向短期協(xié)調控制提供參數調整時(shí)機，向中期任務(wù)規劃提供參考信息，向維護決策提供依據信息。故障預測是實(shí)現控制參數、任務(wù)規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(lái)，PHM技術(shù)受到了學(xué)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(chē)、石化、冶金和電力等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)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(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設計的問(wèn)題，需要改進(jìn)設計。對于故障頻率低、故障影響小的設備采用傳統的維護方式即可。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(jìn)行管理。

圖2 維護方式的選擇

02

國外PHM技術(shù)發(fā)展

隨著(zhù)系統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(chē)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)系統包括：F-35飛機PHM系統、直升機健康與使用監控系統（HUMS）、波音公司的飛機狀態(tài)管理系統（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（ICAS）以及預測增強診斷系統（PEDS）。其中PHM技術(shù)在F-35戰斗機上的應用最為典型，圖3為F-35戰斗機PHM系統工作流程。

圖3 F-35戰斗機PHM系統工作流程

根據美軍的統計數據，F-35戰斗機采用PHM技術(shù)后故障不可復現率降低82%，維修人力減少20%~40%，后勤規模減少50%，出動(dòng)架次率提高25%，飛機的使用與保障費用比過(guò)去機種減少50%，使用壽命達8000飛行小時(shí)?；谏鲜鲋笜?，通俗地理解原來(lái)有100架飛機，實(shí)施PHM后可以當成125架飛機來(lái)用。

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

表1 國外已經(jīng)公開(kāi)的PHM相關(guān)驗證系統

03

國內PHM技術(shù)發(fā)展

我國在PHM系統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(lái)，國內相關(guān)院所主要在航空航天裝備領(lǐng)域開(kāi)展了一系列的PHM系統設計基礎研究工作，并結合型號技術(shù)攻關(guān)，邊研究邊驗證、迭代完善、雙線(xiàn)并行，取得了一定的成果。目前，已初步構建了一套典型機電、電子、結構類(lèi)產(chǎn)品的健康表征、健康度量與演化規律挖掘的方法體系，形成了相關(guān)的診斷與預測模型設計方法。此外，還開(kāi)展了一定的PHM系統驗證與評價(jià)、試驗驗證系統設計等技術(shù)方法研究，并形成了相關(guān)演示系統與輔助工具。

結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(kāi)展相關(guān)工程技術(shù)研究。在PHM系統能力與需求分析基礎上，從物理結構、綜合診斷、信息處理以及功能結構等方面進(jìn)行了PHM體系架構與集成的初步研究；與此同時(shí)，也開(kāi)展了PHM系統參數指標體系、標準規范等研究。在上述研究基礎之上，開(kāi)發(fā)了相應的結構健康監測智能傳感器、結構健康監測集成驗證平臺、機電PHM原型系統與案例庫、系統測試性設計分析工具、嵌入式智能診斷原型系統，以輔助開(kāi)展PHM系統設計。

PHM技術(shù)在國內的研究起步較晚。雖然開(kāi)展了大量的工作，并取得了顯著(zhù)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(zhù)較大的差距。全球物聯(lián)網(wǎng)知名研究機構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(jìn)行了調研和排名，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(guān)整個(gè)PHM的框架，我國與國外的差距具體表現在：

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

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

（3）在復雜系統健康診斷與預測方面，國內外在此方面研究差距不大，某些方向已達到國際先進(jìn)水平。在方法研究上，國內外均開(kāi)展基于物理故障、數據驅動(dòng)、模型、專(zhuān)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(lǐng)先國內。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(lǐng)先于國內。

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

國內外的PHM技術(shù)相關(guān)研究發(fā)展蓬勃，已形成不少的標準，近十年來(lái)與PHM相關(guān)的標準如表2所示。

表2 PHM相關(guān)標準

具體到開(kāi)發(fā)PHM系統設計，其流程共分為以下7步。

第1步：需求定義。需求定義其實(shí)就是判斷是否需要做PHM。在設計PHM系統時(shí)首先要厘清問(wèn)題的現狀，做好問(wèn)題的定義和問(wèn)題的拆解。主要包括：在設備維護管理方面企業(yè)目前面臨的挑戰有哪些，如運維、質(zhì)量、能效等；整個(gè)企業(yè)的預測性維護價(jià)值是多少；哪些設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)可以從預測性維護試點(diǎn)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：監控層次定義。確定監控層次主要是確定監控的對象，是產(chǎn)線(xiàn)、機器還是組件、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。在確定監控層次時(shí)需明確一點(diǎn)：并不是所有的設備或零部件都需要進(jìn)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(jìn)行監控。

第3步：模型選擇。根據監測的數量以及數據的質(zhì)量，進(jìn)行模型選擇。模型主要包括數據驅動(dòng)的模型、機理式模型以及混合模型?；旌鲜降哪Ｐ涂梢詴r(shí)不同的數據驅動(dòng)式的模型混合，也可以是不同的機理式的模型混合，也可以是數據驅動(dòng)的模型和機理式的模型的混合。在建模時(shí)要考慮是強數據弱機理還是弱數據強機理，抑或數據和機理都強。如果機理較強而數據量較少則需要借鑒領(lǐng)域知識，應盡量采取機理式的模型。如果數據量較大而對機理不清晰，則適用于數據驅動(dòng)的模型。

第4步：關(guān)鍵參數選擇。選擇關(guān)鍵參數與第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據。如果設備自身沒(méi)有監測這些數據，則需要外加傳感器。在使用傳感器對設備進(jìn)行狀態(tài)監測時(shí)，需要考慮傳感器的類(lèi)型、數量、傳感器的布局、傳感器的大小、重量、成本、靈敏度、為有線(xiàn)傳輸還是無(wú)線(xiàn)傳輸、數據傳輸速率和其他特性。

第5步：部署策略和實(shí)驗設計。在此步驟開(kāi)始采集一些能夠進(jìn)行可行性分析的數據，這些數據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(guān)鍵零部件的全壽命周期數據。所采集的數據具有典型的工業(yè)大數據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(gè)系統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(hù)需求并實(shí)際傳遞給用戶(hù)一些可執行的信息，同時(shí)對投資回報率等經(jīng)濟性的角度進(jìn)行分析，判斷上述方式能否在成本可控范圍內最小程度定制化地推廣。

第7步：技術(shù)開(kāi)發(fā)與上線(xiàn)應用。在確定技術(shù)和經(jīng)濟可行性之后，進(jìn)行技術(shù)上線(xiàn)，并平行展開(kāi)規?；膽?。