QY球友会体育

故障预测与健康管理——PHM技术简介-PHM（故障预测和健康管理）

　　PHM技術代表了一種理念的轉變，是裝備管理從事後處置、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果，旨在實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，從靜態任務規劃向動態任務規劃轉變，從定期維修到視情維修轉變，從被動保障到主動保障轉變。

　　引自：《智能運維與健康管理》（作者：肖雷，張潔）。由清華大學出版社「智造苑✅」原創首發，經授權發布。

　　從概念內涵上講，PHM技術（prognostics and health management，故障預測與健康管理）從外部測試、機內測試、狀態監測和故障診斷發展而來，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，主要是指根據系統曆史和當前的監測數據診斷、預測其當前和將來的健康狀態、性能衰退和故障的發生；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、維修與保障等活動做出適當規劃、決策、計劃與協調的能力。

　　PHM技術的主要功能如圖1所示，主要包括關鍵系統/部件的實時狀態監控（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。

　　PHM技術代表了一種理念的轉變，是裝備管理從事後處置、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果，旨在實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，從靜態任務規劃向動態任務規劃轉變，從定期維修到視情維修轉變，從被動保障到主動保障轉變。故障預測可向短期協調控制提供參數調整時機，向中期任務規劃提供參考信息，向維護決策提供依據信息。故障預測是實現控制參數、任務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、環境適應性）和降低全壽命周期費用的核心。近年來，PHM技術受到了學術界和工業界的高度重視，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領域得到了廣泛的應用。

　　PHM技術並不是適用于所有的對象，是否采取PHM技術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准備更多的備件。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技術對其進行管理。

　　隨著系統和設備複雜性的增加以及信息技術的發展，國外的PHM技術發展先後經曆了外部測試、機內測試（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✅術的發展也經曆了事後維修、周期性預防維護、狀態維護等階段。目前，PHM技術已經得到美英等軍事強國的深度研究與推廣應用，並正在成爲新一代飛機、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管理系統（AHM）、NASA飛行器綜合健康管理（IVHM）、美國海軍綜合狀態評估系統（ICAS）以及預測增強診斷系統（PEDS）。其中PHM技術在F-35戰鬥機上的應用最爲典型，圖3爲F-35戰鬥機PHM系統工作流程。

　　根據美軍的統計數據，F-35戰鬥機采用PHM技術後故障不可複現率降低82%，維修人力減少20%~40%，後勤規模減少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。基于上述指標，通俗地理解原來有100架飛機，實施PHM後可以當成125架飛機來用。

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

　　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，國內相關院所主要在航空航天裝備領域開展了一系列的PHM系統設計基礎研究工作，並結合型號技術攻關，邊研究邊驗證、叠代完善、雙線並行，取得了一定的成果。目前，已初步構建了一套典型機電、電子、結構類産品的健康表征、健康度量與演化規律挖掘的方法體系，形成了相關的診斷與預測模型設計方法。此外，還開展了一定的PHM系統驗證與評價、試驗驗證系統設計等技術方法研究，並形成了相關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、兵器等領域正逐步開展相關工程技術研究。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行了PHM體系架構與集成的初步研究；與此同時，也開展了PHM系統參數指標體系、標准規範等研究。在上述研究基礎之上，開發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台、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，以輔助開展PHM系統設計。

　　PHM技術在國內的研究起步較晚。雖然開展了大量的工作，並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、系統綜合集成等方面的研究還較少。作爲PHM中的最爲核心的技術之一——預測性維護，我國也與國外有著較大的差距。全球物聯網知名研究機構IoT Analytics曾在2016年對全球110家從事預測性維護的技術性公司進行了調研和排名，具體排名情況如圖4所示。

　　（1）在PHM系統集成與使能技術方面。國外已經開展了大量的相關研究和應用工作，初期國內僅是跟蹤國外的工程應用，設計方面相對落後，PHM系統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）在複雜系統健康管理方面，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、智能結構方面開展了大量的研究，部分技術已有應用。國內裝備仍以周期性預防維護爲主，基于PHM的裝備任務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展較晚，自愈材料與智能結構研究方面以力理論研究爲主，而應用研究較少。

　　（3）在複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水平。在方法研究上，國內外均開展基于物理故障、數據驅動、模型、專家知識的診斷與預測技術研究。但是，在技術成熟度上與應用廣度上，國外領先國內。尤其在應用與PHM的新型智能傳感器技術及裝置研發上，國外已遠領先于國內。

　　（4）在PHM能力試驗驗證方面，國外已開展了大量研究，國內在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方法體系，相關驗證輔助工具與平台成果還較少。

　　國內外的PHM技術相關研究發展蓬勃，已形成不少的標准，近十年來與PHM相關的標准如表2所示。

　　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系統時首先要厘清問題的現狀，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目前面臨的挑戰有哪些，如運維、質量、能效等；整個企業的預測性維護價值是✅多✅少；哪些設備或零部件可以確定爲關鍵資産；是否有一些關鍵資産可以從預測性維護試點中收益；資産需要的可靠度和可用性的目標是什麽。

　　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，是産線、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。在確定監控層次時需明確一點：並不是所有的設備或零部件都需要進行檢測，只需要對故障發生頻率不高，但故障發生後影響較大的設備或零部件進行監控。

　　第3步：模型選擇。根據監測的數量以及數據的質量，進行模型選擇。模型主要包括數據驅動的模型、機理式模型以及混合模型。混合式的模型可以時不同的數據驅動式的模型混合，也可以是不同的機理式的模型混合，也可以是數據驅動的模型和機理式的模型的混合。在建模時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，則適用于數據驅動的模✅型。

　　第4步：關鍵參數選擇。選擇關鍵參數與第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據。如果設備自身沒有監測這些數據，則需要外加傳感器。在使用傳感器對設備進行狀態監測時，需要考慮傳感器的類型、數量、傳感器的布局、傳感器的大小、重量、成本、靈敏度、爲有線傳輸✅還是無線傳輸、數據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據，這些數據要能夠盡量反映完整的工況，並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。最佳狀態是可以采集設備或關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大數據3B特性，即質量差（bad quality）、碎片化（broken）和背景性（background）。

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

　　第7步：技術開發與上線應用。在確定技術和經濟可行性之後，進行技術上線，並平行展開規模化的應用。

　　*博客內容爲網友個人發布，僅代表博主個人觀點，如有侵權請聯系工作人員刪除。