PHM基礎(chǔ)知識(shí)：淺談設(shè)備故障預(yù)測與健康管理

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今天我們來簡單講一講PHM——故障預(yù)測和健康管理。

隨著現(xiàn)在科技技術(shù)的發(fā)展，特別是信息技術(shù)的迅速發(fā)展，在航空、航天、通信、工業(yè)應(yīng)用等各個(gè)領(lǐng)域的工程系統(tǒng)日趨復(fù)雜，大量復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性、綜合化、智能化程度不斷提高。伴隨著復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展，其研制、生產(chǎn)尤其是維護(hù)和保障的成本越來越高。同時(shí)，由于組成環(huán)節(jié)和影響因素的增加，發(fā)生故障和功能失效的幾率逐漸加大，因此，復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷和維護(hù)逐漸成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)?；趶?fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性考慮，以預(yù)測技術(shù)為核心的故障預(yù)測和健康管理PHM（Prognostics Health Management）策略獲得越來越多的重視和應(yīng)用，發(fā)展為自主式后勤保障系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

PHM的概念和技術(shù)首先出現(xiàn)在軍用裝備中，并在航天飛行器、飛機(jī)、核反應(yīng)堆等復(fù)雜系統(tǒng)和裝備中獲得應(yīng)用，隨著PHM技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在很多工業(yè)領(lǐng)域逐漸受到重視，在電子、汽車、船舶、工程結(jié)構(gòu)安全等方面的應(yīng)用也不斷增加。PHM是對復(fù)雜系統(tǒng)傳統(tǒng)使用的機(jī)內(nèi)測試（build-in test，BIT）和狀態(tài)（健康）監(jiān)控能力的進(jìn)一步擴(kuò)展，它是從狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變引入了對系統(tǒng)未來可靠性的預(yù)測能力，借助這種能力識(shí)別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和供應(yīng)保障，其主要目的是降低使用與保障費(fèi)用，提高裝備系統(tǒng)安全性、完好性和任務(wù)成功性，從而以較少的維修投入，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修或視情維修（condition-based maintenance，CBM）和自主式保障。

PHM的定義

故障預(yù)測與健康管理PHM（Prognostics and Health Management）技術(shù)，是指利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，獲取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，借住神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理等算法，根據(jù)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境因素，對系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測，同時(shí)對系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，結(jié)合地面維修資源情況，給出維修決策，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的實(shí)情維修。

PHM包含兩方面的內(nèi)容，即故障預(yù)測和健康管理，健康是指與期望的正常性能狀態(tài)相比較的性能下降或偏差程度。其中故障預(yù)測是指根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)在或歷史性能狀態(tài)預(yù)測性地診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)（未來的健康狀態(tài)），包括確定部件或者系統(tǒng)的剩余壽命或正常工作的時(shí)間長度；健康管理是根據(jù)診斷/預(yù)測信息、可用維修資源和使用要求對維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策的能力。

PHM的內(nèi)涵

PHM系統(tǒng)一般應(yīng)具備故障檢測、故障隔離、故障診斷、故障預(yù)測、健康管理和壽命追蹤等功能。對于復(fù)雜裝備和系統(tǒng)，PHM應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同層次、不同級別的綜合診斷、預(yù)測和健康管理。PHM的主要功能列舉如下圖：

PHM技術(shù)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)獲取和采集與系統(tǒng)屬性有關(guān)的特征參數(shù)，然后將這些特征參數(shù)和有用的信息關(guān)聯(lián)，借助智能算法和模型進(jìn)行檢測、分析、預(yù)測，并管理系統(tǒng)或設(shè)備的工作狀態(tài)。

PHM 代表了一種方法的轉(zhuǎn)變，一種維護(hù)策略和概念上的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測的轉(zhuǎn)變，從而為在準(zhǔn)確的時(shí)間，對準(zhǔn)確的部位，進(jìn)行準(zhǔn)確而主動(dòng)的維護(hù)活動(dòng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。PHM 技術(shù)也使得事后維修或定期維修策略被視情維修所取代。這種轉(zhuǎn)變能夠?yàn)楝F(xiàn)實(shí)裝備保障帶來如下提升：

PHM的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，PHM在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。美國、英國、加拿大、荷蘭、新加坡、南非和以色列等國已將PHM技術(shù)應(yīng)用到直升機(jī)上，出現(xiàn)了稱作“健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)”（HUMS）的集成應(yīng)用平臺(tái)。其中美國國防部新一代HUMS-JAHUMS具有全面的PHM能力和開放、靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

美國各軍種研究開發(fā)的與HUMS和PHM類似的技術(shù)還有海軍的綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）、陸軍的診斷改進(jìn)計(jì)劃（ADIP），B-2轟炸機(jī)、“全球鷹”無人機(jī)和NASA第2代可重復(fù)使用運(yùn)載器的飛行器綜合健康管理（IVHM）系統(tǒng)等。覆蓋了部件、分系統(tǒng)及整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)，主要功能組件包括飛機(jī)級PHM、結(jié)構(gòu)PHM、任務(wù)系統(tǒng)PHM、推進(jìn)系統(tǒng)PHM、機(jī)電系統(tǒng)PHM及地面PHM等。此外，國外預(yù)測及健康管理（PHM）技術(shù)理論體系不斷完善和優(yōu)化，設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和評估技術(shù)不斷成熟。美國F-35等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)裝備了PHM系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證都基于成熟軟件工具，并結(jié)合裝備特點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證和熟化，已經(jīng)形成了PHM設(shè)計(jì)、開發(fā)及驗(yàn)證的流程、方法和體系，對于其他新型裝備PHM系統(tǒng)研制具有重要推動(dòng)作用。幾種典型的PHM設(shè)計(jì)、開發(fā)及驗(yàn)證一體化軟件平臺(tái)為國外PHM系統(tǒng)研制起到了重要作用。

除了在軍事領(lǐng)域的成功應(yīng)用外， PHM技術(shù)還在航空航天、民用飛機(jī)、汽車、核電站和大型水壩等民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，成為名副其實(shí)的軍民兩用技術(shù)。波音公司已將PHM技術(shù)應(yīng)用到民用航空領(lǐng)域，稱作“飛機(jī)狀態(tài)管理（AHM）系統(tǒng)”，已在多家航空公司的B777， B747-400，A320，A330和A340等飛機(jī)上得到大量應(yīng)用。此外，在工業(yè)領(lǐng)域的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、電梯、工程機(jī)械等行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛和深入。

PHM的經(jīng)濟(jì)效益：

PHM的故障預(yù)測能夠提供盡可能長的預(yù)測——失效周期，其投入產(chǎn)出比大約為10倍。主要收益體現(xiàn)在：

例如在航空領(lǐng)域以F-35戰(zhàn)機(jī)為例，使用了PHM技術(shù)的飛機(jī)的故障不可復(fù)現(xiàn)率減少82%，維修人力減少20-40%，后勤規(guī)模減小50%，出動(dòng)架次率提高25%，飛機(jī)的使用與保障費(fèi)用比過去的機(jī)種減少了50%以上，而使用壽命達(dá)8000飛行小時(shí)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)充分證明了PHM在降低維修保障成本，提高裝備安全性、可用度與完好性，確保任務(wù)成功性，提升作戰(zhàn)效能方面的重要作用。

從社會(huì)效益來看，PHM技術(shù)的發(fā)展，有助于其在不同領(lǐng)域的拓展研究，幫助其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)基于狀態(tài)的預(yù)測性維護(hù)和健康管理，從而更大程度上幫助節(jié)約成本，增加經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)，能夠很大程度上節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境。

案例分享：

案例中的客戶是開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、銷售汽車及汽車零部件（包括新能源汽車及其電池、電機(jī)、整車控制技術(shù)）、電子電器、金屬機(jī)械、鑄金鍛件、粉末冶金、設(shè)備、工具和模具的一家汽車制造商公司。在整車生產(chǎn)過程中，需要利用沖壓設(shè)備將鋼板鍛造成型，沖壓設(shè)備故障會(huì)對生產(chǎn)過程帶來不必要的損失，并存在以下三個(gè)痛點(diǎn)：

• 傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)維運(yùn)維人員需要積累豐富的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，時(shí)間、人力成本高；
• 對于設(shè)備故障的類型和程度等級難以做出準(zhǔn)確的判斷；
• 對故障的發(fā)生時(shí)間以及可能性無法做出精準(zhǔn)的預(yù)測。

慧都大數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選擇最優(yōu)的預(yù)測模型，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性探索，找到故障發(fā)生的所有相關(guān)數(shù)據(jù)特征（如圖方框選擇的數(shù)據(jù)區(qū)域所示），從而預(yù)測出故障會(huì)在接下來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)故障（如圖橢圓形區(qū)域）。我們的預(yù)測模型準(zhǔn)確度在90%以上。

模型效果

沖壓設(shè)備故障5分鐘的預(yù)測狀況

沖壓設(shè)備故障10分鐘的預(yù)測狀況

效果界面

慧都設(shè)備故障預(yù)測解決方案項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在實(shí)施完成后，為客戶進(jìn)行了一個(gè)月的項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)，做到了三分鐘響應(yīng)，半小時(shí)處理，能夠完美融入客戶現(xiàn)場生產(chǎn)過程，客戶非常滿意。最終實(shí)現(xiàn)：

• 故障預(yù)測準(zhǔn)確率93%以上；
• 預(yù)測時(shí)間只需要100毫秒；
• 節(jié)省人工成本現(xiàn)在只需要1個(gè)運(yùn)維人員；
• 方案線上全自動(dòng)預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)化。

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