PHM基礎知識：淺談設備故障預測與健康管理

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今天我們來簡單講一講PHM——故障預測和健康管理。

隨著現(xiàn)在科技技術的發(fā)展，特別是信息技術的迅速發(fā)展，在航空、航天、通信、工業(yè)應用等各個領域的工程系統(tǒng)日趨復雜，大量復雜系統(tǒng)的復雜性、綜合化、智能化程度不斷提高。伴隨著復雜系統(tǒng)的發(fā)展，其研制、生產(chǎn)尤其是維護和保障的成本越來越高。同時，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，復雜系統(tǒng)故障診斷和維護逐漸成為大家關注的焦點。基于復雜系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟性考慮，以預測技術為核心的故障預測和健康管理PHM（Prognostics Health Management）策略獲得越來越多的重視和應用，發(fā)展為自主式后勤保障系統(tǒng)的重要基礎。

PHM的概念和技術首先出現(xiàn)在軍用裝備中，并在航天飛行器、飛機、核反應堆等復雜系統(tǒng)和裝備中獲得應用，隨著PHM技術的不斷發(fā)展，目前在很多工業(yè)領域逐漸受到重視，在電子、汽車、船舶、工程結構安全等方面的應用也不斷增加。PHM是對復雜系統(tǒng)傳統(tǒng)使用的機內(nèi)測試（build-in test，BIT）和狀態(tài)（健康）監(jiān)控能力的進一步擴展，它是從狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉變，這種轉變引入了對系統(tǒng)未來可靠性的預測能力，借助這種能力識別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和供應保障，其主要目的是降低使用與保障費用，提高裝備系統(tǒng)安全性、完好性和任務成功性，從而以較少的維修投入，實現(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

故障預測與健康管理PHM（Prognostics and Health Management）技術，是指利用先進的傳感器技術，獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)信息和故障信息，借住神經(jīng)網(wǎng)絡、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)進行狀態(tài)監(jiān)測、故障預測，同時對系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行評估，結合地面維修資源情況，給出維修決策，以實現(xiàn)關鍵部件的實情維修。

PHM包含兩方面的內(nèi)容，即故障預測和健康管理，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。其中故障預測是指根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)在或歷史性能狀態(tài)預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間長度；健康管理是根據(jù)診斷/預測信息、可用維修資源和使用要求對維修活動做出適當決策的能力。

PHM的內(nèi)涵

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

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

PHM 代表了一種方法的轉變，一種維護策略和概念上的轉變，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預測的轉變，從而為在準確的時間，對準確的部位，進行準確而主動的維護活動提供了技術基礎。PHM 技術也使得事后維修或定期維修策略被視情維修所取代。這種轉變能夠為現(xiàn)實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技術應用到直升機上，出現(xiàn)了稱作“健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)”（HUMS）的集成應用平臺。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)結構。

美國各軍種研究開發(fā)的與HUMS和PHM類似的技術還有海軍的綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）、陸軍的診斷改進計劃（ADIP），B-2轟炸機、“全球鷹”無人機和NASA第2代可重復使用運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)及整個飛機系統(tǒng)，主要功能組件包括飛機級PHM、結構PHM、任務系統(tǒng)PHM、推進系統(tǒng)PHM、機電系統(tǒng)PHM及地面PHM等。此外，國外預測及健康管理（PHM）技術理論體系不斷完善和優(yōu)化，設計、驗證和評估技術不斷成熟。美國F-35等先進戰(zhàn)機裝備了PHM系統(tǒng)，其設計、開發(fā)和驗證都基于成熟軟件工具，并結合裝備特點進行驗證和熟化，已經(jīng)形成了PHM設計、開發(fā)及驗證的流程、方法和體系，對于其他新型裝備PHM系統(tǒng)研制具有重要推動作用。幾種典型的PHM設計、開發(fā)及驗證一體化軟件平臺為國外PHM系統(tǒng)研制起到了重要作用。

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

PHM的經(jīng)濟效益：

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

例如在航空領域以F-35戰(zhàn)機為例，使用了PHM技術的飛機的故障不可復現(xiàn)率減少82%，維修人力減少20-40%，后勤規(guī)模減小50%，出動架次率提高25%，飛機的使用與保障費用比過去的機種減少了50%以上，而使用壽命達8000飛行小時。統(tǒng)計數(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，確保任務成功性，提升作戰(zhàn)效能方面的重要作用。

從社會效益來看，PHM技術的發(fā)展，有助于其在不同領域的拓展研究，幫助其他領域實現(xiàn)基于狀態(tài)的預測性維護和健康管理，從而更大程度上幫助節(jié)約成本，增加經(jīng)濟收益，同時，能夠很大程度上節(jié)約資源保護環(huán)境。

案例分享：

案例中的客戶是開發(fā)、設計、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、整車控制技術）、電子電器、金屬機械、鑄金鍛件、粉末冶金、設備、工具和模具的一家汽車制造商公司。在整車生產(chǎn)過程中，需要利用沖壓設備將鋼板鍛造成型，沖壓設備故障會對生產(chǎn)過程帶來不必要的損失，并存在以下三個痛點：

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

慧都大數(shù)據(jù)團隊對數(shù)據(jù)進行處理，選擇最優(yōu)的預測模型，對傳感器的數(shù)據(jù)進行相關性探索，找到故障發(fā)生的所有相關數(shù)據(jù)特征（如圖方框選擇的數(shù)據(jù)區(qū)域所示），從而預測出故障會在接下來的某個時間點出現(xiàn)故障（如圖橢圓形區(qū)域）。我們的預測模型準確度在90%以上。

模型效果

沖壓設備故障5分鐘的預測狀況

沖壓設備故障10分鐘的預測狀況

效果界面

慧都設備故障預測解決方案項目團隊在實施完成后，為客戶進行了一個月的項目運行維護，做到了三分鐘響應，半小時處理，能夠完美融入客戶現(xiàn)場生產(chǎn)過程，客戶非常滿意。最終實現(xiàn)：

• 故障預測準確率93%以上；
• 預測時間只需要100毫秒；
• 節(jié)省人工成本現(xiàn)在只需要1個運維人員；
• 方案線上全自動預測，實現(xiàn)了完全的自動化。

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