CBM在車(chē)輛維修中關(guān)鍵技術(shù)研究

韓新平，張國(guó)海，胡國(guó)棟，孫立賢 （66481部隊(duì)，天津301715）

CBM是隨著狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展而逐步出現(xiàn)的，通過(guò)內(nèi)置傳感器或便攜式外部檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，獲取裝備運(yùn)行的特征量信息，借助各種智能推理算法 （如物理模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、模糊邏輯、專(zhuān)家系統(tǒng)等）實(shí)時(shí)評(píng)估裝備的技術(shù)狀態(tài)，在裝備故障發(fā)生前對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)各種可利用的資源信息結(jié)合不同的決策目標(biāo)實(shí)施決策的維修過(guò)程。

在CBM理論研究方面，主要是以狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷為主，對(duì)維修決策研究不夠。特別是對(duì)狀態(tài)模型、維修決策模型的建立、求解以及應(yīng)用都缺乏深入系統(tǒng)的研究。但仍然取得了一些成績(jī)，如唐紅芳對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸的二維模型進(jìn)行了分析，建立了有限元模型，并采用C++語(yǔ)言編制了汽輪機(jī)以及缸體的溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)程序[1]；張秀斌、王廣偉等應(yīng)用比例風(fēng)險(xiǎn)模型 （PHM）建立系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與故障率之間的關(guān)系，并給出了維修狀態(tài)閾值[2]；袁志堅(jiān)提出了一種電力變壓器狀態(tài)維修策略的模糊多屬性群決策方法，并通過(guò)某一變壓器狀態(tài)維修方案的決策過(guò)程，采用折衷型群決策方法具體探討了模糊多屬性群決策方法在變壓器狀態(tài)維修決策中的應(yīng)用[3]；董玉亮提出了多狀態(tài)特征參數(shù)變權(quán)模糊綜合狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，利用設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷、維修歷史數(shù)據(jù)等信息，使?fàn)顟B(tài)評(píng)價(jià)的結(jié)果更貼近設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并利用這些結(jié)果建立了維修任務(wù)決策及優(yōu)化模型[4]；呂文元、楊遠(yuǎn)濤等利用濾波理論建立設(shè)備預(yù)測(cè)維修的優(yōu)化模型[5]；北京航空航天大學(xué)曾聲奎結(jié)合故障預(yù)測(cè)與健康管理 （PHM）的技術(shù)發(fā)展過(guò)程，闡述了PHM的應(yīng)用價(jià)值[6]；邱立鵬在其碩士論文中闡述了基于各種指標(biāo)的預(yù)測(cè)分析技術(shù)，并使用C++開(kāi)發(fā)了一套完整的基于Microsoft Window9x對(duì)設(shè)備剩余壽命進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)的軟件[7]。

1 先進(jìn)傳感器技術(shù)

精確、及時(shí)、高效的數(shù)據(jù)是應(yīng)用CBM的基礎(chǔ)，而傳感器作為獲取裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)的一種有效工具，在CBM系統(tǒng)中具有重要的作用。傳感器技術(shù)作為一門(mén)專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)，是以傳感器為核心，涉及測(cè)量技術(shù)、功能材料、微電子技術(shù)、精密與微細(xì)加工技術(shù)、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相互融合的技術(shù)密集型綜合技術(shù)，其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在：發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開(kāi)發(fā)新材料、新功能；向多功能集成化和微型化發(fā)展；傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)日益明顯。

目前有很多先進(jìn)的傳感器技術(shù)被應(yīng)用于CBM系統(tǒng)中，如光纖傳感器、壓電傳感器、碳納米管、微電子機(jī)械系統(tǒng)等，這些新型的傳感器具有精度高、使用范圍廣、工作溫度范圍大、智能化程度高等特點(diǎn)。在CBM系統(tǒng)中應(yīng)用傳感器主要涉及兩個(gè)問(wèn)題：

1.1 傳感器的選擇

傳感器的選擇是獲取裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)的首要環(huán)節(jié)，這是因?yàn)閭鞲衅饕坏┐_定，與之相匹配的數(shù)據(jù)處理、故障診斷及其相關(guān)儀器設(shè)備也就確定。因此測(cè)試結(jié)果的好壞，在很大程度上取決于傳感器的選取是否恰當(dāng)。傳感器選擇的一般步驟如圖1所示。

圖1 傳感器選擇的一般步驟

1.2 傳感器的安裝與使用

傳感器作為一種精密器件，只有正確的安裝與使用才能發(fā)揮其應(yīng)有的工作性能，因而在其安裝與使用過(guò)程中，除了要遵循精密器件一般安裝使用規(guī)定外，還需要特別遵守如下注意事項(xiàng)：1）選擇合適的測(cè)試點(diǎn)并正確安裝傳感器；2）為確保被測(cè)信號(hào)的有效、準(zhǔn)確傳輸，傳感器的電源電纜、數(shù)據(jù)傳輸線要符合規(guī)定，正確安裝；3）傳感器的定期標(biāo)定與校準(zhǔn)是保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常功能的必要步驟。

2 數(shù)據(jù)傳輸與預(yù)處理技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

目前主要有兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，即有線傳輸和無(wú)線傳輸。有線傳輸是較為成熟的一種傳輸方式，主要是通過(guò)各種有線數(shù)據(jù)總線和各種網(wǎng)絡(luò)如Internet、Ethernet LAN（local area network）等進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并且大多都有各種通信標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如TCP/IP、UDP/IP等可以遵循。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊话氵^(guò)程是，首先通過(guò)各種線纜將傳感器的數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)在部件級(jí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，然后通過(guò)特定的有線網(wǎng)絡(luò)將部件級(jí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒爰?jí)存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)。圖2為兩種數(shù)據(jù)傳輸方式的簡(jiǎn)單系統(tǒng)構(gòu)成。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

由于不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)方法要求不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，需要對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行各種預(yù)處理，以使數(shù)據(jù)格式滿足后續(xù)處理的要求，同時(shí)也將便于傳輸和存儲(chǔ)。預(yù)處理包括數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、去噪聲、高通濾波、壓縮、信號(hào)自相關(guān)等。數(shù)據(jù)處理方式和技術(shù)要根據(jù)不同的目的進(jìn)行選擇，如特征提取技術(shù)是為了進(jìn)行故障識(shí)別和故障隔離；數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化是為了剔除不必要冗余的原始數(shù)據(jù)便于進(jìn)一步處理；循環(huán)計(jì)數(shù)方法則是為了便于將連續(xù)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)據(jù)信息等。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

3 信息融合技術(shù)

傳統(tǒng)的信息/數(shù)據(jù)融合是指多傳感器的信息/數(shù)據(jù)在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合以完成所需的決策和評(píng)估而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。

信息融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)目前尚無(wú)形成統(tǒng)一的分類(lèi)形式，從信息融合的功能角度，可將信息融合過(guò)程分為5層，即：檢測(cè)級(jí) （判決）融合、狀態(tài)級(jí) （跟蹤）融合、屬性級(jí) （目標(biāo)識(shí)別）融合、態(tài)勢(shì)評(píng)估和威脅估計(jì)，如圖3所示，其中狀態(tài)評(píng)估和威脅估計(jì)主要用于軍事領(lǐng)域。

檢測(cè)級(jí)融合的功能主要是判斷目標(biāo)的有無(wú)；狀態(tài)級(jí)融合的功能是估計(jì)目標(biāo)的狀態(tài) （距離、運(yùn)動(dòng)速度等）；屬性級(jí)融合的目的是確定目標(biāo)的身份。這3個(gè)層次的融合各有特點(diǎn)。在具體的應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)融合的目的和條件選用。

圖3 多傳感器信息融合功能級(jí)別

4 結(jié) 論

本文貫穿車(chē)輛CBM應(yīng)用流程的整個(gè)環(huán)節(jié)，利用RCM分析方法確定CBM的實(shí)施對(duì)象，明確了CBM在車(chē)輛維修中的關(guān)鍵技術(shù)，分析了關(guān)鍵技術(shù)的具體內(nèi)容，為車(chē)輛開(kāi)展?fàn)顟B(tài)維修提供了技術(shù)支持。

[1] 唐紅芳.汽輪機(jī)壽命在線監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)研究[D].保定：華北電力大學(xué) （碩士論文），2004.

[2] 張秀斌，王廣偉.應(yīng)用比例故障率模型進(jìn)行基于狀態(tài)的視情維修決策[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2002(4):19-22.

[3] 袁志堅(jiān)，孫才新，袁張渝,等.變壓器健康狀態(tài)評(píng)估的灰色聚類(lèi)決策方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,28(3):22-25.

[4] 董玉亮.發(fā)電設(shè)備運(yùn)行與維修決策支持系統(tǒng)研究[D].北京：華北電力大學(xué) （博士論文），2005.

[5] 呂文元，楊遠(yuǎn)濤，方淑芬.利用濾波理論建立設(shè)備預(yù)測(cè)維修的優(yōu)化模型[J].東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2000,20(1):22-24.

[6] 曾聲奎，Michael G.pecht，吳際.故障預(yù)測(cè)與健康管理 （PHM）技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào)，2005,26(5):626-632.

[7] 邱立鵬.設(shè)備剩余壽命的預(yù)測(cè)與分析[D].大連：大連理工大學(xué) （碩士論文），2000.