基于智能化產品的PHM系統

侯　濤，尚　冰，楊惠蘭

（中車永濟電機有限公司， 陜西　西安　710016）

引言

近年制造業由于其市場需求再生速度慢、總體產能過剩和競爭加劇等因素，導致制造業的價值增長點已經體現轉移趨勢，具體表現在以下幾個方面：

1）價值從硬件向軟件轉變，產品已從單純的物理組件向集成了處理器、傳感器、軟件和數字用戶界面的復雜系統演變。

2）價值正在從產品向云轉變，隨著越來越多智能化產品在制造業的推廣應用，智能器件的本事價值增量仍是有限的，將智能產品鏈接到云端，并依托大數據擴展新服務體，形成新的價值增量。

3）價值正在從產品向服務轉變，市場推動力和競爭，減弱了以產品為核心戰略的生命力，同時催生業務模式轉變。產品與服務更多集成起來，制造企業希望利用服務在整個產品生命周期中實現新價值。

4）同時對產品的運用維保，檢測檢修等后期業務需求也不斷的提升。原先的事后補救式修理，定期保養修理，無論是從生產組織，物料準備，還是還是減少故障損失，甚至檢修方案的合理性這些方面都無法適應業務的需要。

針對以上價值轉變，越來越多的高端制造企業構架建立基于PHM為核心的售后檢修維保系統。將原先事后修理、定期預防性維護狀態，提升為狀態維修和預測性維護。圖1為檢修服務實現策略階段圖，可以看出隨著時代的進步，對檢修的要求不斷提升，未來的產品的維保服務及檢修服務必將是以預防性為主的綜合服務。

圖1　檢修服務實現策略階段圖

1　PHM技術概述

目前大部分裝備的維護多以定期檢查、事后維修為主，不僅消耗大量的人力物力，而且效率低下。PHM（Prognosties and Health Management）預測與健康管理系統，是綜合利用現代化信息技術、人工智能技術的最新研究成果而提出的一種全新的管理健康狀態的解決方案。

PHM技術最早由美國軍方提出，目前軍事、航空航天等領域已經運用比較成熟。PHM技術的理念是從外部測試轉為設備內部測試（BIT）及狀態檢測，帶來了以下針對檢修維保的實質性變革：

1）維修思想體系的轉變，從事后維修到基于狀態的維修，減少了設備在線運行過程中出現故障的概率。

2）從外部測試向內部自測轉變，減少了外部設備、檢測試驗站等根據屬地化檢修需要的重復投入。

3）檢修服務方面，由于信息的實時收集處理，可以幫助生產企業更加了解設備的健康狀況；合理編制修程，合理安排備品備料，使計劃更加合理。

2　主要功能構成

PHM功能上主要包含六部分組成：

1）數據采集，利用各種傳感器探測、采集被檢系統的相關參數信息，將收集數據進行有效信息裝換以及信息傳輸。

2）信息歸納處理，接受來自傳感器以及其它數據處理模塊的信號和數據信息，將數據信息處理成后續部件可以處理的有效形式和格式。

3）狀態檢測，接受來自傳感器、數據處理以及其它狀態監測模塊的數據。其功能主要是將這些數據同預定的失效判據等進行比較來檢測系統當前的狀態，并且可根據預定的各種參數指標極限值、閥值來提供故障報警能力。

4）健康評估，接受來自不同狀態檢測模塊以及其它健康評估模塊的數據。主要評估被檢測系統的健康狀態可以產生故障診斷記錄并確定故障發生的可能性。故障診斷應基于各種健康狀態歷史數據、工作狀態以及維修歷史數據等。

5）故障預測決策，故障預測能力是PHM系統的顯著特征之一。該部件由兩部分組成，可綜合利用前述個部分的數據信息，評估和預測被檢測系統未來的健康狀態，并做出判斷，建議、決策采取相應的措施。該部件可以再被檢測系統發生故障之前的事宜時機采取維修措施。

6）保障決策，主要包括人—機接口和機—機接口。人—機接口包括狀態檢測模塊的警告信息顯示及健康評估、預測和決策支持模塊的數據信息的表示等；機—機接口使得上述各模塊之間以及PHM系統同其它系統之間的數據信息可以進行船體交換。

3　基于智能化產品的解決方案

為實現上述功能，基于現在互聯網技術，PHM技術必須依賴三層物理結構層來實現，如圖2所示。詳細的三層分析定義如下：為整合上述功能，基本用三層數據系統實現以上功能。

感知層，通過RFID智能標簽、客戶端條碼掃描裝置實現配置管理和記錄追溯，在產品系統中通過智能傳感器、智能儀表、以及基于圖像識別的缺陷檢測技術的多媒體設備等無線網絡器件的集成，實現對工況的精準感知，產品運行關注數據的實時監控。

網絡層，通過網絡、定位系統等設備，實現運行地點和檢測實時數據的傳輸。

信息處理層，對數據進行記錄、比對、處理可通過與原始立項化的故障模型比對，和專家故障處理相結合的模式，實現對故障的處理和前期狀態的記錄，通過推理機的自我學習，實現對同類故障前期狀態的匯總總結，在大數據的基礎上實現故障預測和健康管理。

圖2　基于物聯網的PHM解決方案

PHM需要打造一個統一平臺，構建數據中心，構建多層信息平臺，通過分層建設，達到平臺能力及應用的可成長、可擴充，創造面向未來信息維保框架。圖3為某類產品的PHM數據流程示意圖，可以看出通過多類型設備和傳感器對信息源數據采集，再借助互聯網平臺將數據源源不斷的收集到云數據平臺；然后再通過智能服務器經過過去的數據統計、產品器件本身的特性結合目前器件的運行狀態，最后又將信息反饋到服務終端、用戶，實現科學的閉環管理和維修保養體系。

圖3　PHM的數據流程示意

4　結語

基于智能化產品的PHM技術，目前已經作為高端設備運行檢測、故障判斷的解決方案和具體數據分析處理方案。本文希望通過對基于物聯網技術或智能化產品構建的PHM系統為具體案例，與讀者共同思考將產品不再作為單純的功能實現，而是信息平臺的終端，不斷通過平臺搭建、信息采集、數據挖掘，探索制造業由產品向產品及服務的價值轉型之路。

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