PHM中的設備健康度評估研究

吳迅 齊艷

摘 要：故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）是一種新型的維修與管理方式，它通過感知并充分使用狀態監測與監控信息，對設備的工作狀態、可靠性、壽命和故障進行預測，融合維修、使用和環境信息，結合規范的設備管理方法和業務流程，對維修活動進行科學規劃和合理優化，對影響設備健康度和剩余壽命的技術、管理和人為因素進行全過程控制。

關鍵詞：PHM;健康度;故障預測

引言

PHM重要基礎是設備管理、基于狀態的維修（CBM）、故障預測與健康度評估。本方案將重點研究設備健康度評估。健康度評估是所有PHM系統的重要組成部份，如果一個系統不具備健康度評估的功能，它就不能算是真正意義上的PHM系統，通過對設備健康度評估技術的研究，促進設備精確化維修的實現，為維修決策提供科學的手段和方法，還可以為落實設備故障預測與健康管理機制提供重要的決策依據。

1? 設備健康度評估的基本概念

設備健康度評估主要是根據設備的各特征參數，結合當前數據與歷史數據進行分析，綜合考慮設備的使用、環境、維修等因素的影響，利用各種評估算法對裝備的健康度進行評估，明確裝備健康度的一種技術。

設備健康度評估技術存在以下幾點：

（1）不是主要分析裝備會發生什么故障，而是從總體上把握裝備性能的好壞程度

（2）不僅要定性了解設備當前所處的健康度等級，而且要從定量的角度描述設備的健康程度大小。

2 健康度評估的量化

在工程實踐中，通常用定性的方法將設備的健康度劃分為若干等級，評估的結果多是定性的健康等級描述，如即健康、比較健錄、亞健康、輕微病態（輕微故障狀態）、病態（故障狀態）、嚴重病態（嚴重故障狀態）。一般的健康度評估實際就是將評估指標經過適當的處理，把評估對像的健康度劃入相應等級的一個過程。這樣得出的評估結果就是一個定性的描述，當需要比較多個設備健康度好壞的時候，特別當有多個設備處于同一種健康級別時，定性的評估結果就顯得無能為力了。因此，有必要將設備的健康度量化。一般將設備健康度的量化值稱為健康度。

3 健康度評估的一般流程

設備健康度評估流程一般包括準備階段、評估實施階段、評估分析與反饋階段。

3.1 健康度評估準備階段

3.1.1確定評估對象

要對設備進行健康度評估，那么設備的健康度必須存在一個可鑒別的發展過程，那么設備的健康度必須存在一個可鑒別的發展過程，也就是說其狀態是逐漸劣化的。如果不具有潛在故障，如某些電子元器件、集成電路等發生功能故障之前沒有任何征兆，其狀態的變化無法鑒別出來，也就無法進行健康度評估。

3.1.2劃分健康度等級

目前，關于健康度評估的研究主要集中在評估方法方面，而健康度等級如何合理劃分往往被忽視，為了評估結果表達的需要，幾乎每位研究人員都對各自對象的健康度等級提出了自己的分級觀點。由此出現了各種各樣的健康度分級方法。不規范的健康度分級不利于健康度評估在工程實踐的應用。劃分設備的健康度等級是進行評估的前提。規范的健康度等級劃分，既有利于設備健康度評估技術的推廣和應用，也有利于實現設備的健康管理。

3.1.3 確定健康度指標

要對設備進行健康度評估，首先要確定可以直接表征其健康度的參數指標，或可間接推理判斷裝備健康度所需要的參數信息，這是進行健康度評估的數據基礎。確定裝備健康度指標主要是從健康度的影響因素的角度來考慮，影響設備健康度的因素分為技術狀態因素和非技術狀態因素兩大類。

技術狀態是設備健康度的直接反映，如果設備出現故障，則相應的技術性能就會偏離正常值。為反映設備的實時健康度，必須將這些能反映設備狀態的技術性能作為評估設備狀態的指標，確定設備健康度評估的健康指標成為重中之重。

3.1.4實施狀態監測

確定了設備的健康度指標后，需要通過相應的狀態監測技術來獲取指標數據。

3.1.5 數據預處理

由于不同的狀態監測手段獲取的數據類型不同，健康度指標既有定量的數據，也有定性的描述語言;不同的狀態測量值有不同的數量級和不同的測量單位;此外還有異常數據的干擾等。因此，為了使數據能夠滿足建模的要求，需要對原始數據進行各種預處理。數據處理方式和技術要根據不同的目的進行選擇，通常的數據處理技術包括：異常數據的剔除、數據的規范化處理、定性指標的量化等。

3.2健康度評估實施階段

在獲得表征設備健康度的信息后，如何根據這些信息來評估設備的健康度就成為關鍵的問題，設備的健康度是隨著設備工作時間的增加逐漸劣化的，如果不出現突發性故障，設備的健康度應該是各態歷經的，即按照“健康”->“中間狀態”->“不健康”的變化規律發展。

（1）確定設備當前的健康度等級

目前，絕大部份研究主要回答的就是這個問題，即利用評估方法對設備的健康度進行判定，確定設備的健康度等級。由于設備有限的監測數據和運行資料所提供的信息總是不完全的，再加上指標的不確定性，可以使用模糊集理論進行評估。

（2）計算設備的健康度

健康度是從定量的角度來描述設備健康度的程度，它比定性的健康度等級更加直觀地反映了設備的健康度。計算設備健康度的作用主要表現在：

對于單個設備而言，雖然設備的健康度在整個壽命周期內是逐漸劣化的，但是在一定的時間段內，定性評估得到的設備健康度會駐留在某一個等級不發生改變，難以反映設備健康度的真實變化情況。如果能夠對健康度進行量化，即便相鄰兩次評估得到的健康度等級相同，也可以通過健康度來比較它們的健康程度。

3.3 健康度評估分析和反饋階段

3.3.1分析健康度評估的結果

設備經過健康度評估之后，得到的直接結果為當前的設備健康度，如果評估的結果與實際情況差別較大，查找出現錯誤的原因，對評估結果予以糾正。如有必要，重新評估設備的健康度，直到獲得滿意的結果為止。

3.3.2反映健康度的變化規律

對于實施健康度評估的設備來講，并不是只在某一個時刻才進行評估，而是在其整個生命周期內定期或不定期地時進行多次評估，這樣就得到按照評估時間排列的多個健康度評估結果。為了從評估的結果中找尋規律，將每次評估結果以健康度檔案的方式予以保存。對定性的健康等級而言，歷次評估得到的健康等級粗略地反映了設備健康度的變化規律;對定量的健康度而言，歷次評估得到的健康度可以形成一條健康度曲線，更加真實地反映了設備健康度的變化規律。

3.3.3提供使用或維修決策建議

健康度評估的最終目的是為了給設備的維修策略和使用任務計劃提供決策依據，從而實施最佳的維修方式和合理安排設備的使用。維修管理人員可以根據健康度評估結果來安排維修計劃。對于評估結果為“健康”的設備，維睡時可不作為重點;對于評估結果處于下降趨勢或評估值低的設備必須列為維修重點。設備使用人員可根據健康度評估結果，按照健康度等級描述中對應的設備使用建議，結合任務的類型、預期的負載、使用時間等要求，合理安排設備的使用計劃，確保設備能夠成功地完成任務。

總之，評估準備工作是基礎，具體的評估是關鍵，得到的評估結果是目標。

參考文獻：

[1]滿強，夏良華. 復雜裝備健康管理模式綜述【期刊論文】. 火炮發射與控制學報，? 2009（02）

[2]吳波，賈希勝，夏良華.? 基于灰色聚類和模糊綜合評判的裝備.裝備群健康狀態評估， 2009（05）

（1.江蘇安防科技有限公司，江蘇 南京 211800;2.南京國電南自軌道交通工程有限公司，江蘇 南京 211800）