程夢瑤

人生病了，需要尋醫(yī)問診，如果我們的設(shè)備發(fā)生故障，該如何為它懸絲診脈呢？PHM技術(shù)跟以往的維護工作大相徑庭。提高設(shè)備整個的使用周期，降低成本，減少無故障的發(fā)現(xiàn)，這是整個PHM技術(shù)的價值。

PHM技術(shù)，即預測與健康（Prognostics and Health Management），是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)與人工智能技術(shù)的一種最新研究成果。這種全新的管理設(shè)備解決方案，以健康狀態(tài)出發(fā)從而提高裝備的運行安全性、系統(tǒng)可靠性和維修性。

人生病了，需要尋醫(yī)問診，如果我們的設(shè)備發(fā)生了故障，該如何為它懸絲診脈呢？

PHM的前世今生

大數(shù)據(jù)技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)商百分點做出了一種假設(shè)，發(fā)射機嚴重故障比喻為人類的“死亡”，模型就成為了某廣電運營商的專職“老中醫(yī)”，無時無刻為發(fā)射機的“身體機能”進行診斷。雖然機器無法開口說話，但我們可以通過模型觀察發(fā)射機基本指標是否運行正常，判斷發(fā)射機是否患“病”，而這種“病”又是否會引發(fā)死亡。

據(jù)百分點技術(shù)副總裁劉譯璟透露：“最早PHM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用，最早的契機是美軍研發(fā)F35戰(zhàn)機。從F35艦載機的研發(fā)開始，整個設(shè)備故障減少50%，維護人員減少20%～40%，飛機執(zhí)行任務(wù)的架次增加25%。這幾項指標非常重要，通俗地理解，原來有100架飛機，現(xiàn)在可以當成125架飛機來用?！?/p>

PHM技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較早的是航天測控領(lǐng)域，1979年，我國已經(jīng)提出空軍的技術(shù)標準，基于此，可以做一些這方面的維護工作，這時候還只是通過管理或者技術(shù)手段輔助提高整個設(shè)備正常的運轉(zhuǎn)情況。

20世紀80年代，我國開始引進數(shù)據(jù)智能化手段，提供整個設(shè)備的維修檢測。在“殲十”飛機的整個研制過程中，PHM技術(shù)也得到了應(yīng)用。

PHM技術(shù)跟以往的維護工作大相徑庭。提高設(shè)備整個的使用周期，降低成本，減少無故障的發(fā)現(xiàn)，這是整個PHM技術(shù)的價值。“它實現(xiàn)的價值或者收益已經(jīng)列出來了，它提供關(guān)于系統(tǒng)失效的高級告警，不止是現(xiàn)在可以采用，甚至是提供了一種綜合預測的結(jié)果?！眲⒆g璟介紹道。

PHM技術(shù)的六大技術(shù)模塊

劉譯璟指出，整個PHM技術(shù)，純粹的數(shù)據(jù)分析有六種模塊。

數(shù)據(jù)采集：利用各種傳感器探測、采集被檢系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，將收集數(shù)據(jù)進行有效信息轉(zhuǎn)換以及信息傳輸?shù)取?/p>

信息處理：根據(jù)行業(yè)專業(yè)知識對數(shù)據(jù)進行補充/限制，這里專業(yè)知識即為數(shù)據(jù)模型的約束條件，也為數(shù)據(jù)模型的因子條件。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：接受來自傳感器、數(shù)據(jù)處理以及其它狀態(tài)監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)模型將回傳數(shù)據(jù)進行綜合考慮，期間進行“標準化”、“歐氏距離”等計算，形成狀態(tài)監(jiān)控曲線圖。

故障預測：故障預測能力是PHM系統(tǒng)的顯著特征之一。該部件由兩部分組成，可綜合利用前述各部分的數(shù)據(jù)信息，評估和預測被監(jiān)測系統(tǒng)未來健康狀態(tài)，并作出判斷、建議、決策采取相應(yīng)措施。

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(tài)監(jiān)測模塊的警告信息顯示以及健康評估、預測和決策支持模塊的數(shù)據(jù)信息的表示等。機-機接口使得上述各模塊之間以及PHM系統(tǒng)同其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息可以進行傳遞交換。需要指出的是，上述體系結(jié)構(gòu)中的各部件之間并沒有明顯接線，存在著數(shù)據(jù)信息的交叉反饋。

健康評估：根據(jù)專家建議，使用不同的規(guī)則參數(shù)。制定最合理的設(shè)備評估水平，以達到多級預警的目的。

PHM技術(shù)的應(yīng)用案例

PHM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域最早是預測飛機，現(xiàn)在是預測臺站的發(fā)射機。而模型成為了“老中醫(yī)”，無時無刻不在為發(fā)射機的“身體”技能進行診斷。實際上，百分點在廣電運營商已經(jīng)有了PHM技術(shù)的應(yīng)用嘗試，而面臨的挑戰(zhàn)也多種多樣。

挑戰(zhàn)一：設(shè)備異常診斷完全憑經(jīng)驗

過去，往往只有最資深的維修員，才可以評估發(fā)射機某一時刻的狀態(tài)是否正常。而在非正常情況下，情況很糟糕，每一個維修員的定義也不相同。假設(shè)每個維修員心中對每個表值運行和發(fā)射機整體運行有4把尺（這里針對非正常情況），分別是“沒問題”、“有一點問題”、“不太好”、“很糟糕”。而每個發(fā)射機表值含義不同，所以發(fā)射機整體狀況的表達也會不同。

挑戰(zhàn)二：設(shè)備歷史數(shù)據(jù)沒有很好利用，難以追回以往異常數(shù)據(jù)

當故障發(fā)生后，很難追溯發(fā)射機真正故障原因。因為光看故障發(fā)生前1分鐘數(shù)據(jù)是很不充分的，真正導致故障原因的波動異常很有可能發(fā)生在以往1小時、4小時甚至1天以前。而實際操作中也不可能拿著海量數(shù)據(jù)逐條數(shù)據(jù)往回追查，因為包含的正常數(shù)據(jù)肯定要比異常數(shù)據(jù)多，所以導致了故障原因難以判斷。

挑戰(zhàn)三：定位異常報警原因困難

發(fā)射機的故障為發(fā)射機某一個或多個部件異常導致，而部件異常很有可能會在表值中有所體現(xiàn)?？删S修員不可能一天坐在發(fā)射機前，時時刻刻檢查發(fā)射機各個表值運行情況是否正常。表值瞬間異常很有可能為正常情況，但周期性瞬間異常就很有可能是真正的異常狀態(tài)。而這種周期性瞬間，是人工無法捕捉的。

挑戰(zhàn)四：無法預測性維護檢修，難以進行下一步操作

發(fā)射機狀態(tài)進行評估后，維修人員難以判斷發(fā)射機未來多久會損壞。對提前量把控不足，工作安排難以評定優(yōu)先級。較難安排維修周期及維修人員。

挑戰(zhàn)五：備品備件庫存亟需優(yōu)化，不能保證所有部件都有庫存

因發(fā)射機部件昂貴，而每個臺站因經(jīng)費有限，不能保證所有部件都有庫存。假如故障部件沒有庫存，將面臨很尷尬的問題。從解決問題的角度出發(fā)，百分點提出了行之有效的建設(shè)方案。

健康度管理：通過對發(fā)射機運行秒數(shù)據(jù)進行相似度算法，將15個表值數(shù)據(jù)整合為“健康度曲線”這樣的1維數(shù)據(jù)來展現(xiàn)，且利用可視化技術(shù)將曲線展現(xiàn)。針對一個維度數(shù)據(jù)的評估，使發(fā)射機更容易評估，且新入職維修員也會更容易入手。

多級預警：將預警等級分為3級，分別為“發(fā)射機中度預警“、”發(fā)射機重度預警”、“發(fā)射機故障預警”。以健康度為基礎(chǔ)，三種預警以兩種規(guī)則來進行定義，分別是“次數(shù)”和“相隔時間”，并以此來檢測持續(xù)異常報警和周期性瞬間預警。

異常定位：每次預警時間將伴有預警起始時間，以及預警周期。點擊監(jiān)控，可查詢發(fā)射機實時運行情況。當鼠標點擊詳情或監(jiān)控后，會顯示預警期內(nèi)表值的詳細運行情況，按照設(shè)定線和計算線清晰定位異常參數(shù)。

歷史追溯：所有等級預警都會在后臺保存15天以方便查詢。

PHM的藍海

劉譯璟提及，PHM首先是一個概念，是一整套的理論以及方法。通過實時監(jiān)測和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，PHM系統(tǒng)可提前預測飛機故障信息并采取相應(yīng)措施，實時傳輸信息避免飛機“失聯(lián)”，減少飛機延誤和維修停場時間等。2015年10月，我國航天測控公司PHM研制團隊自主研制的故障預測與健康管理系統(tǒng)（PHM），將在C919國產(chǎn)大飛機上進行安裝。PHM的正式應(yīng)用，意味著我國打破了波音、空客等國際航空制造巨頭AHM、AIRMAN等產(chǎn)品的壟斷，填補了我國航空業(yè)的空白。

針對PHM技術(shù)未來是否能順利走向民用，劉譯璟分享了自己的見解：“鑒于設(shè)備損壞以后的代價要比直接使用PHM技術(shù)付出的成本多得多，民用領(lǐng)域會優(yōu)先考慮采用PHM。生命憂關(guān)的領(lǐng)域，會優(yōu)先采用這項技術(shù)。但PHM技術(shù)直接應(yīng)用到日常生活中，還有一段距離，我們可能不太會使用這項技術(shù)去預測一個消費電子類產(chǎn)品，因為做這件事帶來的意義太小了。但至少從安全角度來說，可以當做一項政治任務(wù)。”

目前我國對于PHM技術(shù)的開發(fā)與利用還處于初級階段。

PHM技術(shù)成本比較高，無論是傳感器的布點，數(shù)據(jù)及時傳輸，后端數(shù)據(jù)的建模成本都較高。但包括高鐵動車、運營商、電力在內(nèi)的領(lǐng)域，都愿意做一些嘗試。