基于智能化产品的PHM系统

侯　涛，尚　冰，杨惠兰

（中车永济电机有限公司， 陕西　西安　710016）

引言

近年制造业由于其市场需求再生速度慢、总体产能过剩和竞争加剧等因素，导致制造业的价值增长点已经体现转移趋势，具体表现在以下几个方面：

1）价值从硬件向软件转变，产品已从单纯的物理组件向集成了处理器、传感器、软件和数字用户界面的复杂系统演变。

2）价值正在从产品向云转变，随着越来越多智能化产品在制造业的推广应用，智能器件的本事价值增量仍是有限的，将智能产品链接到云端，并依托大数据扩展新服务体，形成新的价值增量。

3）价值正在从产品向服务转变，市场推动力和竞争，减弱了以产品为核心战略的生命力，同时催生业务模式转变。产品与服务更多集成起来，制造企业希望利用服务在整个产品生命周期中实现新价值。

4）同时对产品的运用维保，检测检修等后期业务需求也不断的提升。原先的事后补救式修理，定期保养修理，无论是从生产组织，物料准备，还是还是减少故障损失，甚至检修方案的合理性这些方面都无法适应业务的需要。

针对以上价值转变，越来越多的高端制造企业构架建立基于PHM为核心的售后检修维保系统。将原先事后修理、定期预防性维护状态，提升为状态维修和预测性维护。图1为检修服务实现策略阶段图，可以看出随着时代的进步，对检修的要求不断提升，未来的产品的维保服务及检修服务必将是以预防性为主的综合服务。

图1　检修服务实现策略阶段图

1　PHM技术概述

目前大部分装备的维护多以定期检查、事后维修为主，不仅消耗大量的人力物力，而且效率低下。PHM（Prognosties and Health Management）预测与健康管理系统，是综合利用现代化信息技术、人工智能技术的最新研究成果而提出的一种全新的管理健康状态的解决方案。

PHM技术最早由美国军方提出，目前军事、航空航天等领域已经运用比较成熟。PHM技术的理念是从外部测试转为设备内部测试（BIT）及状态检测，带来了以下针对检修维保的实质性变革：

1）维修思想体系的转变，从事后维修到基于状态的维修，减少了设备在线运行过程中出现故障的概率。

2）从外部测试向内部自测转变，减少了外部设备、检测试验站等根据属地化检修需要的重复投入。

3）检修服务方面，由于信息的实时收集处理，可以帮助生产企业更加了解设备的健康状况；合理编制修程，合理安排备品备料，使计划更加合理。

2　主要功能构成

PHM功能上主要包含六部分组成：

1）数据采集，利用各种传感器探测、采集被检系统的相关参数信息，将收集数据进行有效信息装换以及信息传输。

2）信息归纳处理，接受来自传感器以及其它数据处理模块的信号和数据信息，将数据信息处理成后续部件可以处理的有效形式和格式。

3）状态检测，接受来自传感器、数据处理以及其它状态监测模块的数据。其功能主要是将这些数据同预定的失效判据等进行比较来检测系统当前的状态，并且可根据预定的各种参数指标极限值、阀值来提供故障报警能力。

4）健康评估，接受来自不同状态检测模块以及其它健康评估模块的数据。主要评估被检测系统的健康状态可以产生故障诊断记录并确定故障发生的可能性。故障诊断应基于各种健康状态历史数据、工作状态以及维修历史数据等。

5）故障预测决策，故障预测能力是PHM系统的显著特征之一。该部件由两部分组成，可综合利用前述个部分的数据信息，评估和预测被检测系统未来的健康状态，并做出判断，建议、决策采取相应的措施。该部件可以再被检测系统发生故障之前的事宜时机采取维修措施。

6）保障决策，主要包括人—机接口和机—机接口。人—机接口包括状态检测模块的警告信息显示及健康评估、预测和决策支持模块的数据信息的表示等；机—机接口使得上述各模块之间以及PHM系统同其它系统之间的数据信息可以进行船体交换。

3　基于智能化产品的解决方案

为实现上述功能，基于现在互联网技术，PHM技术必须依赖三层物理结构层来实现，如图2所示。详细的三层分析定义如下：为整合上述功能，基本用三层数据系统实现以上功能。

感知层，通过RFID智能标签、客户端条码扫描装置实现配置管理和记录追溯，在产品系统中通过智能传感器、智能仪表、以及基于图像识别的缺陷检测技术的多媒体设备等无线网络器件的集成，实现对工况的精准感知，产品运行关注数据的实时监控。

网络层，通过网络、定位系统等设备，实现运行地点和检测实时数据的传输。

信息处理层，对数据进行记录、比对、处理可通过与原始立项化的故障模型比对，和专家故障处理相结合的模式，实现对故障的处理和前期状态的记录，通过推理机的自我学习，实现对同类故障前期状态的汇总总结，在大数据的基础上实现故障预测和健康管理。

图2　基于物联网的PHM解决方案

PHM需要打造一个统一平台，构建数据中心，构建多层信息平台，通过分层建设，达到平台能力及应用的可成长、可扩充，创造面向未来信息维保框架。图3为某类产品的PHM数据流程示意图，可以看出通过多类型设备和传感器对信息源数据采集，再借助互联网平台将数据源源不断的收集到云数据平台；然后再通过智能服务器经过过去的数据统计、产品器件本身的特性结合目前器件的运行状态，最后又将信息反馈到服务终端、用户，实现科学的闭环管理和维修保养体系。

图3　PHM的数据流程示意

4　结语

基于智能化产品的PHM技术，目前已经作为高端设备运行检测、故障判断的解决方案和具体数据分析处理方案。本文希望通过对基于物联网技术或智能化产品构建的PHM系统为具体案例，与读者共同思考将产品不再作为单纯的功能实现，而是信息平台的终端，不断通过平台搭建、信息采集、数据挖掘，探索制造业由产品向产品及服务的价值转型之路。

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