PHM 知识管理与信息处理系统开发与应用

李 瑶，吴国新，尚 彤，徐小力

（北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

0 引言

为了实施“中国制造2025”和落实《国家发展战略行动计划》（2014—2020 年）发展规划，对加快制造业装备的科学维护提出了迫切需求。开展“世界城市循环经济体系产业协同创新中心建设——整体科技创新能力提升计划”项目研究，通过面向循环经济的设备故障预测与健康管理技术研究，构建循环经济体系中的安全保障体系，有利于经济可持续发展及发展绿色经济。

20 世纪90 年代中期，PHM（Prognostics Health Management，故障预测及健康管理）技术应运而生，其机理是通过零部件、设备或者生产系统当前的状态预测未来的健康状态，判断是否失效或何时失效并采取相应的措施。针对PHM 不适用于所有对象的特点，开展设备故障预测与健康管理研发平台的建设。

1 PHM 技术概述

PHM 技术是指采用传感器信息、专家知识及维修保障信息，借助各种智能算法与推理模型实现设备运行状态的监测、预测、判别以及管理，实现低虚警率的故障检测与隔离，并最终实现智能任务规划及基于设备状态的智能维护，以取代传统的基于事件的事后维修或基于事件的定期维修[1]。

PHM 技术是实现高端机械装备安全保障的必要研究方向。不同于以往基于使用计划的维护方式（例如不论是否有必要，都按照固定时间间隔执行维护），PHM 是根据具体需求在故障发生前对设备进行维护，从而对后续操作形成指导依据[2]。如图1所示，PHM 技术主要经过被动维护、预防性维护、基于状态的维护、故障预测及健康管理的发展过程[3]。

图1 PHM 技术发展过程

近年来，随着监测技术和工业物联网技术的快速发展，PHM 的内涵也愈发丰富，涵盖了广泛的工艺过程、设备状态监测技术及系统、影响性能的因素、影响设备关键性的要素（如机器停工期成本、更换成本）、不同机器类型的相关状态监测参数（如温度、压力和振动）、故障和失效关联的可能性、过程质量控制、生产活动规划与优化等内容。PHM 还通过数据采集、状态评估、趋势预测和使用监测集成的维护操作，支持系统和设备高度互联的智能制造。

在技术维度上，PHM 广泛使用各种新技术，如智能传感、机器学习、线性规划、图像识别等；在应用领域的宽度上，PHM 也从航空航天领域扩展到智慧能源、连续制造、机加工、半导体与电子制造、智慧交通、海洋装备等领域[4]。PHM 具有极广泛的意义与价值。如图2 所示，在预防管理上，PHM 可以增加安全性与可靠性，并减少间接的危险。在维护管理上，PHM 可以减少日常维护费用，并减少不必要的维护。PHM 的意义远不止于此，PHM的意义随着用户的需求变化而变化，将PHM 应用在维护领域，将带来巨大的效益[5]。

图2 PHM 的意义与价值

2 系统架构设计

2.1 设计背景

目前，我国正处在建设世界城市循环经济体系的阶段，对安全保障水平的要求愈来愈高，远程监控与智能诊断、物联网与云计算等相关现代技术不断出现。要实现高效的高端机械装备安全保障，其核心环节是通过装备安全保障体系（状态获取、信息集成、信号处理、信息传输、安全监测、网络与信息管理等），实现远程在线实时的装备运行状态监控、故障诊断和故障预警、安全服役性能分析与评价等[6]。构建一个知识数据管理平台——PHM 研发平台知识管理与信息化处理系统，将与PHM 相关的学术期刊、学位论文、标准、专利、科技成果、政策法规等信息资源管理起来，并将采集的数据进行自动归集，供学校师生使用。

2.2 系统架构

本知识管理平台覆盖学术期刊、论文、会议、专利等文献类型。不仅支持对知识实现一框式检索，而且支持高级、多条件检索。知识管理平台将全面服务于教师、学生、校外专家及校外科研人员。

以全流程无纸化办理为原则，涵盖成果提交、委托、存取、授权等流程。构建以科研人员为中心的“知识获取+知识管理+成果产出”式管理体系，系统页面布局合理，栏目功能定位清晰，操作简单便捷。该系统基于浏览器的B/S 架构，开发工具为Microsoft Visual Studio 2010，客户端展现交互界面，服务器负责数据的处理、存储和展现，数据库采用SQL SERVER。该系统的数据从PC 客户端录入，通过网络发送到服务器并保存。

3 系统主要功能

3.1 总体描述

PHM 系统主要包括PHM 研发平台知识管理与信息化处理前台和现代测控技术管理后台。系统各部分所包括的功能模块及各模块之间的关系如图3 所示。

图3 PHM 系统模块

3.2 前台功能模块及成果展示

PHM 研发平台知识管理与信息化处理前台主要包括知识管理&专题、研究人员、知识学习、知识下载、知识新得等5 个主要模块。该系统支持多种检索方式进行搜索成果，并支持成果浏览。检索方式支持一框式检索，可根据标题、作者、来源、关键词、摘要检索知识成果。检索方式也支持高级检索，多种查询条件组合查询。本校收集的PHM 技术成果，根据权限可以进行浏览并下载；其他文献则可以查询文献基本内容。

（1）PHM 研发平台知识管理与信息化处理系统首页如图4所示。

图4 系统首页

（2）知识管理&专题模块主要展示了实验室保存上传的关于故障诊断的一些文献资料，用户可按照文献类型、语种、重要成果进行分类搜索，根据个人需要浏览下载，如图5 所示。

图5 知识管理&专题

（3）知识学习模块主要包括当前故障诊断的最新前沿技术资料以及实验室主要项目资料，如图6 所示。

图6 知识学习

（4）知识下载模块主要包括控制诊断检测系统、咨询报告、图像处理、测厚仪资料等可供下载的资源，如图7 所示。

图7 知识下载

（5）研究人员模块主要包括实验室研究人员、教师的基本信息、研究方向等成果展示。知识新得模块可供用户针对该系统或者是相关知识问题进行留言，如图8 所示。

图8 知识新得留言

4 结语

PHM 技术发展的根本目的要求PHM 信息集成使用。PHM研发平台知识管理与信息化处理系统以实现PHM——故障预测与健康管理为主要服务目标，充分发挥保障信息系统的优势，为装备健康管理提供依据，增强保障工作的时效性和针对性。该系统已通过验收并上线使用，系统各功能运行稳定且界面友好、操作简便，各模块功能完善，达到了实验室科研原始数据信息汇总及师生浏览查询的理想效果。通过当前故障诊断前沿技术的引入，满足了师生学习的需求。

随着故障诊断领域以及互联网技术的快速发展，人们对故障诊断与互联网技术结合的要求也越来越高，构建一个知识数据管理平台——PHM 研发平台知识管理与信息化处理系统确是迫切需要的，通过平台将当前故障诊断的前沿资料收集整合集中展现，并提供多途径知识管理与信息化处理方式，为开展本领域科研工作提供信息化管理，可提高工作效率且具有示范需求的重要意义。