PHM与保障信息系统信息集成使用方法

张珍文

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）

0 前言

PHM技术是一种先进的智能化信息技术，在我国的军事、航空以及交通运输等领域都有广泛的应用。随着社会经济的发展、科学技术的进步，PHM技术水平也在不断提高。PHM系统对各行业中先进设备仪器的状态监控作用越来越明显，能够更好地满足各行业的发展需求。对PHM系统和保障信息系统集成使用方法进行分析和研究，能够为更好地维护各种设备的运行安全、促进各行业的快速发展提供更科学的依据。

1 PHM系统分析

1.1 PHM相关概述

随着科学技术的飞速发展，各种装备的集成度、智能化程度和复杂程度也在不断提高，传统的装备故障诊断、处理和维修保障技术已经难以满足当前装备的新需求。为了更好地满足各种装备对安全、稳定性能的要求，PHM技术逐渐被应用到各行业中。现阶段PHM技术多用在军事装备的故障维护和检修中，能够更好地满足信息化战争中对武器装备快捷、高效以及精准的需求。PHM就是指利用传感器采集系统的数据信息，充分借助信息技术、人工智能技术以及大数据处理技术等先进的技术手段来实现对武器设备的全面监控和管理，利用计算机系统对监控收集到的数据进行相应的分析处理，对武器装备系统的健康状态进行评估。PHM技术在武器装备中的应用能够及时发现故障问题，在设备故障发生前对其进行精准预测，并且结合当前各种先进的信息技术手段和设备资源等对其采取一系列的维护和保障措施。综上所述，PHM技术是一项集故障检测、隔离健康预测、评估、维护管理以及决策等为一体的全面的综合性技术。

1.2 PHM体系结构

PHM系统体系结构如图1所示，主要由信号处理、故障诊断、故障预测以及系统维护4个部分组成。信号处理需要借助传感器来实现，由传感器对信息进行采集，从而能够准确地获取信息。信号处理主要包括2个方面：1） 对信息进行预处理，确保检测到的信息的有效性。2） 通过提取特征来获取系统需要的信息，保证信息的有效性。当系统发生故障时，通过FMECA可以获取故障库，从而可以有效地对故障进行预测，进而保证故障分析的质量，使系统保持良好的运行状态。另外，在系统的维护工作中要制定维护任务，使维护计划能够定期执行，进而防止PHM系统发生故障。以电机检测为例，对电机处在运行状态中的转速、功率等进行实时检测，能够对故障进行实时诊断，通过确定相应的维护方案，在有效地分析之后使故障问题得到解决。

图1 PHM系统结构体系框架图

在PHM系统中，传感器数据采集系统作为最基础的信息数据采集系统，能够实现对被测系统各个环节层次的全面监控，在准确感应到被测系统装备相应的各种参数的变化之后，对检测到的信息参数进行转化。利用数据处理及特征提取系统对相关数据进行整理和分析，根据信息参数的实际数据情况进行诊断和预测，最后基于诊断和预测的结果进行健康评估和故障预测，得出被测系统的故障部位、时间以及使用寿命等，进而制定针对系统的全面维修保障建议，保证系统相关信息决策的准确性和科学性。在PHM技术方法体系的运行中，首先要进行的就是对被测系统的虚拟寿命的评估工作。一般情况下PHM系统失效模型的建立包括2种方式：首先是基于失效物理的方法建立失效模型，该失效模型是从被测系统的组成、变化以及系统间各环节部件的相关影响作用等方面对系统进行分析的。然而由于这种基于失效物理方法建立失效模型的方法需要非常完备的理论条件基础才能够实施，在当前的应用中很难实现，因此这种失效模型建立方法的准确度不够高。第二种失效模型的建立就是充分发挥大数据技术的作用，这种失效模型的建立方法具有良好的发展前景，能够有效保证失效模型的准确性。

PHM失效模型构建方法如图2所示，该模型主要围绕系统的健康状态和预诊状态来展开，为PHM系统的稳定运行提供了重要保障。失效模型主要组成如下：1） 数据监测与维护。利用传感器获取系统的运行状态，利用总线对系统进行控制，这样可以保证系统数据记录的准确性，为判断系统的健康提供更加科学、准确的依据。2） 利用失效先兆、预警监测对系统状态进行预诊，使系统能够保持健康的运行状态。这样不仅可以有效地防治系统的故障问题，还能够通过提前预测来减轻和消除系统运行过程中容易出现的失效问题。3） 虚拟寿命评估。要基于PoF对系统寿命损耗情况进行分析，使系统具有较高的寿命期望，进而防止PHM失效状态对系统的健康运行造成影响。以控制器检测为例，需要通过PHM技术对控制效果进行评估，使其能够稳定地运行，通过时效模型对其进行评估，使其处于良好的控制状态。

图2 PHM失效模型建立方法

1.3 PHM故障预测方法

目前，关于PHM故障预测方法并没有统一的应用标准，从我国对PHM系统的主要研究资料来看，故障预测方法主要分为模型故障预测法、数据驱动故障预测法和统计可靠性故障预测法[1]。PHM故障预测方法如图3所示，系统故障预测难度以金字塔结构的形式来呈现，共分为上、中、下3层，由下至上系统的预测准确性将逐渐增加，也会导致预测难度与成本的增加。故障预测下层为可靠性模型，需要基于经验手段进行预测，以系统历史运行数据作为预测依据，使故障能够被及时发现。在故障预测中层，需要基于模型来实现，根据模糊逻辑对故障模型进行估计，对故障特征的相关性进行分析，提高故障预测的准确性。在故障预测上层，需要基于物理模型来实现，根据失效机理对故障进行分析，避免系统的功能发生缺失，进而保证PHM系统能够稳定地运行。

图3 故障预测方法分类

1.4 PHM技术研究

PHM技术也被称为预测与健康管理技术，这种技术拥有能够更加便捷、高效地对装备和系统的运行状态进行预测和健康管理的优势，使其逐渐被应用到各种先进武器装备以及航空航天等领域。现阶段，PHM技术主要在我国的自主式后勤、降低装备和系统运行的全寿命周期费用等领域发挥重要的作用。然而，尽管现阶段PHM技术已经能够被广泛地应用，但各种高新技术的发展对PHM技术的应用也提出了更高的要求。在对PHM技术的未来技术研究方向进行分析时，主要可以从以下4个方面来开展。

1.4.1 传感器数据采集

传感器的数据采集功能是PHM技术在实际应用过程中最基础的一项功能。PHM技术在实际的应用过程中主要是对被测对象的振动、温度、光强以及电压等运行参数的变化进行检测和记录分析，再将这些物理量按照提前设定好的转换规则转换为电信号，进而更加明确地显示故障发生的位置和运行状态是否安全。在这个过程中，传感器种类的选取以及优化布局是能够对检测结果产生重要影响的部分，因此要加大对这些关键技术的研究和投入力度。

1.4.2 健康评估与故障预测

健康评估与故障预测是应用PHM技术最主要的目的，在实际应用PHM技术的过程中，该技术主要是通过借助失效模型以及更加智能化的推理算法来对装备和系统的运行状态进行评估。现阶段我国在应用PHM技术的过程中主要通过2种方式来建立失效模型，一种是以失效物理的相关原理为基础，通过装备或系统中各个部分之间的相互影响来建立模型，进而得出健康评估与故障预测的结果。另一种则主要是借助现代化的大数据技术对装备和系统进行建模，进而得出更加科学、合理的预测结果。与第一种建模方式相比，基于大数据技术的建模方式在未来社会的发展过程中拥有更大的发展空间。

1.4.3 PHM技术验证和评估方法的研究

PHM技术多应用于军事武器装备领域中，对其他领域不具有通用性，因此PHM技术仍然具有较大的限制性。PHM的验证技术在实际应用过程中的主要目的就是检验PHM技术的设计应用效果是否符合实际的要求和需要，因此能够及时地对各种装备和系统在运行过程中出现的健康和故障问题进行反馈和评估，进而提高维修装备和系统的效率。

1.4.4 标准化技术研究

PHM技术在实际的应用过程中主要是借助数据传感器来完成检测工作的，检测工作结果的准确性与PHM技术的应用价值有最直接的联系。要想保证PHM技术预测结果的准确性，最主要的就是要更加规范、标准地对PHM技术的应用流程进行管理。在具体应用过程中规范化的操作是非常重要的，PHM技术在发展应用过程中已经基本明确了其发展应用所需要的核心信息类型，它们在应用中与传统的故障诊断中的信息在类型上存在一定程度的重叠。如何界定并扩展现有的测试标准，是现阶段PHM技术研发相关部门及技术人员需要重点研究的问题[2]。

2 PHM与保障信息系统信息集成设计

2.1 体系结构设计

为了保证系统信息集成的水平，需要注重对系统结构的设计，提高PHM系统的监测能力，使系统故障能够被及时发现。在信息处理方面，需要采用集中式体系结构，使故障区域能够得到有效划分，提高对系统状态的管理效果。在体系结构设计方面，需要分成单体级、单车级以及系统级3个层面。对单体级设备来说，需要注重自身性能的设计，使故障区域能够得到有效地监测，层次信息能够得到严格地推理。对单车级设备来说，需要做好对内部性能的检测工作，对其内部健康状况进行评估，准确地采集运行数据，为设计完善过程提供依据[3]。对系统级设备来说，需要注重系统之间的联调，严格设计硬件接口，进而建立稳定的通信关系，使数据具有良好的传输效率，使PHM系统能够进行正确决策，对系统采用有效的维护策略，使系统健康决策支持得到保障。

2.2 功能结构设计

2.2.1 数据采集系统

故障识别、健康评估等都需要建立在数据的基础上，因此需要对数据采集系统进行设计，使系统信息得到有效地采集。PHM系统需要承担起数据采集功能，合理对定时器进行设计，使采集周期能够得到控制。以系统级设备为例，可以将数据采集频率设置为5 min，将其作为数据采集周期，对系统运行数据进行采集。数据采集需要由传感器来实现，以温度数据采集为例，可由TSC-6系列传感器对环境温度进行检测，测温范围为-5 ℃~60 ℃，测量精度为1%，进而实现对温度的准确采集。数据采集是故障分析的重要手段，可以为后续分析提供依据，因此需要对数据采集引起重视[4]。

2.2.2 数据处理系统

数据采集后需要对数据进行处理，处理过程主要分为2个方面：一方面，需要对数据的有效性进行分析，一旦数据不符合要求，则需要重新采集数据，确保数据采集结果的可靠性，使数据采集精度能够得到保障。另一方面，需要存储有效数据，通常情况下，数据被存储在数据库中。因此，需要对数据库进行设计，使系统运行数据存储更加规范。在数据库选择上，选择MS Access作为存储库，同时需要分类存储数据，便于对数据进行调用。实现数据存储后，便可以对数据进行分析，通过SQL语句从数据库中提取数据，在与标准库进行对比，进而对系统运行状态进行检测。

2.2.3 状态监测系统

在系统的运行过程中，需要对其状态进行实时监测，使系统故障能够及时得到解决，进而恢复到健康的运行状态。状态监测系统的核心在于标准库的建立，标准库越完善，系统故障被检测到的效率越高。标准库需要根据系统的性能来确定，对系统的正常工作状态进行判断，对其进行数据化处理，再经过汇总后形成标准库。标准库是运行状态分析的重要依据，将其与实际数据进行对比后，可以用来构建系统预警机制。当系统发生故障后，可以形成在线预警，由工作人员进行紧急处理，使故障得到迅速解决。以温度监测为例，某系统需要将温度控制在20 ℃~26 ℃，假设实际监测到的温度为T，如果T∈[20，26]，则系统将会产生报警，提醒温度不符合标准。其中，“[20，26]”将会作为标准存储在标准库中，T为系统实时监测的状态量，这样便构成了完整的检测机制。

2.2.4 健康评分系统

健康评分是PHM系统的重要功能，需要合理地构建评分机制，使系统性能能够得到量化评估。健康评分系统核心在于评分机制的构建，构建规则如下：1） 单独功能评分[5]。评分范围为0~100，系统最佳工作状态评分定为100，故障状态评分为0，对系统性能损失率r（%）进行核算，那么单项功能评分为100×（1-r）。2） 整体功能评分。不同功能对系统的影响是不同的，不能采用求平均值的方式进行整体评分，而是采用加权方式进行评分，对不同功能对系统性能的影响权重进行分配，整体功能评分如公式（1）所示。

式中：ri为性能损失率；pi为功能影响权重。

将上述算法作为程序写入系统中，便可以较为精准地对系统的健康状态进行评分。

2.2.5 故障预测系统

PHM系统需要具有故障预测的功能，能够对故障位置进行准确判断，并且给出对应的解决方法。故障预测功能设计如下：一方面，需要使数据采集点与数据形成对应关系，通过设备编号对其进行标识，这样在检测出故障后，可以快速对故障位置进行确定。另一方面，需要构建设备故障与解决方法的对应关系，这样便可以根据故障找到对应的解决方法，提高设备故障的解决效率，进而实现系统故障预测功能。

3 PHM与保障信息系统信息集成使用研究

在装备中安装好PHM系统之后，通过PHM系统采集正常运行过程中装备的各种状态信息，并在经过PHM系统的自行分类和处理之后，借助空地数据链等方式将这些数据信息传递给地面的PHM系统。地面的PHM系统再将这些数据信息按照一定的转换规则转换为电信号，进而向技术人员呈现出装备的实际运行信息，为技术人员判断装备的实际运行情况提供更加科学、有效的依据。在对装备系统进行全面检查的过程中，PHM系统能够通过实时监测装备内部各部件运行情况来确定装备故障的具体位置、故障发生时间、次数、原因以及严重程度等。PHM系统对装备的应用预测主要体现在装备的故障部件剩余使用寿命、装备内部其他部件的影响程度、故障整体的变化趋势和其他部件可能发生的故障情况等[6]。

4 结论

综上所述，各种先进科学设备的应用带动了我国经济的发展，促进了我国社会的进步。PHM系统与保障信息系统信息集成使用能够全面提升各类设备的安全性和稳定性，保证设备的正常运转。各行业应当重视对PHM系统与保障信息系统的应用，相关技术人员应当加大对PHM与保障信息系统的研究力度，不断提升自身的专业技能，对PHM与保障信息系统进行相应的优化和创新，全面地提升系统对故障检查的精度，使其能够更加适应各行业的发展，从而促进各行业更好的发展。