人工智能和数据挖掘在人机工程PHM中的应用

姜喜民

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266000）

人工智能和数据挖掘技术都是基于现代社会科学技术水平不断提高的基础上发展起来的，这种技术的出现和大规模应用不仅极大地改变了人们的生活方式，还为各个行业和领域的生产经营效率的提高提供了更加科学的依据。人机工程是我国现代社会发展过程中比较重要的一个行业，将人工智能和数据挖掘技术应用到人机工程的PHM当中，对促进人机工程的发展具有重要的作用。

1 人工智能和数据挖掘技术

1.1 人工智能

智能化是工业社会发展到一定阶段的必然趋势，对于社会的发展阶段来说，智能化的诞生和应用标志着人类社会已经逐渐步入到现代化的社会发展阶段。智能化技术的应用虽然能够在一定程度上代替人工的劳动，但由于智能化技术本身是由人工创造并应用的，因而智能化技术也被称为人工智能。人工智能在应用的过程中需要借助计算机技术和网络信息技术来实现对各种机械化设备的操作和应用[1]。而在人工智能实行操作指令的过程中，各种结构和形式的数据信息是其能够执行指令的最主要原因。在现代社会的发展过程中，人工智能越来越拥有广泛的应用，在越来越追求工作效率和质量的社会发展过程中，人工智能有着很好的发展前景。

1.2 数据挖掘

数据挖掘是现阶段各个行业和领域在研发生产技术以及各种专业的知识体系和规律过程中比较常用的一种技术[2]。这种技术在实际的应用过程中也主要是依据互联网技术和网络信息技术来实现的，它能够从计算机中含有的大量而毫无章法的数据中分析和提取出能够用于各个行业和领域发展的数据信息，并将其以规则、概念、规律等形式呈现在研究人员面前。从一定意义上来说，人工智能与数据挖掘之间有着紧密的联系，在网络信息技术不断发展的过程中，人工智能与数据挖掘也会朝着不断相互融合的方向发展。而随着社会生产要素种类的不断增多，现阶段数据挖掘技术在被应用到各个行业和领域中时，会根据应用的范围和情况不同应用不同种类的数据挖掘工具，即特定领域的数据挖掘工具和通用的数据挖掘工具。

1.3 发展人工智能和数据挖掘技术的意义

智能化技术的出现和应用不仅能够改变人们的生活方式，还能够推动社会在不断的发展过程中产生巨大的变革。现代化和高科技一直是社会发展的主要目标，这种目标的实现不仅标志着人类社会步入了一个新的时代，还能够对现代社会的各个行业和领域起到促进的作用[3]。致力于人工智能技术的研发和应用，不仅能够提高我国在国际市场上的经济实力，还能够对人类的科研事业提供更加先进的借鉴经验。而数据挖掘技术作为很多高科技技术研发和应用的基础，在未来的社会发展过程中不仅能够提高研发工作的效率和质量，还能够使得数据库在各个行业和领域的发展过程中发挥更大的作用。

2 人机工程PHM

2.1 PHM系统

PHM也被称为故障预测与健康管理，早期被发明出来时主要应用于航空发动机领域，这种技术在实际的应用过程中不仅能够对飞机的实时运行状态进行监控，还能够通过对飞机在实际飞行过程中的各部分运行参数的分析来对其进行健康管理和故障检测。这种作用在航空发动机的检测过程中产生良好的效果之后，被逐渐应用到各种机械设备的故障检测和维修过程中[4]。这种技术在实际的应用过程中不仅能够通过数据信息的运行来实现自主诊断和预测，还能够对整个设备的运行状态进行监控，因而在现代社会的发展过程中逐渐有着越来越广泛的应用。

2.2 PHM系统的开发难点

PHM系统能够应用的主要条件就是拥有海量的数据库信息和对机械设备健康状况的运行判断能力，而数据库和这种健康判断能力都主要是依据PHM系统中的预测和健康模型来完成的[5]。现阶段我国在PHM系统的研发和应用过程中仍缺少相关的经验借鉴，对于PHM的研发仍处于初期的发展阶段。作为最早应用PHM的航空领域也无法自主研发PHM系统。这就导致PHM在我国的发展过程中存在较大的困难和阻碍。PHM系统本身在航空领域能够发挥重要的作用，而我国航空航天领域的发展需求使得对PHM系统的研发和制造任务比较重要。

2.3 故障预诊断与健康管理

在现代社会的发展过程中，PHM系统作为一种设备故障的检测手段，能够在企业的发展过程中发挥重要的作用。故障预判断以及健康管理是PHM系统在实际的应用过程中最为主要的两个基本功能[6]。故障预诊断主要是指在企业的正常生产经营过程中通过应用PHM系统能够对正处于运行状态的设备进行实时的监控和诊断，以便及时发现一些运行参数出现异常的设备，进而保证企业的正常生产经营过程，减少因设备故障而造成的企业经济效益的损失。

健康管理则主要是指将企业运行的各种设备运行状态的好坏纳入到企业的日常工作内容范围当中，在保证各种设备正常运行的同时，能够通过对设备的日常养护和维修来保证设备的正常运行，进而保证企业正常的生产秩序的一项管理工作。设备的健康管理是要以设备运行的数据为基础的，在现代社会的发展过程中，各种机械设备的更新换代以及设备数据信息的增加使得企业必须重视健康管理对保证企业机械设备正常运行的作用。

2.4 人机工程中的PHM系统

人机工程普遍存在于现代社会发展过程中的各个行业和领域，这种工程的知识体系主要是通过研究人体在使用机械设备的过程中身体各项机能的变化来对机械设备的技术进行调整，让机械设备的使用能够符合人体工学的相关知识和运动规律。在人机工程中应用PHM系统，不仅能够及时发现机械设备在运行过程中出现的异常情况，还能够对保障使用机械设备的工作人员的生命安全起到一定的作用。而在人机工程的研究过程中，PHM系统的研发不仅需要考虑到人机工程学的相关原理，还要做好数据信息的分析和处理工作。

3 人工智能和数据挖掘在人机工程PHM中应用的具体分析

PHM系统在实际的应用过程中不仅能够体现一定的自主性，还需要借助海量的数据库才能够完成相关的工作。而这两点性质也使得其能够借助人工智能和数据挖掘技术的应用来提高自身的技术水平。而对于人机工程中的PHM系统来说，应用人工智能和数据挖掘技术不仅符合其自身的发展趋势，还能够为各种应用人机工程的行业和领域的发展提供支持。在对人工智能和数据挖掘技术在人机工程PHM中的应用进行分析时，主要可以从以下几个方面来着手：

3.1 基于人工智能和数据挖掘技术的PHM平台

PHM平台是现阶段企业应用PHM系统的主要呈现形式，在将人工智能和数据挖掘技术应用到企业的PHM系统中时，通过PHM平台的建立不仅能够为企业提供更加精准的信息决策的依据，还能够大大提高企业决策和工作开展的效率，在提高企业工作效率的同时让企业能够获得更大的经济效益，进而通过企业的发展来促进整个社会的发展。

3.1.1 PHM平台的主要功能架构

现代企业在应用PHM系统的过程中逐渐形成了一种比较科学的PHM平台架构，这种架构在实际的应用过程中借助人工智能和数据挖掘技术的信息处理和分析手段将整个数据信息处理的过程分为源数据层、数据储存层、算法逻辑层以及应用层四个主要的层级。在应用PHM系统的过程中，这些不同的层级能够严格按照一定的顺序来对企业生产经营过程中的各种机械设备运行的健康状态进行检测，并实现数据管理、统计分析、状态诊断、维修专家库等功能。

数据管理的功能主要是指企业在应用PHM系统的过程中能够通过对各种机械设备运行的数据信息自动按照不同的类别和性质划分为不同的信息类别进行管理，用以保证企业运行过程中各项数据的井然有序。而在应用PHM平台来实现数据管理的功能时，数据检索模块的应用是能够有效实现及时调取工作人员所需的设备和管理信息的重要模块。

统计分析的功能是基于数据管理功能基础上的，通过对收集和获取到的各种数据进行划分和管理，将杂乱无章的数据按照不同的标准和角度进行统计，并通过特定的输入口令来使其能够对统计的数据进行更加科学的分析。这样不仅能够大大提高统计分析工作的准确性，还能够对提高企业的工作效率起到一定的促进作用。

状态诊断的功能是PHM系统在企业中应用的最主要功能，这种功能的实现原理主要是通过与数据库内各种设备在正常运行过程中的参数与其在实际运行过程中的参数变化进行对比，对发现异常情况的部分能够及时预警并自主判断是否需要立即停止设备的运行。在企业的实际生产过程中，这种功能在保障企业正常生产方面发挥着重要的作用。

维修专家库的功能也在PHM系统的应用过程中占据着重要的地位。现阶段对各种出现故障的机械设备进行维修时主要都是依据以往维修同类型设备的经验爱完成的。而随着现代社会科学技术的不断发展，各种机械设备的更新换代速度比较快，维修专家库的建立和应用不仅能够为企业各种机械设备维修工作的开展提供更加科学的依据，还能够有效减少因设备故障而造成的企业损失。

3.1.2 人机工程中PHM系统的主要实现内容

在将人工智能和数据挖掘技术应用到人机工程的PHM系统中时，其主要能够实现以下几个方面的具体内容：

（1）设备的检修和管理是应用PHM系统实现的最主要内容。现阶段应用于我国人机工程中的PHM系统在开展设备的检修和管理工作时，状态检修作为设备检修过程中的一个重要阶段，在实际的应用过程中不仅要对各种机械设备的历史检修信息以及各种数据进行了解和掌握，还要借助人工智能和数据挖掘技术来实现对机械设备在整个运行过程中的状态进行实时监控。而在这个设备检修和管理的过程中，企业不仅能够及时发现设备在运行过程中存在的问题，还能够发现和总结出设备运行和检修的规律，进而为日后的检修工作提供更科学合理的经验。

（2）故障的诊断和分析也是PHM系统在人机工程中应用时能够实现的主要内容之一。企业的各种机械设备在实际的应用过程中会因为各种各样的原因而导致运行故障，一些故障是机械设备在运行过程中普遍存在的，因而能够依据以往的经验进行提前预防，而一些故障的发生原因是无法提前进行判断和预防的。在这种情况下就需要对机械设备进行实时的检测才能够及时发现设备的运行故障。而在应用人工智能和数据挖掘技术的过程中，PHM系统能够借助数据挖掘来建立对于设备故障的诊断分析模型，这一模型的应用对不断更新变化的设备环境具有很好的适应性。

（3）设备的性能检测与设备的故障诊断和维修存在着一定的区别，对于企业用于生产经营活动的设备来说，一些设备在经常使用的过程中经常会因为大量的污垢堆积或其他原因而影响其使用性能，而这些因素的产生与设备本身的故障之间并不存在实质性的联系。在对设备的性能进行检测的过程中，PHM系统通过借助人工智能和数据挖掘技术来对设备的运行数据信息进行收集和对比分析。这样不仅能够及时发现影响设备运行性能的因素，还能够通过不同的数据挖掘方法的应用来完善机械设备的使用性能，进而保证企业生产经营活动的正常运行。

（4）设备维修方式的智能化主要是针对人工智能技术在PHM系统中的应用而言的。智能化技术的应用从一定意义上来说也就是在数据信息分析完成之后能够自主对这些数据信息的分析结果进行判断，并为其提供最佳的维修和管理方案。而在这个过程中，设备维修和管理的及时性和准确性都能够得到保证。

PHM系统在企业中的应用从实质上来说都能够符合人机工程中的相关专业知识和规律。这主要是因为企业生产过程的机械设备的服务对象是各种商品，而操作对象则是企业的工作人员。现阶段我国的企业在实际的发展过程中还不能够完全实现智能化的PHM系统的应用，因而将人工智能和数据挖掘技术应用到人机工程学的PHM系统中仍需要一个较长的发展阶段。

3.2 小波神经网络与模糊神经网络的训练学习以及安全评价过程

因为PHM系统本身在诞生之初就主要应用于航空航天领域，在对人工智能和数据挖掘技术在人机工程PHM中的应用进行分析时，也主要可以从这一行业入手。飞机的研发和制造本身就是以符合人体工学的相关理论为基础来进行设计的，无论是机电仪表还是电子显示器的应用，都是能够方便驾驶员对飞机进行操作而研发的。然而即使飞机在不断的研发过程中已经为驾驶员提供了很多更加便利的驾驶飞机的条件，但仍存在着一些例如驾驶员脑力负荷以及认知注意力都会对飞机的正常飞行状态产生影响。在这种情况下，人工智能和数据挖掘技术在人机工程PHM中的应用研究就能够通过建立模型来有效解决这些问题。

现阶段，在将人工智能与数据挖掘技术应用到人机工程PHM中时，主要以小波神经网络和模糊神经网络两种神经网络来呈现。

3.2.1 小波神经网络

小波神经网络主要是以小波母函数为基础的人工智能和数据挖掘算法来实现神经网络的构建的。小波神经网络主要存在于人工神经网络输入层、隐含层以及输出层三个主要部分中的隐含层。在应用小波神经网络来对企业生产经营活动中的设备进行检测和管理的过程中，首先需要将涉及到企业生产经营活动以及各种管理工作的数据信息进行收集和汇总，然后依据小波神经网络的结构将各种数据信息以神经元的形式呈现在人工神经网络的输入层、隐含层以及输出层中。而在对小波神经网络进行训练的过程中，不仅要注意各个计算步骤的准确性，还要注意误差对计算结果的影响。应用人工智能和数据挖掘技术中的小波神经网络的算法来对人机工程PHM进行分析和处理数据不仅能够有效提升人机工程的效率和精准度，还能够有效解决在人机工程的研发过程中存在的各种无法确定的问题。

3.2.2 模糊神经网络

模糊神经网络也是人工智能和数据挖掘技术在人机工程PHM中应用的一种具体的算法，这种算法主要是以模糊集和隶属函数为基础来实现神经网络的构建的。模糊神经网络以模糊联想网络为主，在企业的生产经营过程中应用这种模糊神经网络的算法，主要能够解决因企业在生产过程中涉及到的各种无法得到确切的数据信息的计算。而在应用这种模糊神经网络的过程中，模糊集和以模糊集为基础的相关计算步骤是能够保证模糊神经网络算法科学准确性的主要依据。

小波神经网络和模糊神经网络是两种截然不同的算法，但在应用的过程中都能够为人机工程的PHM提供更加准确的数据信息和范围。

4 结论

综上所述，将人工智能和数据挖掘技术应用到人机工程的PHM中对保证人机工程的质量具有重要的作用。在对人工智能和数据挖掘技术在人机工程PHM中的具体应用进行分析之后可以得知，要想提高人机工程的建设效率，就要让人机工程的建设与时代的发展趋势相结合，这样才能够让人机工程的建设能够与时俱进，在促进社会的发展过程中发挥更大的作用。