張 一

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071000）

1 自我維護(hù)與免疫工程簡(jiǎn)介

為了滿足技術(shù)環(huán)境對(duì)動(dòng)態(tài)性不斷增強(qiáng)的需求，現(xiàn)代工程系統(tǒng)和制造工藝已經(jīng)變得越來越復(fù)雜.與此同時(shí)，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性也成為了目前具有較強(qiáng)難度和較高度挑戰(zhàn)性的任務(wù).因此，自我維護(hù)與免疫工程應(yīng)運(yùn)而生.該技術(shù)的萌芽產(chǎn)生于一些研究者們主張可以把自我維護(hù)與免疫工程中的故障檢測(cè)與健康管理應(yīng)用于系統(tǒng)生命周期管理中[1].因?yàn)槊髦O(shè)備故障而進(jìn)行提前預(yù)防，其所耗費(fèi)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于事故發(fā)生后所產(chǎn)生的大量金錢和時(shí)間上的浪費(fèi)，具有提高產(chǎn)品質(zhì)量和業(yè)務(wù)整體可靠性和安全性等優(yōu)點(diǎn)，自我維護(hù)與免疫工程得到了學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)同和關(guān)注.

由于使用了傳感器、儀表、控制器及計(jì)算設(shè)備等儀器和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、匹配矩陣和隱馬爾科夫模型等智能算法，現(xiàn)代機(jī)器設(shè)備已經(jīng)具有了可以取代原有“失敗然后修復(fù)”的新模式：“預(yù)測(cè)然后避免”.顯然，這種新模式具有更高的穩(wěn)定性，也要求更多的技術(shù)進(jìn)行維持.目前，越來越多的工作轉(zhuǎn)向了自我維護(hù)與免疫工程.這種技術(shù)側(cè)重于以下三點(diǎn)：早期健康檢測(cè)、目前狀況評(píng)估和剩余使用時(shí)間預(yù)測(cè).

實(shí)際應(yīng)用中，自我維護(hù)與免疫工程的發(fā)展基于知名的維護(hù)方法和診斷技術(shù).現(xiàn)實(shí)常見的有：防護(hù)檢修、以可靠性為中心的檢修和狀態(tài)維護(hù).但是隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)上的要求，三者已經(jīng)很難單獨(dú)完成工程建設(shè)的所有要求，故而在實(shí)踐操作和科研研究中，又逐漸形成了自主計(jì)算、工程免疫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、彈性系統(tǒng)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)等技術(shù).各種方法技術(shù)及其之間的關(guān)系如表1所示.

表1 各種方法技術(shù)之間的關(guān)系

2 自我維護(hù)與免疫工程的基本概念和原理

任何一個(gè)自我維護(hù)與免疫工程系統(tǒng)都需要面對(duì)它們的“地基”：可靠性、穩(wěn)健性和彈性.

可靠性是任何工業(yè)關(guān)鍵性能的指標(biāo)，是一個(gè)系統(tǒng)在特定的時(shí)間特定的操作方式下無失誤地執(zhí)行其功能的系統(tǒng)概率.然而由于時(shí)間推移，曾經(jīng)具有極高可靠性的機(jī)器仍然會(huì)面臨磨損和可靠性降低的問題[2].故而，一種思想是通過強(qiáng)大的技術(shù)來設(shè)計(jì)一個(gè)可靠性的系統(tǒng)及如何來維持這樣的可靠性.

穩(wěn)健性是指設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)具有能夠達(dá)到預(yù)期效果的能力.如果系統(tǒng)被認(rèn)為是穩(wěn)健的，那么顯然系統(tǒng)的靈敏度也會(huì)相應(yīng)降低.靈敏度的降低從另一方面看也具有一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，即其能夠在一定故障中依然保持穩(wěn)定.如果一個(gè)系統(tǒng)被認(rèn)為是穩(wěn)健的，那么顯然它是可靠的[3]，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)和可靠為中心設(shè)計(jì)的目的都是為了能夠使產(chǎn)品在最大程度上不受到干擾.

彈性是指系統(tǒng)可以抵抗任何侵害的能力.一個(gè)系統(tǒng)如果被稱之為具有彈性，那么其代表著隨著時(shí)間的推移和自主運(yùn)算，一個(gè)出現(xiàn)故障的系統(tǒng)功能將逐漸恢復(fù)到一個(gè)平衡的狀態(tài)，即它可適應(yīng)極大的擾動(dòng)和變化[4].穩(wěn)健性和彈性在系統(tǒng)中是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的平衡體[5，6]：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)面臨未知風(fēng)險(xiǎn)是表現(xiàn)極為穩(wěn)健，研究者們通?？梢哉J(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)是具有彈性的.

然而，隨著通信技術(shù)前所未有的發(fā)展進(jìn)步以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使用量的增多，管理系統(tǒng)的控制復(fù)雜性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人力所能處理的范疇[7].為了試圖解決這類矛盾，IBM公司已于2001年宣布他們將使用自主計(jì)算方法來解決這一阻礙信息科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素.IBM公司這一技術(shù)旨在通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建一種能夠在一定程度上進(jìn)行自我計(jì)算的系統(tǒng)，并且使人工干預(yù)降到最低.這種思想極其類似于人類的神經(jīng)系統(tǒng)：并非通過人的意識(shí)而是通過其系統(tǒng)的非意識(shí)反應(yīng)來調(diào)節(jié)其身體的血流量和血糖值等水平[8].當(dāng)然，這種自主計(jì)算方法最重要的是需要一個(gè)能夠掌控全局的控制器.這個(gè)控制器能夠掌握整個(gè)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)和動(dòng)態(tài)，監(jiān)察每一個(gè)組件的變量是否超越顛覆界限，并在出現(xiàn)問題時(shí)引發(fā)系統(tǒng)自主計(jì)算指令以調(diào)節(jié)和平衡其內(nèi)部環(huán)境.

同樣，由于受到人體免疫功能的啟發(fā)，在信息領(lǐng)域中研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一種名為人工免疫系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其功能正如其名：保護(hù)系統(tǒng)免受外部攻擊和內(nèi)部故障之憂.人工免疫系統(tǒng)試圖復(fù)制生物免疫系統(tǒng)的一些功能，實(shí)現(xiàn)生物系統(tǒng)般的處理能力，例如特征提取、模式識(shí)別、學(xué)習(xí)記憶和函數(shù)優(yōu)化等[9，10].這種系統(tǒng)可以通過優(yōu)越的自適應(yīng)能力和大規(guī)模同時(shí)處理能力完成人們?cè)诠こ填I(lǐng)域的實(shí)際需要[11].然而，正如自然界的生物系統(tǒng)一樣，這種人工免疫系統(tǒng)由于其龐雜的組件和錯(cuò)綜復(fù)雜的組件關(guān)聯(lián)，在理論上達(dá)到實(shí)現(xiàn)也是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作.

還有，一些研究者向如何提高系統(tǒng)在故障情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行大量的研究，即容錯(cuò)控制系統(tǒng).容錯(cuò)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過在檢測(cè)故障的基礎(chǔ)上，在一定條件的故障下依然容納系統(tǒng)正常運(yùn)作而實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的穩(wěn)定性，展現(xiàn)良好的系統(tǒng)工作性能而受到研究者的認(rèn)可.近年來，高端工程系統(tǒng)對(duì)對(duì)故障檢測(cè)與診斷和適當(dāng)容錯(cuò)以實(shí)現(xiàn)可靠、可持續(xù)的生產(chǎn)流程的強(qiáng)烈需求刺激了科研界對(duì)于容錯(cuò)控制系統(tǒng)的普遍關(guān)注[12].一般而言，容錯(cuò)控制系統(tǒng)被分為有源容錯(cuò)控制系統(tǒng)和無源容錯(cuò)控制系統(tǒng)，由于有源容錯(cuò)控制系統(tǒng)在控制器上的靈活性和其在系統(tǒng)中表現(xiàn)出的更好的包容性，目前在研究領(lǐng)域和實(shí)踐中都以有源容錯(cuò)控制系統(tǒng)更為普遍.

3 自我免疫技術(shù)的基本構(gòu)造

自我修護(hù)是一個(gè)新的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)方法.一個(gè)自我修護(hù)的機(jī)器可以監(jiān)視和診斷其本身.如果產(chǎn)生了任何類型的故障，自我修護(hù)的系統(tǒng)也可以在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定.一個(gè)自我修護(hù)的設(shè)計(jì)并不屬于傳統(tǒng)的物理維護(hù)，而是一種名為功能維護(hù)的設(shè)計(jì).功能維護(hù)旨在恢復(fù)因部分組件退化而造成的系統(tǒng)故障，而物理維護(hù)只是通過修補(bǔ)故障組建，從而力求達(dá)到系統(tǒng)的初始化.如何實(shí)現(xiàn)自我修護(hù)目前主要依賴于添加一個(gè)足夠聰明的“大腦”，即額外的嵌入式推理系統(tǒng).

另一個(gè)達(dá)到自我修護(hù)目的的方法是將自主服務(wù)觸發(fā)功能添加到機(jī)器中.該機(jī)器將自我監(jiān)控、自我運(yùn)行，發(fā)生問題后自動(dòng)觸發(fā)請(qǐng)求詳細(xì)信息和明確維護(hù)要求的信息.而其具體的維護(hù)還是由專業(yè)的人工團(tuán)隊(duì)所完成的.雖然如此，由于其大大減少了人工團(tuán)隊(duì)的工作量，并且同時(shí)做到了個(gè)性化定制，在最大程度地降低營(yíng)運(yùn)成本的基礎(chǔ)上提高客戶的滿意度水平，因此這一方法在實(shí)踐中依然十分有市場(chǎng).

除了彈性系統(tǒng)和自我維護(hù)，目前研究人員普遍認(rèn)為，故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)將是下一代系統(tǒng)維護(hù)方法.類比于生物的免疫系統(tǒng)抵御入侵感染的病原體并將其識(shí)別和殺死，故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)也可以在不確定下解決高度復(fù)雜的機(jī)械維修問題.不同于前面所提到的系統(tǒng)維護(hù)方法，故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的最高目標(biāo)是最少的人的干預(yù).其理念在于，整合多種上述已經(jīng)成熟的系統(tǒng)維護(hù)手段，在多變的環(huán)境下保持穩(wěn)健和彈性，在動(dòng)態(tài)中學(xué)習(xí)并積極應(yīng)對(duì)“感染”.通過增強(qiáng)內(nèi)控和將“被感染”的經(jīng)驗(yàn)記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)之中，來提高其對(duì)于未來的預(yù)測(cè)功能.

故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)致力于應(yīng)用智能機(jī)器來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，具體而言，是開發(fā)一個(gè)集成預(yù)測(cè)與維修多種功能于一體的系統(tǒng)平臺(tái).為了得到這樣一個(gè)平臺(tái)，首先要開發(fā)關(guān)鍵子系統(tǒng)作為支撐平臺(tái).其次，還有升級(jí)現(xiàn)有預(yù)測(cè)系統(tǒng).同時(shí)，還要附加外部傳感器和控制器以檢測(cè)故障信息并生成報(bào)告.

故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)超越了狀態(tài)維修，成為了一個(gè)獨(dú)立的工程.預(yù)測(cè)未來狀態(tài)的系統(tǒng)將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的概念，比如工程免疫系統(tǒng).工程免疫系統(tǒng)試圖避免失敗和大擾動(dòng)而不是通過應(yīng)用傳統(tǒng)控制或恢復(fù)系統(tǒng)物理維護(hù)來進(jìn)行補(bǔ)償.雖然近年來隨著各方的不懈探索，自我維護(hù)和免疫工程系統(tǒng)已經(jīng)有了很多大的突破，但是對(duì)于其的追索還有很長(zhǎng)的路要走.

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