程夢(mèng)瑤

人生病了，需要尋醫(yī)問診，如果我們的設(shè)備發(fā)生故障，該如何為它懸絲診脈呢？PHM技術(shù)跟以往的維護(hù)工作大相徑庭。提高設(shè)備整個(gè)的使用周期，降低成本，減少無故障的發(fā)現(xiàn)，這是整個(gè)PHM技術(shù)的價(jià)值。

PHM技術(shù)，即預(yù)測(cè)與健康（Prognostics and Health Management），是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)與人工智能技術(shù)的一種最新研究成果。這種全新的管理設(shè)備解決方案，以健康狀態(tài)出發(fā)從而提高裝備的運(yùn)行安全性、系統(tǒng)可靠性和維修性。

人生病了，需要尋醫(yī)問診，如果我們的設(shè)備發(fā)生了故障，該如何為它懸絲診脈呢？

PHM的前世今生

大數(shù)據(jù)技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)商百分點(diǎn)做出了一種假設(shè)，發(fā)射機(jī)嚴(yán)重故障比喻為人類的“死亡”，模型就成為了某廣電運(yùn)營商的專職“老中醫(yī)”，無時(shí)無刻為發(fā)射機(jī)的“身體機(jī)能”進(jìn)行診斷。雖然機(jī)器無法開口說話，但我們可以通過模型觀察發(fā)射機(jī)基本指標(biāo)是否運(yùn)行正常，判斷發(fā)射機(jī)是否患“病”，而這種“病”又是否會(huì)引發(fā)死亡。

據(jù)百分點(diǎn)技術(shù)副總裁劉譯璟透露：“最早PHM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用，最早的契機(jī)是美軍研發(fā)F35戰(zhàn)機(jī)。從F35艦載機(jī)的研發(fā)開始，整個(gè)設(shè)備故障減少50%，維護(hù)人員減少20%～40%，飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的架次增加25%。這幾項(xiàng)指標(biāo)非常重要，通俗地理解，原來有100架飛機(jī)，現(xiàn)在可以當(dāng)成125架飛機(jī)來用?！?/p>

PHM技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較早的是航天測(cè)控領(lǐng)域，1979年，我國已經(jīng)提出空軍的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于此，可以做一些這方面的維護(hù)工作，這時(shí)候還只是通過管理或者技術(shù)手段輔助提高整個(gè)設(shè)備正常的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

20世紀(jì)80年代，我國開始引進(jìn)數(shù)據(jù)智能化手段，提供整個(gè)設(shè)備的維修檢測(cè)。在“殲十”飛機(jī)的整個(gè)研制過程中，PHM技術(shù)也得到了應(yīng)用。

PHM技術(shù)跟以往的維護(hù)工作大相徑庭。提高設(shè)備整個(gè)的使用周期，降低成本，減少無故障的發(fā)現(xiàn)，這是整個(gè)PHM技術(shù)的價(jià)值。“它實(shí)現(xiàn)的價(jià)值或者收益已經(jīng)列出來了，它提供關(guān)于系統(tǒng)失效的高級(jí)告警，不止是現(xiàn)在可以采用，甚至是提供了一種綜合預(yù)測(cè)的結(jié)果?！眲⒆g璟介紹道。

PHM技術(shù)的六大技術(shù)模塊

劉譯璟指出，整個(gè)PHM技術(shù)，純粹的數(shù)據(jù)分析有六種模塊。

數(shù)據(jù)采集：利用各種傳感器探測(cè)、采集被檢系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，將收集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效信息轉(zhuǎn)換以及信息傳輸?shù)取?/p>

信息處理：根據(jù)行業(yè)專業(yè)知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充/限制，這里專業(yè)知識(shí)即為數(shù)據(jù)模型的約束條件，也為數(shù)據(jù)模型的因子條件。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)：接受來自傳感器、數(shù)據(jù)處理以及其它狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)模型將回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮，期間進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”、“歐氏距離”等計(jì)算，形成狀態(tài)監(jiān)控曲線圖。

故障預(yù)測(cè)：故障預(yù)測(cè)能力是PHM系統(tǒng)的顯著特征之一。該部件由兩部分組成，可綜合利用前述各部分的數(shù)據(jù)信息，評(píng)估和預(yù)測(cè)被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來健康狀態(tài)，并作出判斷、建議、決策采取相應(yīng)措施。

保障決策：主要包括人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口。人-機(jī)接口包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的警告信息顯示以及健康評(píng)估、預(yù)測(cè)和決策支持模塊的數(shù)據(jù)信息的表示等。機(jī)-機(jī)接口使得上述各模塊之間以及PHM系統(tǒng)同其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息可以進(jìn)行傳遞交換。需要指出的是，上述體系結(jié)構(gòu)中的各部件之間并沒有明顯接線，存在著數(shù)據(jù)信息的交叉反饋。

健康評(píng)估：根據(jù)專家建議，使用不同的規(guī)則參數(shù)。制定最合理的設(shè)備評(píng)估水平，以達(dá)到多級(jí)預(yù)警的目的。

PHM技術(shù)的應(yīng)用案例

PHM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域最早是預(yù)測(cè)飛機(jī)，現(xiàn)在是預(yù)測(cè)臺(tái)站的發(fā)射機(jī)。而模型成為了“老中醫(yī)”，無時(shí)無刻不在為發(fā)射機(jī)的“身體”技能進(jìn)行診斷。實(shí)際上，百分點(diǎn)在廣電運(yùn)營商已經(jīng)有了PHM技術(shù)的應(yīng)用嘗試，而面臨的挑戰(zhàn)也多種多樣。

挑戰(zhàn)一：設(shè)備異常診斷完全憑經(jīng)驗(yàn)

過去，往往只有最資深的維修員，才可以評(píng)估發(fā)射機(jī)某一時(shí)刻的狀態(tài)是否正常。而在非正常情況下，情況很糟糕，每一個(gè)維修員的定義也不相同。假設(shè)每個(gè)維修員心中對(duì)每個(gè)表值運(yùn)行和發(fā)射機(jī)整體運(yùn)行有4把尺（這里針對(duì)非正常情況），分別是“沒問題”、“有一點(diǎn)問題”、“不太好”、“很糟糕”。而每個(gè)發(fā)射機(jī)表值含義不同，所以發(fā)射機(jī)整體狀況的表達(dá)也會(huì)不同。

挑戰(zhàn)二：設(shè)備歷史數(shù)據(jù)沒有很好利用，難以追回以往異常數(shù)據(jù)

當(dāng)故障發(fā)生后，很難追溯發(fā)射機(jī)真正故障原因。因?yàn)楣饪垂收习l(fā)生前1分鐘數(shù)據(jù)是很不充分的，真正導(dǎo)致故障原因的波動(dòng)異常很有可能發(fā)生在以往1小時(shí)、4小時(shí)甚至1天以前。而實(shí)際操作中也不可能拿著海量數(shù)據(jù)逐條數(shù)據(jù)往回追查，因?yàn)榘恼?shù)據(jù)肯定要比異常數(shù)據(jù)多，所以導(dǎo)致了故障原因難以判斷。

挑戰(zhàn)三：定位異常報(bào)警原因困難

發(fā)射機(jī)的故障為發(fā)射機(jī)某一個(gè)或多個(gè)部件異常導(dǎo)致，而部件異常很有可能會(huì)在表值中有所體現(xiàn)?？删S修員不可能一天坐在發(fā)射機(jī)前，時(shí)時(shí)刻刻檢查發(fā)射機(jī)各個(gè)表值運(yùn)行情況是否正常。表值瞬間異常很有可能為正常情況，但周期性瞬間異常就很有可能是真正的異常狀態(tài)。而這種周期性瞬間，是人工無法捕捉的。

挑戰(zhàn)四：無法預(yù)測(cè)性維護(hù)檢修，難以進(jìn)行下一步操作

發(fā)射機(jī)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估后，維修人員難以判斷發(fā)射機(jī)未來多久會(huì)損壞。對(duì)提前量把控不足，工作安排難以評(píng)定優(yōu)先級(jí)。較難安排維修周期及維修人員。

挑戰(zhàn)五：備品備件庫存亟需優(yōu)化，不能保證所有部件都有庫存

因發(fā)射機(jī)部件昂貴，而每個(gè)臺(tái)站因經(jīng)費(fèi)有限，不能保證所有部件都有庫存。假如故障部件沒有庫存，將面臨很尷尬的問題。從解決問題的角度出發(fā)，百分點(diǎn)提出了行之有效的建設(shè)方案。

健康度管理：通過對(duì)發(fā)射機(jī)運(yùn)行秒數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度算法，將15個(gè)表值數(shù)據(jù)整合為“健康度曲線”這樣的1維數(shù)據(jù)來展現(xiàn)，且利用可視化技術(shù)將曲線展現(xiàn)。針對(duì)一個(gè)維度數(shù)據(jù)的評(píng)估，使發(fā)射機(jī)更容易評(píng)估，且新入職維修員也會(huì)更容易入手。

多級(jí)預(yù)警：將預(yù)警等級(jí)分為3級(jí)，分別為“發(fā)射機(jī)中度預(yù)警“、”發(fā)射機(jī)重度預(yù)警”、“發(fā)射機(jī)故障預(yù)警”。以健康度為基礎(chǔ)，三種預(yù)警以兩種規(guī)則來進(jìn)行定義，分別是“次數(shù)”和“相隔時(shí)間”，并以此來檢測(cè)持續(xù)異常報(bào)警和周期性瞬間預(yù)警。

異常定位：每次預(yù)警時(shí)間將伴有預(yù)警起始時(shí)間，以及預(yù)警周期。點(diǎn)擊監(jiān)控，可查詢發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊詳情或監(jiān)控后，會(huì)顯示預(yù)警期內(nèi)表值的詳細(xì)運(yùn)行情況，按照設(shè)定線和計(jì)算線清晰定位異常參數(shù)。

歷史追溯：所有等級(jí)預(yù)警都會(huì)在后臺(tái)保存15天以方便查詢。

PHM的藍(lán)海

劉譯璟提及，PHM首先是一個(gè)概念，是一整套的理論以及方法。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，PHM系統(tǒng)可提前預(yù)測(cè)飛機(jī)故障信息并采取相應(yīng)措施，實(shí)時(shí)傳輸信息避免飛機(jī)“失聯(lián)”，減少飛機(jī)延誤和維修停場(chǎng)時(shí)間等。2015年10月，我國航天測(cè)控公司PHM研制團(tuán)隊(duì)自主研制的故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)（PHM），將在C919國產(chǎn)大飛機(jī)上進(jìn)行安裝。PHM的正式應(yīng)用，意味著我國打破了波音、空客等國際航空制造巨頭AHM、AIRMAN等產(chǎn)品的壟斷，填補(bǔ)了我國航空業(yè)的空白。

針對(duì)PHM技術(shù)未來是否能順利走向民用，劉譯璟分享了自己的見解：“鑒于設(shè)備損壞以后的代價(jià)要比直接使用PHM技術(shù)付出的成本多得多，民用領(lǐng)域會(huì)優(yōu)先考慮采用PHM。生命憂關(guān)的領(lǐng)域，會(huì)優(yōu)先采用這項(xiàng)技術(shù)。但PHM技術(shù)直接應(yīng)用到日常生活中，還有一段距離，我們可能不太會(huì)使用這項(xiàng)技術(shù)去預(yù)測(cè)一個(gè)消費(fèi)電子類產(chǎn)品，因?yàn)樽鲞@件事帶來的意義太小了。但至少從安全角度來說，可以當(dāng)做一項(xiàng)政治任務(wù)?！?/p>

目前我國對(duì)于PHM技術(shù)的開發(fā)與利用還處于初級(jí)階段。

PHM技術(shù)成本比較高，無論是傳感器的布點(diǎn)，數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸，后端數(shù)據(jù)的建模成本都較高。但包括高鐵動(dòng)車、運(yùn)營商、電力在內(nèi)的領(lǐng)域，都愿意做一些嘗試。