郭旭周 南京熊貓信息產(chǎn)業(yè)有限公司/南京航空航天大學
引言:對制造型企業(yè)來講,產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系著企業(yè)發(fā)展命脈,是其追求的首要目標,它不僅會影響到企業(yè)的形象及經(jīng)濟利益,也是保障國家財產(chǎn)、人身安全以及公共財產(chǎn)不受損失的重要前提。雖然在應對產(chǎn)品質(zhì)量缺陷、售后服務響應等方面已經(jīng)有很多措施和方案,比如組建維保團隊、開通服務熱線、制定快速響應機制等等,但是如何能夠從根本上降低故障率、減少產(chǎn)品質(zhì)量缺陷,尤其是如何能夠在產(chǎn)品發(fā)生故障之前進行有效預測,并對產(chǎn)品進行全生命周期的健康管理,以及通過智能感知分析出質(zhì)量缺陷根源從而促進產(chǎn)品研發(fā)的升級,是擺在我們面前的亟待解決的問題。
故障預測與健康管理PHM(Prognostics Health Management)是一種先進的管理理論,其核心內(nèi)容是事前預警,利用是設備監(jiān)控的方式,使設備能夠自主感知、自主保障、自主診斷,該管理模式是基于狀態(tài)的維修CBM (視情維修,condition based maintenance)的升級發(fā)展。其目的在于提升運營管理效率,通過分析故障頻發(fā)區(qū)域與周期等數(shù)據(jù),進行故障發(fā)生預測。
PHM技術(shù)作為一種基于狀態(tài)的維修(CBM)的新興技術(shù),能夠通過自主式保障、設備管理感知與系統(tǒng)響應等實現(xiàn)信息技術(shù)條件,該技術(shù)受到國外強國的高度重視和推廣應用。在國內(nèi),PHM系統(tǒng)也正在成為新一代的飛機、艦船、車輛、大壩等大型工程項目的系統(tǒng)設計和使用中的一個重要組成部分。PHM技術(shù)包括兩層含義,即故障預測和健康管理,前者主要負責通過對設備的監(jiān)控,發(fā)生異常狀況產(chǎn)生的風險,體檢進行預警;后者測試利用實時監(jiān)控,觀測設備運行狀態(tài),為設備管理決策提供參考依據(jù),從而構(gòu)建一個基于產(chǎn)品全生命周期的綜合性管理平臺。
PHM的首要特點是,必須對海量數(shù)據(jù)進行處理分析和健康判斷。如何獲取數(shù)據(jù)是一方面問題,而更主要的問題是,如何處理已獲取的海量數(shù)據(jù)。一直以來,在實際工程中也注重MTBF、MCBF、MTTR等一系列產(chǎn)品可靠性設計的參數(shù)指標,但是都沒有升級為可預測性、全生命周期性的PHM系統(tǒng)應用。模型建立首要難題,除了需考慮健康模型的評價標準,更要選擇故障預測模型建立方式。而恰恰這就是智能制造的工業(yè)技術(shù)體系的核心,如何將專家經(jīng)驗和實踐經(jīng)驗相結(jié)合,如何將實時發(fā)生的產(chǎn)品狀態(tài)數(shù)據(jù)與故障征兆模型相結(jié)合,進一步來推動產(chǎn)品的智能生產(chǎn)制造,這正是工業(yè)4.0的核心。
要實現(xiàn)PHM,除了扎實的基礎(chǔ)條件保障,還需要充足的理論依據(jù)做指導,不僅需要進行大數(shù)據(jù)分析的硬件設備,更要整合相關(guān)的經(jīng)驗、模型等知識。與此同時,隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展,PHM體系得到了更大的驅(qū)動力和技術(shù)支撐,在智慧城市、智能制造領(lǐng)域相關(guān)設備運營上,具有十分廣泛的發(fā)展前景。
預期設計目標是在設備運行、運營過程中就采集數(shù)據(jù),實時傳輸數(shù)據(jù),通過云平臺完成數(shù)據(jù)加工處理,通過維修輔助平臺發(fā)送激勵信號,采集重點部件數(shù)據(jù),平臺具有實時分析與故障預測功能,從而實現(xiàn)設備故障的預測和防范,降低設備的故障率,提高客戶滿意度。
PHM理論應用于我們傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域,具有兩個明顯的理念和思路的轉(zhuǎn)變:
(1)傳統(tǒng)的基于單個傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預測轉(zhuǎn)變;
(2)基于事件驅(qū)動的維修(事后維修)、時間驅(qū)動的維修(定期維修)向基于狀態(tài)的預測維修(CBM)轉(zhuǎn)變。
它的目標是僅僅對有證據(jù)表明需要維修的,才進行維修,從而確保有效提高設備、系統(tǒng)運行的安全性、可靠性、可維修性;減少設備停機維修時間、降低設備的整個壽命周期成本。
PHM技術(shù)是通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集,不斷獲取設備的運行狀態(tài),并進行基礎(chǔ)分析,一旦發(fā)現(xiàn)異常情況,就發(fā)出預警。這種技術(shù)不僅解放了人力資源,不需要人為對設備進行定期維修,而且檢測效率高,精度準。PHM理論體系中將該過程分為六個階段。
第一是數(shù)據(jù)采集:該階段的任務主要是進行數(shù)據(jù)采集,即利用傳感器獲取相應設備運行過程中的各種運行參數(shù),抽取有效信息,進行信息預篩選與傳輸。
第二信息處理:根據(jù)行業(yè)專業(yè)知識、數(shù)據(jù)模型的約束條件對數(shù)據(jù)進行補充/限制,完成基于故障征兆的模型擬合的數(shù)據(jù)抽樣。
第三設備狀態(tài)監(jiān)測:接受來自傳感器、數(shù)據(jù)處理以及其它狀態(tài)監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)模型將回傳數(shù)據(jù)進行綜合考慮,期間進行“標準化”、“歐氏距離”等計算,形成狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)。
第四健康評估:根據(jù)專家建議、故障預測和判斷的模型,不斷優(yōu)化、自學習,產(chǎn)生并應用不同的規(guī)則參數(shù)。制定最合理的設備評估水平,以達到多級預警的目的。
第五故障預測:故障預測作為PHM系統(tǒng)最有價值的核心技術(shù),可綜合利用前述各部分的數(shù)據(jù)信息和預測模型,評估和預測被監(jiān)測系統(tǒng)未來健康狀態(tài),并做出判斷,建議,決策采取相應措施。
第六保障決策:主要包括人-機接口和機-機接口。人-機接口包括狀態(tài)監(jiān)測模塊的警告信息顯示以及健康評估、預測和決策支持模塊的數(shù)據(jù)信息的表示等。
(1)對設備和各模塊健康度建模
針對設備運行數(shù)據(jù)進行建模,將所有采集到的設備運營監(jiān)控數(shù)據(jù)降維整合為“健康度曲線”這樣的一維數(shù)據(jù)展現(xiàn);利用低維度數(shù)據(jù)分析,可簡化數(shù)據(jù)分析的難度,實時操作性強,評估結(jié)果簡單,便于理解。
(2)建立故障特征多級預警
將預警根據(jù)分級,以健康度指標為依據(jù),來檢測持續(xù)異常報警和周期性瞬間預警。制定基于不同級別的維保方案,降低維保成本。
(3)異常故障定位
設備的每次預警時間將伴有預警起始時間,以及預警周期;提供自動報警和可視化工具,根據(jù)預警期內(nèi)表值曲線,以及健康度模型可清晰定位異常參數(shù),對設備故障給出預警。
(4)多維度關(guān)聯(lián)分析
將各個維度的部件數(shù)據(jù)進行融合分析,比如打印機故障與電源電壓之間的關(guān)系、維護頻次與用戶使用量之間的關(guān)系、設備布點與交易量的關(guān)系等等。通過挖掘各部分異常之間的關(guān)聯(lián)度,為全方位智能感知提供決策依據(jù)。
通過對設備的整機健康管理分析,監(jiān)測設備運行實時狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)設備異常和即將異常,對設備故障征兆、已發(fā)故障給出預警和報警。實現(xiàn)了對設備的整體監(jiān)測,識別設備和系統(tǒng)整體性能下降或與期望的正常狀態(tài)偏離,及時發(fā)現(xiàn)設備的異常狀態(tài);實現(xiàn)了預測設備未來的可靠性和性能突變進行告警。
本文介紹了故障預測與健康管理的概念,引入大數(shù)據(jù)的概念,思考大數(shù)據(jù)在PHM中的應用,抓住PHM的兩個關(guān)鍵轉(zhuǎn)變,從而獲取PHM平臺的功能需求,并由此構(gòu)建PHM平臺架構(gòu)。最終利用發(fā)表人所在公司的設備等對PHM技術(shù)進行了初步應用。