大數(shù)據驅動下的PHM技術

程夢瑤

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

PHM技術，即預測與健康（Prognostics and Health Management），是綜合利用現(xiàn)代信息技術與人工智能技術的一種最新研究成果。這種全新的管理設備解決方案，以健康狀態(tài)出發(fā)從而提高裝備的運行安全性、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)據技術和應用服務商百分點做出了一種假設，發(fā)射機嚴重故障比喻為人類的“死亡”，模型就成為了某廣電運營商的專職“老中醫(yī)”，無時無刻為發(fā)射機的“身體機能”進行診斷。雖然機器無法開口說話，但我們可以通過模型觀察發(fā)射機基本指標是否運行正常，判斷發(fā)射機是否患“病”，而這種“病”又是否會引發(fā)死亡。

據百分點技術副總裁劉譯璟透露：“最早PHM技術在航空航天領域應用，最早的契機是美軍研發(fā)F35戰(zhàn)機。從F35艦載機的研發(fā)開始，整個設備故障減少50%，維護人員減少20%～40%，飛機執(zhí)行任務的架次增加25%。這幾項指標非常重要，通俗地理解，原來有100架飛機，現(xiàn)在可以當成125架飛機來用?！?/p>

PHM技術在國內應用較早的是航天測控領域，1979年，我國已經提出空軍的技術標準，基于此，可以做一些這方面的維護工作，這時候還只是通過管理或者技術手段輔助提高整個設備正常的運轉情況。

20世紀80年代，我國開始引進數(shù)據智能化手段，提供整個設備的維修檢測。在“殲十”飛機的整個研制過程中，PHM技術也得到了應用。

PHM技術跟以往的維護工作大相徑庭。提高設備整個的使用周期，降低成本，減少無故障的發(fā)現(xiàn)，這是整個PHM技術的價值?！八鼘崿F(xiàn)的價值或者收益已經列出來了，它提供關于系統(tǒng)失效的高級告警，不止是現(xiàn)在可以采用，甚至是提供了一種綜合預測的結果。”劉譯璟介紹道。

PHM技術的六大技術模塊

劉譯璟指出，整個PHM技術，純粹的數(shù)據分析有六種模塊。

數(shù)據采集：利用各種傳感器探測、采集被檢系統(tǒng)的相關參數(shù)信息，將收集數(shù)據進行有效信息轉換以及信息傳輸?shù)取?/p>

信息處理：根據行業(yè)專業(yè)知識對數(shù)據進行補充/限制，這里專業(yè)知識即為數(shù)據模型的約束條件，也為數(shù)據模型的因子條件。

設備狀態(tài)監(jiān)測：接受來自傳感器、數(shù)據處理以及其它狀態(tài)監(jiān)測模塊的數(shù)據。根據數(shù)據模型將回傳數(shù)據進行綜合考慮，期間進行“標準化”、“歐氏距離”等計算，形成狀態(tài)監(jiān)控曲線圖。

故障預測：故障預測能力是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)據信息，評估和預測被監(jiān)測系統(tǒng)未來健康狀態(tài)，并作出判斷、建議、決策采取相應措施。

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)據信息的表示等。機-機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)據信息可以進行傳遞交換。需要指出的是，上述體系結構中的各部件之間并沒有明顯接線，存在著數(shù)據信息的交叉反饋。

健康評估：根據專家建議，使用不同的規(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。

PHM技術的應用案例

PHM技術的應用領域最早是預測飛機，現(xiàn)在是預測臺站的發(fā)射機。而模型成為了“老中醫(yī)”，無時無刻不在為發(fā)射機的“身體”技能進行診斷。實際上，百分點在廣電運營商已經有了PHM技術的應用嘗試，而面臨的挑戰(zhàn)也多種多樣。

挑戰(zhàn)一：設備異常診斷完全憑經驗

過去，往往只有最資深的維修員，才可以評估發(fā)射機某一時刻的狀態(tài)是否正常。而在非正常情況下，情況很糟糕，每一個維修員的定義也不相同。假設每個維修員心中對每個表值運行和發(fā)射機整體運行有4把尺（這里針對非正常情況），分別是“沒問題”、“有一點問題”、“不太好”、“很糟糕”。而每個發(fā)射機表值含義不同，所以發(fā)射機整體狀況的表達也會不同。

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

當故障發(fā)生后，很難追溯發(fā)射機真正故障原因。因為光看故障發(fā)生前1分鐘數(shù)據是很不充分的，真正導致故障原因的波動異常很有可能發(fā)生在以往1小時、4小時甚至1天以前。而實際操作中也不可能拿著海量數(shù)據逐條數(shù)據往回追查，因為包含的正常數(shù)據肯定要比異常數(shù)據多，所以導致了故障原因難以判斷。

挑戰(zhàn)三：定位異常報警原因困難

發(fā)射機的故障為發(fā)射機某一個或多個部件異常導致，而部件異常很有可能會在表值中有所體現(xiàn)。可維修員不可能一天坐在發(fā)射機前，時時刻刻檢查發(fā)射機各個表值運行情況是否正常。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：無法預測性維護檢修，難以進行下一步操作

發(fā)射機狀態(tài)進行評估后，維修人員難以判斷發(fā)射機未來多久會損壞。對提前量把控不足，工作安排難以評定優(yōu)先級。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)射機部件昂貴，而每個臺站因經費有限，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)，百分點提出了行之有效的建設方案。

健康度管理：通過對發(fā)射機運行秒數(shù)據進行相似度算法，將15個表值數(shù)據整合為“健康度曲線”這樣的1維數(shù)據來展現(xiàn)，且利用可視化技術將曲線展現(xiàn)。針對一個維度數(shù)據的評估，使發(fā)射機更容易評估，且新入職維修員也會更容易入手。

多級預警：將預警等級分為3級，分別為“發(fā)射機中度預警“、”發(fā)射機重度預警”、“發(fā)射機故障預警”。以健康度為基礎，三種預警以兩種規(guī)則來進行定義，分別是“次數(shù)”和“相隔時間”，并以此來檢測持續(xù)異常報警和周期性瞬間預警。

異常定位：每次預警時間將伴有預警起始時間，以及預警周期。點擊監(jiān)控，可查詢發(fā)射機實時運行情況。當鼠標點擊詳情或監(jiān)控后，會顯示預警期內表值的詳細運行情況，按照設定線和計算線清晰定位異常參數(shù)。

歷史追溯：所有等級預警都會在后臺保存15天以方便查詢。

PHM的藍海

劉譯璟提及，PHM首先是一個概念，是一整套的理論以及方法。通過實時監(jiān)測和大數(shù)據應用，PHM系統(tǒng)可提前預測飛機故障信息并采取相應措施，實時傳輸信息避免飛機“失聯(lián)”，減少飛機延誤和維修停場時間等。2015年10月，我國航天測控公司PHM研制團隊自主研制的故障預測與健康管理系統(tǒng)（PHM），將在C919國產大飛機上進行安裝。PHM的正式應用，意味著我國打破了波音、空客等國際航空制造巨頭AHM、AIRMAN等產品的壟斷，填補了我國航空業(yè)的空白。

針對PHM技術未來是否能順利走向民用，劉譯璟分享了自己的見解：“鑒于設備損壞以后的代價要比直接使用PHM技術付出的成本多得多，民用領域會優(yōu)先考慮采用PHM。生命憂關的領域，會優(yōu)先采用這項技術。但PHM技術直接應用到日常生活中，還有一段距離，我們可能不太會使用這項技術去預測一個消費電子類產品，因為做這件事帶來的意義太小了。但至少從安全角度來說，可以當做一項政治任務?！?/p>

目前我國對于PHM技術的開發(fā)與利用還處于初級階段。

PHM技術成本比較高，無論是傳感器的布點，數(shù)據及時傳輸，后端數(shù)據的建模成本都較高。但包括高鐵動車、運營商、電力在內的領域，都愿意做一些嘗試。