PHM與保障信息系統信息集成使用方法

張珍文

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

0 前言

PHM技術是一種先進的智能化信息技術，在我國的軍事、航空以及交通運輸等領域都有廣泛的應用。隨著社會經濟的發展、科學技術的進步，PHM技術水平也在不斷提高。PHM系統對各行業中先進設備儀器的狀態監控作用越來越明顯，能夠更好地滿足各行業的發展需求。對PHM系統和保障信息系統集成使用方法進行分析和研究，能夠為更好地維護各種設備的運行安全、促進各行業的快速發展提供更科學的依據。

1 PHM系統分析

1.1 PHM相關概述

隨著科學技術的飛速發展，各種裝備的集成度、智能化程度和復雜程度也在不斷提高，傳統的裝備故障診斷、處理和維修保障技術已經難以滿足當前裝備的新需求。為了更好地滿足各種裝備對安全、穩定性能的要求，PHM技術逐漸被應用到各行業中。現階段PHM技術多用在軍事裝備的故障維護和檢修中，能夠更好地滿足信息化戰爭中對武器裝備快捷、高效以及精準的需求。PHM就是指利用傳感器采集系統的數據信息，充分借助信息技術、人工智能技術以及大數據處理技術等先進的技術手段來實現對武器設備的全面監控和管理，利用計算機系統對監控收集到的數據進行相應的分析處理，對武器裝備系統的健康狀態進行評估。PHM技術在武器裝備中的應用能夠及時發現故障問題，在設備故障發生前對其進行精準預測，并且結合當前各種先進的信息技術手段和設備資源等對其采取一系列的維護和保障措施。綜上所述，PHM技術是一項集故障檢測、隔離健康預測、評估、維護管理以及決策等為一體的全面的綜合性技術。

1.2 PHM體系結構

PHM系統體系結構如圖1所示，主要由信號處理、故障診斷、故障預測以及系統維護4個部分組成。信號處理需要借助傳感器來實現，由傳感器對信息進行采集，從而能夠準確地獲取信息。信號處理主要包括2個方面：1） 對信息進行預處理，確保檢測到的信息的有效性。2） 通過提取特征來獲取系統需要的信息，保證信息的有效性。當系統發生故障時，通過FMECA可以獲取故障庫，從而可以有效地對故障進行預測，進而保證故障分析的質量，使系統保持良好的運行狀態。另外，在系統的維護工作中要制定維護任務，使維護計劃能夠定期執行，進而防止PHM系統發生故障。以電機檢測為例，對電機處在運行狀態中的轉速、功率等進行實時檢測，能夠對故障進行實時診斷，通過確定相應的維護方案，在有效地分析之后使故障問題得到解決。

圖1 PHM系統結構體系框架圖

在PHM系統中，傳感器數據采集系統作為最基礎的信息數據采集系統，能夠實現對被測系統各個環節層次的全面監控，在準確感應到被測系統裝備相應的各種參數的變化之后，對檢測到的信息參數進行轉化。利用數據處理及特征提取系統對相關數據進行整理和分析，根據信息參數的實際數據情況進行診斷和預測，最后基于診斷和預測的結果進行健康評估和故障預測，得出被測系統的故障部位、時間以及使用壽命等，進而制定針對系統的全面維修保障建議，保證系統相關信息決策的準確性和科學性。在PHM技術方法體系的運行中，首先要進行的就是對被測系統的虛擬壽命的評估工作。一般情況下PHM系統失效模型的建立包括2種方式：首先是基于失效物理的方法建立失效模型，該失效模型是從被測系統的組成、變化以及系統間各環節部件的相關影響作用等方面對系統進行分析的。然而由于這種基于失效物理方法建立失效模型的方法需要非常完備的理論條件基礎才能夠實施，在當前的應用中很難實現，因此這種失效模型建立方法的準確度不夠高。第二種失效模型的建立就是充分發揮大數據技術的作用，這種失效模型的建立方法具有良好的發展前景，能夠有效保證失效模型的準確性。

PHM失效模型構建方法如圖2所示，該模型主要圍繞系統的健康狀態和預診狀態來展開，為PHM系統的穩定運行提供了重要保障。失效模型主要組成如下：1） 數據監測與維護。利用傳感器獲取系統的運行狀態，利用總線對系統進行控制，這樣可以保證系統數據記錄的準確性，為判斷系統的健康提供更加科學、準確的依據。2） 利用失效先兆、預警監測對系統狀態進行預診，使系統能夠保持健康的運行狀態。這樣不僅可以有效地防治系統的故障問題，還能夠通過提前預測來減輕和消除系統運行過程中容易出現的失效問題。3） 虛擬壽命評估。要基于PoF對系統壽命損耗情況進行分析，使系統具有較高的壽命期望，進而防止PHM失效狀態對系統的健康運行造成影響。以控制器檢測為例，需要通過PHM技術對控制效果進行評估，使其能夠穩定地運行，通過時效模型對其進行評估，使其處于良好的控制狀態。

圖2 PHM失效模型建立方法

1.3 PHM故障預測方法

目前，關于PHM故障預測方法并沒有統一的應用標準，從我國對PHM系統的主要研究資料來看，故障預測方法主要分為模型故障預測法、數據驅動故障預測法和統計可靠性故障預測法[1]。PHM故障預測方法如圖3所示，系統故障預測難度以金字塔結構的形式來呈現，共分為上、中、下3層，由下至上系統的預測準確性將逐漸增加，也會導致預測難度與成本的增加。故障預測下層為可靠性模型，需要基于經驗手段進行預測，以系統歷史運行數據作為預測依據，使故障能夠被及時發現。在故障預測中層，需要基于模型來實現，根據模糊邏輯對故障模型進行估計，對故障特征的相關性進行分析，提高故障預測的準確性。在故障預測上層，需要基于物理模型來實現，根據失效機理對故障進行分析，避免系統的功能發生缺失，進而保證PHM系統能夠穩定地運行。

圖3 故障預測方法分類

1.4 PHM技術研究

PHM技術也被稱為預測與健康管理技術，這種技術擁有能夠更加便捷、高效地對裝備和系統的運行狀態進行預測和健康管理的優勢，使其逐漸被應用到各種先進武器裝備以及航空航天等領域。現階段，PHM技術主要在我國的自主式后勤、降低裝備和系統運行的全壽命周期費用等領域發揮重要的作用。然而，盡管現階段PHM技術已經能夠被廣泛地應用，但各種高新技術的發展對PHM技術的應用也提出了更高的要求。在對PHM技術的未來技術研究方向進行分析時，主要可以從以下4個方面來開展。

1.4.1 傳感器數據采集

傳感器的數據采集功能是PHM技術在實際應用過程中最基礎的一項功能。PHM技術在實際的應用過程中主要是對被測對象的振動、溫度、光強以及電壓等運行參數的變化進行檢測和記錄分析，再將這些物理量按照提前設定好的轉換規則轉換為電信號，進而更加明確地顯示故障發生的位置和運行狀態是否安全。在這個過程中，傳感器種類的選取以及優化布局是能夠對檢測結果產生重要影響的部分，因此要加大對這些關鍵技術的研究和投入力度。

1.4.2 健康評估與故障預測

健康評估與故障預測是應用PHM技術最主要的目的，在實際應用PHM技術的過程中，該技術主要是通過借助失效模型以及更加智能化的推理算法來對裝備和系統的運行狀態進行評估。現階段我國在應用PHM技術的過程中主要通過2種方式來建立失效模型，一種是以失效物理的相關原理為基礎，通過裝備或系統中各個部分之間的相互影響來建立模型，進而得出健康評估與故障預測的結果。另一種則主要是借助現代化的大數據技術對裝備和系統進行建模，進而得出更加科學、合理的預測結果。與第一種建模方式相比，基于大數據技術的建模方式在未來社會的發展過程中擁有更大的發展空間。

1.4.3 PHM技術驗證和評估方法的研究

PHM技術多應用于軍事武器裝備領域中，對其他領域不具有通用性，因此PHM技術仍然具有較大的限制性。PHM的驗證技術在實際應用過程中的主要目的就是檢驗PHM技術的設計應用效果是否符合實際的要求和需要，因此能夠及時地對各種裝備和系統在運行過程中出現的健康和故障問題進行反饋和評估，進而提高維修裝備和系統的效率。

1.4.4 標準化技術研究

PHM技術在實際的應用過程中主要是借助數據傳感器來完成檢測工作的，檢測工作結果的準確性與PHM技術的應用價值有最直接的聯系。要想保證PHM技術預測結果的準確性，最主要的就是要更加規范、標準地對PHM技術的應用流程進行管理。在具體應用過程中規范化的操作是非常重要的，PHM技術在發展應用過程中已經基本明確了其發展應用所需要的核心信息類型，它們在應用中與傳統的故障診斷中的信息在類型上存在一定程度的重疊。如何界定并擴展現有的測試標準，是現階段PHM技術研發相關部門及技術人員需要重點研究的問題[2]。

2 PHM與保障信息系統信息集成設計

2.1 體系結構設計

為了保證系統信息集成的水平，需要注重對系統結構的設計，提高PHM系統的監測能力，使系統故障能夠被及時發現。在信息處理方面，需要采用集中式體系結構，使故障區域能夠得到有效劃分，提高對系統狀態的管理效果。在體系結構設計方面，需要分成單體級、單車級以及系統級3個層面。對單體級設備來說，需要注重自身性能的設計，使故障區域能夠得到有效地監測，層次信息能夠得到嚴格地推理。對單車級設備來說，需要做好對內部性能的檢測工作，對其內部健康狀況進行評估，準確地采集運行數據，為設計完善過程提供依據[3]。對系統級設備來說，需要注重系統之間的聯調，嚴格設計硬件接口，進而建立穩定的通信關系，使數據具有良好的傳輸效率，使PHM系統能夠進行正確決策，對系統采用有效的維護策略，使系統健康決策支持得到保障。

2.2 功能結構設計

2.2.1 數據采集系統

故障識別、健康評估等都需要建立在數據的基礎上，因此需要對數據采集系統進行設計，使系統信息得到有效地采集。PHM系統需要承擔起數據采集功能，合理對定時器進行設計，使采集周期能夠得到控制。以系統級設備為例，可以將數據采集頻率設置為5 min，將其作為數據采集周期，對系統運行數據進行采集。數據采集需要由傳感器來實現，以溫度數據采集為例，可由TSC-6系列傳感器對環境溫度進行檢測，測溫范圍為-5 ℃~60 ℃，測量精度為1%，進而實現對溫度的準確采集。數據采集是故障分析的重要手段，可以為后續分析提供依據，因此需要對數據采集引起重視[4]。

2.2.2 數據處理系統

數據采集后需要對數據進行處理，處理過程主要分為2個方面：一方面，需要對數據的有效性進行分析，一旦數據不符合要求，則需要重新采集數據，確保數據采集結果的可靠性，使數據采集精度能夠得到保障。另一方面，需要存儲有效數據，通常情況下，數據被存儲在數據庫中。因此，需要對數據庫進行設計，使系統運行數據存儲更加規范。在數據庫選擇上，選擇MS Access作為存儲庫，同時需要分類存儲數據，便于對數據進行調用。實現數據存儲后，便可以對數據進行分析，通過SQL語句從數據庫中提取數據，在與標準庫進行對比，進而對系統運行狀態進行檢測。

2.2.3 狀態監測系統

在系統的運行過程中，需要對其狀態進行實時監測，使系統故障能夠及時得到解決，進而恢復到健康的運行狀態。狀態監測系統的核心在于標準庫的建立，標準庫越完善，系統故障被檢測到的效率越高。標準庫需要根據系統的性能來確定，對系統的正常工作狀態進行判斷，對其進行數據化處理，再經過匯總后形成標準庫。標準庫是運行狀態分析的重要依據，將其與實際數據進行對比后，可以用來構建系統預警機制。當系統發生故障后，可以形成在線預警，由工作人員進行緊急處理，使故障得到迅速解決。以溫度監測為例，某系統需要將溫度控制在20 ℃~26 ℃，假設實際監測到的溫度為T，如果T∈[20，26]，則系統將會產生報警，提醒溫度不符合標準。其中，“[20，26]”將會作為標準存儲在標準庫中，T為系統實時監測的狀態量，這樣便構成了完整的檢測機制。

2.2.4 健康評分系統

健康評分是PHM系統的重要功能，需要合理地構建評分機制，使系統性能能夠得到量化評估。健康評分系統核心在于評分機制的構建，構建規則如下：1） 單獨功能評分[5]。評分范圍為0~100，系統最佳工作狀態評分定為100，故障狀態評分為0，對系統性能損失率r（%）進行核算，那么單項功能評分為100×（1-r）。2） 整體功能評分。不同功能對系統的影響是不同的，不能采用求平均值的方式進行整體評分，而是采用加權方式進行評分，對不同功能對系統性能的影響權重進行分配，整體功能評分如公式（1）所示。

式中：ri為性能損失率；pi為功能影響權重。

將上述算法作為程序寫入系統中，便可以較為精準地對系統的健康狀態進行評分。

2.2.5 故障預測系統

PHM系統需要具有故障預測的功能，能夠對故障位置進行準確判斷，并且給出對應的解決方法。故障預測功能設計如下：一方面，需要使數據采集點與數據形成對應關系，通過設備編號對其進行標識，這樣在檢測出故障后，可以快速對故障位置進行確定。另一方面，需要構建設備故障與解決方法的對應關系，這樣便可以根據故障找到對應的解決方法，提高設備故障的解決效率，進而實現系統故障預測功能。

3 PHM與保障信息系統信息集成使用研究

在裝備中安裝好PHM系統之后，通過PHM系統采集正常運行過程中裝備的各種狀態信息，并在經過PHM系統的自行分類和處理之后，借助空地數據鏈等方式將這些數據信息傳遞給地面的PHM系統。地面的PHM系統再將這些數據信息按照一定的轉換規則轉換為電信號，進而向技術人員呈現出裝備的實際運行信息，為技術人員判斷裝備的實際運行情況提供更加科學、有效的依據。在對裝備系統進行全面檢查的過程中，PHM系統能夠通過實時監測裝備內部各部件運行情況來確定裝備故障的具體位置、故障發生時間、次數、原因以及嚴重程度等。PHM系統對裝備的應用預測主要體現在裝備的故障部件剩余使用壽命、裝備內部其他部件的影響程度、故障整體的變化趨勢和其他部件可能發生的故障情況等[6]。

4 結論

綜上所述，各種先進科學設備的應用帶動了我國經濟的發展，促進了我國社會的進步。PHM系統與保障信息系統信息集成使用能夠全面提升各類設備的安全性和穩定性，保證設備的正常運轉。各行業應當重視對PHM系統與保障信息系統的應用，相關技術人員應當加大對PHM與保障信息系統的研究力度，不斷提升自身的專業技能，對PHM與保障信息系統進行相應的優化和創新，全面地提升系統對故障檢查的精度，使其能夠更加適應各行業的發展，從而促進各行業更好的發展。