淺談復(fù)雜裝備故障預(yù)測的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

王江波，昝少東

（中國西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710004）

1 前言

故障預(yù)測與健康管理（PHM）概念最早出現(xiàn)于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨后被引入機(jī)械科學(xué)的研究范疇。與醫(yī)學(xué)側(cè)重于潛在疾病的預(yù)測和患者健康管理相類似，機(jī)械科學(xué)中的PHM旨在為故障預(yù)測和機(jī)械維護(hù)提供一個(gè)集成框架，通過將預(yù)測技術(shù)與維護(hù)策略相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對維護(hù)策略的深入研究，具體包括基于狀態(tài)的維護(hù)、預(yù)測維護(hù)和實(shí)時(shí)維護(hù)等策略。PHM可以在裝備實(shí)際壽命周期內(nèi)實(shí)時(shí)評估系統(tǒng)可靠性，以及預(yù)測故障可能發(fā)生的時(shí)間地點(diǎn)，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本。而故障預(yù)測則是通過集成傳感器數(shù)據(jù)和預(yù)測模型來實(shí)現(xiàn)，可對裝備偏離預(yù)期正常運(yùn)行狀態(tài)的程度進(jìn)行評估。近年來，PHM已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性、安全性、可維護(hù)性、可支持性和經(jīng)濟(jì)可承受性的關(guān)鍵推動力。

有效的PHM框架通常包括故障預(yù)測和維護(hù)管理。在故障預(yù)測方面，越來越多專業(yè)儀器（如智能傳感器、儀表、控制器和計(jì)算設(shè)備）被用于收集和分析單個(gè)機(jī)器的數(shù)據(jù)，而振動監(jiān)測、油液分析、溫度檢測和超聲波檢測等技術(shù)則被廣泛應(yīng)用于測量機(jī)器狀態(tài)。此外，研究者提出許多預(yù)測方法對剩余使用壽命（RUL）或潛在退化過程進(jìn)行估計(jì)。在維護(hù)管理方面，復(fù)雜系統(tǒng)已采用大規(guī)模定制、可重構(gòu)制造、可持續(xù)制造和服務(wù)型制造等先進(jìn)制造模式進(jìn)行裝配和操作。因此，系統(tǒng)級維護(hù)策略面臨著來自結(jié)構(gòu)性、隨機(jī)性和經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的多重挑戰(zhàn)。

在現(xiàn)代制造業(yè)中，一個(gè)制造系統(tǒng)通常由各種不同的機(jī)器組成，這些機(jī)器會隨著老化而不斷退化和磨損。從結(jié)構(gòu)依賴性角度來看，一臺機(jī)器若出現(xiàn)故障或進(jìn)行維護(hù)將會影響上下游機(jī)器，進(jìn)而增加并行系統(tǒng)的潛在不可用性。目前，關(guān)于故障預(yù)測方法的相關(guān)研究較為豐富，包括數(shù)據(jù)驅(qū)動方法、基于模型的方法、融合預(yù)測方法等，其主要的關(guān)注點(diǎn)是將PHM整合到不同類型系統(tǒng)中。例如，Hardman提出了基于振動數(shù)據(jù)的算法技術(shù)，用于船舶推進(jìn)和動力驅(qū)動系統(tǒng)中壓縮機(jī)的故障預(yù)測。徐東等人通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和相關(guān)診斷信息，對深溝球軸承疲勞進(jìn)行預(yù)測。通過結(jié)合線性回歸和二次回歸，Li等人預(yù)測了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的剩余使用壽命。結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動和基于模型的預(yù)測方法，佐磊等人提出一種混合遺傳算法與最小二乘支持向量機(jī)融合方法，用于可編程邏輯門陣列焊接點(diǎn)失效故障評估，該研究解決了傳統(tǒng)方法無法提供準(zhǔn)確信息、樣本數(shù)據(jù)少、時(shí)效性不高等問題。

然而，電子器件（包括微、納米級元件）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元件種類繁多、對故障前兆認(rèn)識有限等問題嚴(yán)重阻礙了故障預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致該領(lǐng)域仍處于起步階段。因此，對于PHM的實(shí)際工程應(yīng)用，有必要清楚了解其帶來的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。本文解釋了PHM的一些關(guān)鍵優(yōu)勢，然后討論開發(fā)和實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)時(shí)所涉及的一些障礙和技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 PHM的優(yōu)勢

通過PHM用戶能夠隨時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，估計(jì)和預(yù)測系統(tǒng)的RUL，并及時(shí)采取糾正措施。PHM的部分優(yōu)勢如圖1所示，而這些優(yōu)勢則與系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)、可靠性、安全性、可維護(hù)性、物流和生命周期成本直接相關(guān)。

圖1 PHM的潛在優(yōu)勢

2.1 提高系統(tǒng)安全性

故障預(yù)測目的是識別即將發(fā)生的裝備故障，并對系統(tǒng)用戶、維護(hù)人員、支持人員和后勤人員預(yù)警。一般來說，裝備運(yùn)行故障只在發(fā)生后才能被識別，但是PHM具備在組件或子系統(tǒng)出現(xiàn)故障前加以預(yù)測的能力，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的RUL預(yù)測和更積極的系統(tǒng)健康管理。通過跟蹤組件的生命周期數(shù)據(jù)，PHM能夠預(yù)測系統(tǒng)中將會出現(xiàn)的問題，并在這些問題導(dǎo)致系統(tǒng)性故障前為維護(hù)提供前置時(shí)間。圖2為退化參數(shù)和累積損傷預(yù)測的示意圖。如圖2所示，通過PHM可以得到維護(hù)前置時(shí)間，即PHM預(yù)警與實(shí)際出現(xiàn)故障之間的時(shí)間差。

圖2 PMH故障預(yù)警

不同類型的預(yù)測方法提供不同類型的結(jié)果，包括RUL、故障概率、可靠性和累積損傷率。為了預(yù)測故障并為實(shí)施解決方案留出前置時(shí)間，PHM方法必須在故障發(fā)生前通過實(shí)時(shí)的機(jī)載診斷和預(yù)測提供有效的引導(dǎo)時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間。在故障前準(zhǔn)備時(shí)間上，無論采用何種預(yù)測方法，時(shí)間跨度都可能從幾分鐘或幾小時(shí)到幾天或幾周不等。針對預(yù)警問題的緊迫程度來看，需要進(jìn)行部件更換的預(yù)警一般會確保幾個(gè)小時(shí)的前置時(shí)間；而腐蝕維修的預(yù)警前置時(shí)間則可能達(dá)到幾個(gè)月。盡管有時(shí)故障預(yù)警的提前期僅有幾分鐘，但是這短暫的前置時(shí)間卻尤為重要，它能夠有效提高系統(tǒng)的整體安全性，特別是對于可能帶來系統(tǒng)性損傷的關(guān)鍵設(shè)備。

2.2 提高系統(tǒng)可維護(hù)性

傳統(tǒng)意義上，設(shè)備維護(hù)主要通過兩種方式進(jìn)行：一是固定時(shí)間間隔（即計(jì)劃或預(yù)防性維護(hù)）；二是作為糾正措施（反應(yīng)性維護(hù)）進(jìn)行。其中，計(jì)劃性維護(hù)本質(zhì)上是主動的，即使故障還未發(fā)生也會按預(yù)定時(shí)間間隔進(jìn)行，而反應(yīng)性維護(hù)本質(zhì)上是被動的，在故障發(fā)生后進(jìn)行。預(yù)測維護(hù)通過考慮系統(tǒng)中各部件的健康狀況進(jìn)行健康管理，其本質(zhì)也是主動的。但是，傳統(tǒng)預(yù)防性維護(hù)在部件正常且尚有RUL條件下進(jìn)行部件替換，與之相比，PHM作為預(yù)測性維護(hù)實(shí)現(xiàn)了基于系統(tǒng)狀態(tài)的維護(hù)，能夠根據(jù)裝備健康狀況采取維護(hù)措施，從而有效地減少維護(hù)頻率以及延長維護(hù)周期。總的來說，作為基于狀態(tài)維護(hù)的重要驅(qū)動力，PHM具有以下優(yōu)勢：減少計(jì)劃外維護(hù)、消除冗余檢查、延長維護(hù)周期、提高維護(hù)效率和降低維護(hù)成本。

2.3 降低壽命周期成本

系統(tǒng)的總壽命周期成本通常是未知的，系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、支持和后勤成本難以確定，而與研究、設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)和測試相關(guān)的成本卻僅占整個(gè)裝備壽命周期成本中的小部分。PHM在降低系統(tǒng)的總壽命周期成本方面具有巨大的價(jià)值，因?yàn)槠湓试S基于狀態(tài)的維護(hù)。下面將討論P(yáng)HM在成本規(guī)避方面的一些優(yōu)勢：（1）減少常規(guī)檢查費(fèi)用。如前文所述，定期檢查需要以足夠高的頻率進(jìn)行以便提前發(fā)現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的部件。但PHM通過提供預(yù)警，則可降低前置時(shí)間內(nèi)的檢查頻率，從而降低人工和檢測成本。（2）避免因停機(jī)而產(chǎn)生的成本。PHM能夠準(zhǔn)確識別故障位置和故障組件，從而有利于快速替換故障部件，這在一定程度上改進(jìn)了系統(tǒng)恢復(fù)力、提高了系統(tǒng)可用性。（3）降低備件成本。準(zhǔn)確的故障預(yù)測能夠根據(jù)部件的實(shí)際狀況安排更換。此外，提前了解所需備件數(shù)量可以提高交付效率并降低庫存水平。（4）節(jié)省具有剩余使用壽命的部件。傳統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)在執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)多數(shù)情況下仍處于良好運(yùn)行狀態(tài)，部件更換或維護(hù)只是機(jī)械式的依據(jù)固定計(jì)劃進(jìn)行，但其問題在于被替換的部件可能仍具有很長的剩余使用壽命。與預(yù)防性維護(hù)不同，預(yù)測診斷方法能夠減少正常零件浪費(fèi)進(jìn)而降低維護(hù)成本。（5）降低人力成本。在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)拆卸的部件越少，地面檢查、故障檢測、故障隔離和設(shè)備維修的時(shí)間就會越短，使得維修人員和地面檢測設(shè)備的需求也會減少，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的人力成本。

2.4 提高系統(tǒng)可靠性

理論上，合理的裝備設(shè)計(jì)和有效的生產(chǎn)過程控制能夠得到較高的系統(tǒng)可靠性。但在實(shí)際操作過程中，如果裝備未在適宜環(huán)境和運(yùn)行條件下運(yùn)行，其系統(tǒng)可靠性將大打折扣。PHM利用傳感器對環(huán)境和使用負(fù)載（如溫度、振動、電壓和電流等）進(jìn)行監(jiān)測，使用戶能夠針對系統(tǒng)環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)采取主動措施，以減少部件消耗，延長裝備使用時(shí)間。另外，PHM可以監(jiān)控和記錄組件的使用情況，在部件使用壽命結(jié)束前加以更換，從而提高系統(tǒng)可靠性。

2.5 協(xié)助后勤保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PHM可以協(xié)助構(gòu)建后勤支持系統(tǒng)。對于電子系統(tǒng)，目前維護(hù)部門的中心思想是電子故障無法預(yù)測只能在發(fā)生時(shí)處理。這一思想導(dǎo)致備件庫分散、檢查與維護(hù)設(shè)備復(fù)雜、人員和其他支持資源冗余等問題。因此，要使后勤支持系統(tǒng)能夠動態(tài)運(yùn)行，則必須對相應(yīng)的運(yùn)輸和供應(yīng)鏈進(jìn)行有效的管理，而PHM的運(yùn)用則有望顯著降低后勤支持系統(tǒng)的冗余。

2.6 提高可靠性預(yù)測精度

在設(shè)計(jì)階段，常用的可靠性預(yù)測方法（如MILHDBK-217、GJB-299等）往往不能準(zhǔn)確反映設(shè)備的生命周期環(huán)境，因此其壽命預(yù)測結(jié)果往往與現(xiàn)實(shí)情況差別較大。傳統(tǒng)方法往往會受到對故障模型、操作過程和環(huán)境條件設(shè)置不足的限制。此外，某些故障是間歇性的，在特定環(huán)境條件下發(fā)生，在其他條件下自愈，使得傳統(tǒng)方法難以預(yù)測，導(dǎo)致供應(yīng)鏈和維護(hù)鏈出現(xiàn)“無法復(fù)制”和“重新測試正常”問題。相比之下，PHM利用傳感器在實(shí)際應(yīng)用條件下對系統(tǒng)環(huán)境和使用負(fù)荷進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，收集到的數(shù)據(jù)能夠反映設(shè)備的實(shí)際使用狀況，從而有助于進(jìn)行更佳的損傷評估和RUL預(yù)測。

3 PHM面臨的挑戰(zhàn)

PHM的實(shí)現(xiàn)通常包括如下過程和技術(shù)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障診斷、故障預(yù)測、維護(hù)決策。而PHM系統(tǒng)本身則需經(jīng)歷設(shè)計(jì)與開發(fā)、測試與評估、驗(yàn)證與確認(rèn)、生產(chǎn)與應(yīng)用等階段。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中所涉及的每個(gè)過程或技術(shù)以及每個(gè)階段都會面臨一些挑戰(zhàn)，本文以下各小節(jié)則進(jìn)一步討論P(yáng)HM實(shí)施過程中面臨的一些挑戰(zhàn)。

3.1 預(yù)測方法的選擇

基于狀態(tài)監(jiān)測的故障預(yù)測可以輔助系統(tǒng)的實(shí)時(shí)維護(hù)，避免意外故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。作為PHM最基本的任務(wù)，故障預(yù)測主要目標(biāo)是預(yù)測部件在未來時(shí)間的可靠性或失效概率。一般來說，故障預(yù)測方法分為三類：基于物理的方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法以及二者混合的方法。基于物理的方法假設(shè)可以對部件的損傷過程進(jìn)行物理建模，并且可以根據(jù)觀測數(shù)據(jù)獲得模型參數(shù)。數(shù)據(jù)驅(qū)動方法依賴于觀測數(shù)據(jù)來映射損傷或退化狀態(tài)以預(yù)測未來狀態(tài)變化。混合方法則綜合了基于物理的和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法優(yōu)勢。對于不同類型的裝備和故障模式，適宜的預(yù)測方法可能十分不同，因此恰當(dāng)?shù)念A(yù)測方法的選擇成為影響PHM系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵因素。

基于物理的方法利用模型來描述部件的退化過程，這些模型根據(jù)第一性原理、領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)、失效機(jī)理和一系列必要假設(shè)來建立，常見的方法主要包括：物理建模、結(jié)構(gòu)分析、接觸分析、累積損傷分析、循環(huán)疲勞分析、裂紋擴(kuò)展分析、生長和剝落估計(jì)等。根據(jù)構(gòu)件的具體類型或失效模式，基于物理的方法可以通過數(shù)學(xué)模型直接反映構(gòu)件的退化過程。但此類方法需要根據(jù)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)確定模型參數(shù)，并根據(jù)機(jī)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)不斷更新模型參數(shù)。表1給出了不同的基于物理的方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 基于物理的方法的優(yōu)缺點(diǎn)

基于機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)模型，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法可在系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件級別進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)方法通常只處理已知的故障類型，其故障“模型”須先利用已知的原型故障模式（數(shù)據(jù)）進(jìn)行訓(xùn)練，常見的機(jī)器學(xué)習(xí)方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、樸素貝葉斯、支持向量機(jī)、隱馬爾可夫模型和關(guān)聯(lián)分析等。一般來說，這些學(xué)習(xí)方法可分為有監(jiān)督、無監(jiān)督和半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。有監(jiān)督和半監(jiān)督學(xué)習(xí)所使用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)需要預(yù)處理，并且不易利用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證，這在一定程度上影響了算法的可信度。機(jī)器學(xué)習(xí)方法經(jīng)常使用優(yōu)化和搜索策略，其計(jì)算復(fù)雜度和可處理性會在很大程度上影響算法執(zhí)行效率。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)分布是否被預(yù)先假定，統(tǒng)計(jì)模型則被分為參數(shù)方法和非參數(shù)方法。經(jīng)過多年發(fā)展，統(tǒng)計(jì)方法相較于機(jī)器學(xué)習(xí)方法更為成熟且更易實(shí)施，但是此類方法的缺陷是未考慮到實(shí)際環(huán)境、操作條件和故障機(jī)制。表2給出了各種數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表2 數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的優(yōu)缺點(diǎn)

數(shù)據(jù)驅(qū)動方法和基于物理的方法對于復(fù)雜系統(tǒng)并不總是準(zhǔn)確或有效的，因此研究人員開發(fā)了基于物理與數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的混合方法，從而將數(shù)據(jù)趨勢與故障機(jī)制關(guān)聯(lián)起來并隔離故障根本原因。使用數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)和物理知識能夠隔離導(dǎo)致異常行為的參數(shù)并識別失效機(jī)制，因此混合方法提供了更準(zhǔn)確的RUL診斷以及故障參數(shù)信息，從而有利于進(jìn)行故障根本原因分析。混合方法可分為兩種類型：一種是融合基于物理的方法的預(yù)測結(jié)果和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法的預(yù)測結(jié)果；另一種是使用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來估計(jì)裝備當(dāng)前或未來的健康狀態(tài)，然后使用基于物理的方法來預(yù)測退化或RUL。

3.2 不確定性

由于不確定性將導(dǎo)致故障預(yù)測性能退化，所以故障預(yù)測的另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何處理不確定性。復(fù)雜裝備故障預(yù)測的不確定性來源通常分為三類：（1）模型不確定性；（2）測量不確定性；（3）裝備參數(shù)不確定性。為了建立和量化PHM系統(tǒng)的置信水平，故障預(yù)測后的準(zhǔn)確性評估毋庸置疑是必要的，并且需要采取科學(xué)有效的方法評價(jià)PHM的有效性和準(zhǔn)確性。不確定性會導(dǎo)致失效時(shí)間預(yù)測結(jié)果表示為一個(gè)分布區(qū)間而不是一個(gè)確定的單點(diǎn)值，并且因?yàn)閹缀螀?shù)和材料參數(shù)無法逐一測量，未來負(fù)荷無法確定，所以壽命預(yù)測結(jié)果也被表示為一個(gè)分布區(qū)間。

3.3 多目標(biāo)權(quán)衡

實(shí)施成本在決定PHM系統(tǒng)的成本效益方面發(fā)揮重要作用，而成本效益分析則對于評估PHM系統(tǒng)有效性方面至關(guān)重要。關(guān)于PHM系統(tǒng)的成本效益分析被稱為投資回報(bào)率分析，主要包括對PHM引致的成本規(guī)避和PHM實(shí)施成本進(jìn)行分析。為了評估和確定PHM的投資回報(bào)率，需要明確定義的績效衡量標(biāo)準(zhǔn)，但如何量化PHM實(shí)施效益通常卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。PMH的成本效益不僅與故障預(yù)測時(shí)機(jī)、預(yù)警前置時(shí)間以及用戶實(shí)際需求有關(guān)，還與可承受成本和可接受風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。此外，物流支持、備件供應(yīng)、供應(yīng)鏈管理和相關(guān)支持資源也影響著PHM的成本效益，從而帶來一個(gè)多目標(biāo)權(quán)衡的復(fù)雜決策問題。

4 可能的研究方向

盡管學(xué)者們做出了許多努力，但在PHM這個(gè)新興跨學(xué)科領(lǐng)域中仍存在諸多方法和技術(shù)問題亟需處理。本文認(rèn)為今后的研究可在如下幾個(gè)方向開展：第一，PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定，包括傳感器選擇、無線或有線數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)測和決策算法。研究將PHM與現(xiàn)有系統(tǒng)集成的最佳方法，以及將PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與裝備設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。第二，根據(jù)裝備類型開發(fā)混合方法以提高預(yù)測能力和準(zhǔn)確性。第三，制定衡量評估PHM系統(tǒng)性能的指標(biāo)和方法。第四，進(jìn)行詳細(xì)的成本效益分析，并開發(fā)基于不確定性的決策方法以最小化風(fēng)險(xiǎn)與最大化投資回報(bào)率。