PHM技術(shù)評估報告

1、報告編號： XXXXXXPHM技術(shù)評估報告報告人：XXXX單 位：北交大計算機學(xué)院時 間：2016 年 11 月 13 日目錄1、技術(shù)介紹 3.11 PHM 技術(shù)3.12 PHM 技術(shù)在動車組的應(yīng)用現(xiàn)狀 3.13 PHM 技術(shù)在動車組的發(fā)展趨勢 5.2、技術(shù)評價 6.21 技術(shù)創(chuàng)新度評價 6.22 技術(shù)經(jīng)濟指標先進程度 7.23 技術(shù)難度和復(fù)雜度 7.24 技術(shù)重現(xiàn)性和成熟度 7.25 對推動科技進步和提高市場競爭力作用 7.26 經(jīng)濟效益和社會效益 8.3、評估總結(jié) 84、評估參考材料 91、技術(shù)介紹11 PHM 技術(shù)PHM 技術(shù)( Prognostics and Health Manage

2、men)t，中文全稱為故障預(yù)測與健 康管理技術(shù)，是指利用先進的傳感器技術(shù)，獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)信息和故障信息， 借住神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 模糊推理等算法， 根據(jù)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境因素， 對系統(tǒng)進行狀 態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測，同時對系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行評估，結(jié)合地面維修資源情況， 給出維修決策，以實現(xiàn)關(guān)鍵部件的實情維修 1。PHM 技術(shù)包含兩部分內(nèi)容：一是故障預(yù)測，即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其 功能的狀態(tài)，也就是可靠性；二是健康管理，根據(jù)診斷 /預(yù)測信息，可用資源和 使用需求對維修活動做出適當(dāng)決策的能力。 2圖 1-1 PHM 技術(shù)與應(yīng)用范圍PHM 技術(shù)起源于航空航天軍事領(lǐng)域， 也最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域 (美國 F35

3、 戰(zhàn)機)，波音公司率先引入 AHM 系統(tǒng)3-4，PHM 在不斷發(fā)展的過程中， 逐步成為 新一代設(shè)備的重要組成部分，美國國防部認定， PHM 技術(shù)可以顯著降低使用和 保障費用， 同時提高設(shè)備安全和可用性的綜合技術(shù)。 中國在 2015 年 10 月自主研 發(fā)了 PHM 并在 C919 使用，打破了國際壟斷，目前我國對于此方面研究還處于 初級階段。目前， PHM 技術(shù)已經(jīng)從航空航天領(lǐng)域不斷擴展到包含電子產(chǎn)品、軌 道交通等在內(nèi)的其他多個領(lǐng)域， 均表現(xiàn)出了不錯的成績， 但是總體還處于初級階 段。12 PHM 技術(shù)在動車組的應(yīng)用現(xiàn)狀目前投入運營的 CRH1、CRH2、CRH3 和 CRH5 型系列動車組，

4、都安裝了 傳感器采集關(guān)鍵部件的狀態(tài)信息，并安裝了遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過 3G 網(wǎng)絡(luò) 將動車組運行的狀態(tài)信息和故障信息傳輸?shù)降孛妫?通過地面數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)使地面 運用維護人員可及時了解動車組的運行狀態(tài)和故障情況。 可實現(xiàn)部分關(guān)鍵部件故障的早期發(fā)現(xiàn)并及時處理。PHM 技術(shù)應(yīng)用于動車組，可實現(xiàn)現(xiàn)有修程修制的優(yōu)化，并為實現(xiàn)視情維修 奠定基礎(chǔ)。 目前動車組的修程修制主要包括運用修和高級修， 其主要根據(jù)是動車 組的運用里程及故障信息， 易出現(xiàn)過度維修和維修不足的現(xiàn)象。 設(shè)備出現(xiàn)故障時 維修，易造成晚點和機破，影響動車組的運營秩序。為此，在動車組上應(yīng)用故障 預(yù)測與健康管理技術(shù)意義重大。動車組 PHM 總體框架

5、圖和技術(shù)框架分別如圖 1-2，圖 1-3 所示 1，總體框 架圖包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號處理模塊、狀態(tài)評估模塊、故障診斷模塊、分析決 策模塊以及人機交互。 技術(shù)框架包括數(shù)據(jù)采集、 狀態(tài)監(jiān)控、 健康評估、故障預(yù)警、 決策支持等部分。圖 1-2 PHM 總體框架圖圖 1-3 動車組 PHM 技術(shù)框架PHM 技術(shù)在動車組應(yīng)用存在如下不足之處，需要建立動車組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運 用數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫， 從數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)的狀態(tài)信息進行推理 診斷，從而實現(xiàn)車組及關(guān)鍵部件故障預(yù)警、 健康狀態(tài)評估及壽命預(yù)測， 并為運用、 維修人員提供決策支持。 PHM 在動車組應(yīng)用的不足之處詳見下表 1：表 1-1 PH

6、M 在動車組應(yīng)用的不足之處存在不足詳細介紹故障診斷范圍小傳感器安裝的數(shù)量少， 種類不夠齊全， 導(dǎo)致故障診斷范圍小。故障地位不準確受診斷部件處理能力的限制， 主要根據(jù)單一 判據(jù)進行故障診斷，只能給出可能的故障原因， 不能實現(xiàn)故障的準確定位。 受設(shè)計、 安裝空間等 因素的影響， 安裝的傳感器數(shù)量、 種類有限， 獲 取的信息不夠全面， 導(dǎo)致各關(guān)鍵部件的故障定位 準確率較低。誤報警率高動車組運用環(huán)境惡劣，傳感器的可靠性較 差，導(dǎo)致目前動車組運營過程中傳感器的誤報警 率較高。故障預(yù)測以閾值 預(yù)測為主目前的故障預(yù)測主要是根據(jù)通過遠程數(shù)據(jù) 傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù) （重點是軸箱、 齒輪 箱的溫度數(shù)據(jù)等）預(yù)先

7、設(shè)定的閾值給出預(yù)警信 息，未建立相應(yīng)的預(yù)測模型， 不能實現(xiàn)趨勢預(yù)警、 突變預(yù)警等功能。未實現(xiàn)故障綜合 診斷動車組 PHM 系統(tǒng)車載設(shè)備主要實現(xiàn)單一 判據(jù)的故障診斷， 地面設(shè)備接收車載設(shè)備傳輸?shù)?狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障診斷信息也只是單一判據(jù)診斷 的故障信息， 未進行綜合診斷， 導(dǎo)致準確率較低。未實現(xiàn)健康狀態(tài) 管理目前動車組 PHM 技術(shù)主要實現(xiàn)了故障檢 測、故障診斷，部分關(guān)鍵部件（如軸箱軸承、齒 輪箱軸承、 電機軸承） 通過溫度變化可實現(xiàn)故障 預(yù)測，但未實現(xiàn)關(guān)鍵部件健康狀態(tài)管理。13 PHM 技術(shù)在動車組的發(fā)展趨勢隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，動車組制造業(yè)正在從“制造企業(yè)”向“制造服務(wù)型企 業(yè)”轉(zhuǎn)變，逐漸形成了市

8、場和服務(wù)價值高于制造的理念。 為此新興的動車組故障 預(yù)測與健康管理技術(shù)（ PHM ）可望改變傳統(tǒng)的動車組維修模式，并為動車組故 障預(yù)測、健康管理等應(yīng)用提供基礎(chǔ)。實現(xiàn) PHM 技術(shù)的進一步發(fā)展，需要針對表 1-1 中的問題進行針對性解決， 具體解決方案如下表 1-2 所示 1：表 1-2 PHM 技術(shù)發(fā)展實施方案編號方案詳細說明1確定需要檢測關(guān) 鍵部件按照影響列車運行安全，在動車組現(xiàn)有各 部件監(jiān)測狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對影響列車運行安全 和秩序的關(guān)鍵部件進行監(jiān)測。2確定安裝傳感器 的種類和位置根據(jù)關(guān)鍵部件故障預(yù)測與健康管理要求、 動車組目前安裝傳感器的情況，確定安裝傳感 器的種類和位置。傳感器選擇時，要

9、著重考慮 安裝傳感器部位的工作環(huán)境。同時要根據(jù)故障 預(yù)測的需要，選擇傳感器安裝的位置。3確定關(guān)鍵部件故 障預(yù)測與狀態(tài)管 理的特征量根據(jù)關(guān)鍵部件的故障統(tǒng)計分析，確定關(guān)鍵 部件故障預(yù)測與狀態(tài)管理的特征量。一般情況 下選取影響關(guān)鍵部件安全和功能的關(guān)鍵參數(shù)， 提高故障預(yù)測的準確性。4確定監(jiān)測數(shù)據(jù)的 傳輸方式采用新增以太網(wǎng)傳輸新增傳感器的數(shù)據(jù)， 并和原有列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)接口，實現(xiàn)動車組 在途預(yù)警和故障診斷。5確定車地之間的 數(shù)據(jù)傳輸方式建議關(guān)鍵部件的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過遠程數(shù)據(jù)傳 輸系統(tǒng)實現(xiàn)實時傳輸，數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)及其 相關(guān)的環(huán)境參數(shù)可通過地面數(shù)據(jù)自動下載系統(tǒng) 和人工數(shù)據(jù)下載的方式傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中 心。6

10、建立地面數(shù)據(jù)處 理中心利用傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)，進 行大數(shù)據(jù)處理，開展數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘等工 作。建立關(guān)鍵部件故障預(yù)測與健康管理模型， 采用先進的推理算法，實現(xiàn)關(guān)鍵部件的故障預(yù) 測與健康管理。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)應(yīng) 用技術(shù)的發(fā)展， 動車組故障預(yù)測與健康管理技術(shù)應(yīng)用范圍將不斷擴大， 進而實現(xiàn) 動車組故障預(yù)測和健康管理、修程修制的優(yōu)化以及由計劃維修向狀態(tài)維修的轉(zhuǎn) 變，提高動車組的運用效率和運營品質(zhì)。2、技術(shù)評價21 技術(shù)創(chuàng)新度評價PHM 技術(shù)起源于上世紀，目前國外在航空航天領(lǐng)域相對比較成熟，并不斷 擴展到其他領(lǐng)域，例如交通運輸、電子產(chǎn)品等。中國目

11、前對于 PHM 技術(shù)的研究 還處于初級階段。中國高鐵和動車組技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展多年， 高鐵的發(fā)展也逐步從 “制造” 階段轉(zhuǎn) 化到“制造 +維修”的階段。為了更好提高維修效率，降低維修成本，保障高鐵 動車組運營安全，因此，提出更好的維修策略，實現(xiàn)維修方式從“計劃修”轉(zhuǎn)為 “狀態(tài)修”是非常重要的。 PHM 技術(shù)作為一種新興的設(shè)備狀態(tài)檢測和健康管理 的技術(shù)，已經(jīng)長期存在于航空航天設(shè)備的檢測和維修， 并逐步發(fā)展成熟， 且取得 了不錯的效果。因此，將 PHM 技術(shù)引入動車組設(shè)計，并使之成為其重要組成部 分，更好的幫助動車組實現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測和健康管理是一大創(chuàng)新之舉。22 技術(shù)經(jīng)濟指標先進程度從技術(shù)成本上看， P

12、HM 技術(shù)較為先進，具有較高的復(fù)雜性，對于系統(tǒng)設(shè)計 結(jié)構(gòu)和技術(shù)難度均有較高的要求， 相對于其他維修方式， 設(shè)計成本較大， 特別是 在系統(tǒng)使用過程中的實時監(jiān)測也會提高檢測成本。 但是， 其設(shè)計完成后， 所帶來 的后期經(jīng)濟效益也會是非常顯著的（經(jīng)濟效益將在后面進行介紹） ，特別是能夠 在一定程度上延長動車組使用壽命， 也就相當(dāng)于降低了運營成本， 維修過程雖然 實時檢測，但是能夠有效避免過度維修，也同樣會降低維修成本。綜上所述，雖然研發(fā)成本較大，但是在很大程度上能夠節(jié)約運營和維修成本， 總體上說，還是經(jīng)濟收益非?？捎^的。23 技術(shù)難度和復(fù)雜度PHM 技術(shù)雖然具有較好的效益，但是技術(shù)難度較大，復(fù)雜度強

13、。動車組中， PHM 技術(shù)設(shè)計傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)融合、特征提取、狀態(tài)評估、專家系統(tǒng) 決策等多個方面。PHM 技術(shù)框架中每個方面又受制于多種因素限制，例如：數(shù)據(jù)采集中傳感 器的種類、位置、以及工作穩(wěn)定性等都是較大的難題，特征提取中，多種數(shù)學(xué)模 型的不斷優(yōu)化以保證其準確性也是值得攻堅的部分， 采集數(shù)據(jù)的傳輸需要網(wǎng)絡(luò)傳 輸技術(shù)的發(fā)展，等等。因此，從技術(shù)實現(xiàn)方面， PHM 技術(shù)還具有較大的設(shè)計難 度。此外，使用了 PHM 技術(shù)作為核心的動車組維修系統(tǒng)，設(shè)計內(nèi)容廣泛，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，其涵蓋了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、狀態(tài)評估模塊、專家系統(tǒng)分析決 策等多個模塊，每個模塊設(shè)計技術(shù)廣泛復(fù)雜，因此，具有較大的

14、系統(tǒng)復(fù)雜性。綜上所述， PHM 技術(shù)為核心的動車組維修系統(tǒng)，具有較大的技術(shù)難度和系 統(tǒng)復(fù)雜性。 PHM 技術(shù)實現(xiàn)，需要多個方面內(nèi)容的共同進步，統(tǒng)一行業(yè)規(guī)范標準 也是一項難度非常大的工作。24 技術(shù)重現(xiàn)性和成熟度PHM 技術(shù)在動車組的應(yīng)用，也就是其從航空航天領(lǐng)域到其他領(lǐng)域應(yīng)用的擴 展，技術(shù)重現(xiàn)性難度較大， 但是攻堅前景較為可觀， 并且目前國內(nèi)外具有相對不 錯的運營系統(tǒng)。但是，總體來說，各個國家對于 PHM 技術(shù)在高鐵動車組領(lǐng)域的 應(yīng)用還處于初級階段，技術(shù)程度不足，缺乏統(tǒng)一完善的行業(yè)標準。綜上所述， PHM 技術(shù)在動車組的應(yīng)用上，技術(shù)重現(xiàn)難度交大，目前成熟度 較低，還需要進一步發(fā)展，建立統(tǒng)一的行業(yè)

15、標準。25 對推動科技進步和提高市場競爭力作用PHM 技術(shù)以往主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并具備一定成熟標準。近年來隨 著高鐵技術(shù)的發(fā)展， 逐步引入到高鐵運輸領(lǐng)域。 雖然， 國內(nèi)外在此方面都有一定 研究，并且也產(chǎn)生了幾個比較不錯的相關(guān)系統(tǒng)， 但是總體上還處于初級階段， 行 業(yè)標準還沒有有完全建立成熟標準。PHM 技術(shù)標準建立和技術(shù)發(fā)展，在一定程度上對于各個國家對應(yīng)領(lǐng)域的研 究具有重要的借鑒意義，同時有助于 PHM 技術(shù)在其他行業(yè)領(lǐng)域的研究。同時， PHM 技術(shù)的發(fā)展，一方面能夠敦促網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)等其他行業(yè)的發(fā) 展，同時，其在動車組方面的應(yīng)用，很大程度上促進動車組系統(tǒng)設(shè)計的完備性， 并有效

16、提高動車組的壽命， 因此，能夠很大程度上促進我國高鐵動車組建設(shè)的發(fā) 展，幫助高鐵事業(yè)進一步走出國門。綜上所述， PHM 技術(shù)在動車組方面的發(fā)展不僅能夠促進各類相關(guān)技術(shù)的進 步，也能夠幫助提高高鐵建設(shè)在國際市場的競爭力。26 經(jīng)濟效益和社會效益從經(jīng)濟效益來看， PHM 技術(shù)在航空航天領(lǐng)域效益比較顯著，以 F-35 戰(zhàn)機為 例，使用了 PHM 技術(shù)的飛機的故障不可復(fù)現(xiàn)率減少 82%，維修人力減少 20-40%， 后勤規(guī)模減小 50%，出動架次率提高 25%，飛機的使用與保障費用比過去的機 種減少了 50%以上，而使用壽命達 8000飛行小時 5。統(tǒng)計數(shù)據(jù)充分證明了 PHM 在降低維修保障成本， 提

17、高武器裝備安全性、 可用度與完好性， 確保任務(wù)成功性， 提升作戰(zhàn)效能方面的重要作用 6。同時，在高鐵動車組領(lǐng)域國內(nèi)外存在的現(xiàn)有系 統(tǒng)，也很大程度上提高了動車組的使用效率， 延長了動車組列車的使用壽命， 幫 助降低運營成本。 同時，列車維修過程中， 能夠及時發(fā)現(xiàn)列車狀態(tài)不佳的關(guān)鍵部 件，并進行定點維修， 有效的避免了維修不足和過度維修的情況， 極大的降低了 維修成本。 而這兩部分成本是動車組運營成本中最大的兩個部分， 因此，能夠極 大的提高經(jīng)濟效益。從環(huán)境影響來看， PHM 設(shè)計中主要模塊內(nèi)容與軟件設(shè)施和硬件設(shè)備均相關(guān)， 軟件設(shè)施必然不會對環(huán)境產(chǎn)生較大影響， 硬件設(shè)施中傳感器使用必然存在大量的

18、損耗，特別是工作環(huán)境惡劣的狀態(tài)下， 傳感器損耗速度加劇。 大量的傳感器廢品， 如果處理不安全，必然會對環(huán)境產(chǎn)生較大損害。另一方面， PHM 能夠延緩動車 組壽命，增加服役時間，避免了大量鋼鐵材料的浪費，增加了利用率，一定程度 上起到保護資源的目的。同時， “狀態(tài)修”的維修方式，避免了配件的頻繁更換， 也能夠起到保護資源的目的。從社會效益來看， PHM 技術(shù)的發(fā)展，有助于其在不同領(lǐng)域的拓展研究，幫 助其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)維修模式，從而更大程度上幫助節(jié)約成本，增加經(jīng)濟收益， 同時，能夠很大程度上節(jié)約資源保護環(huán)境。綜上所述， PHM 技術(shù)在經(jīng)濟、環(huán)境、社會等方面的效益還是非?？捎^的。3、評估總結(jié)PHM

19、技術(shù)的發(fā)展，依賴于多種技術(shù)的綜合發(fā)展進步，助于一種系統(tǒng)框架模 式。因此，要讓 PHM 技術(shù)的快速發(fā)展，需要多個學(xué)科和多種技術(shù)的共同努力。（1）應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。例如，傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，提高檢測數(shù)據(jù)的準 確性，以及傳感器工作的穩(wěn)定性； 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展， 能夠有助于實時檢測設(shè) 備狀態(tài)，獲得充足有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)； 大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展， 將進一步促進歷史數(shù)據(jù) 的分析，有助于促進專家系統(tǒng)進行綜合診斷，等等，這些都將加大的徐進 PHM 技術(shù)在動車組上的進一步發(fā)展。(2) 學(xué)科理論發(fā)展。數(shù)據(jù)的特征提取，特別是模型的進一步優(yōu)化，有助于 更加高效的對于采集數(shù)據(jù)進行準確分析，數(shù)據(jù)學(xué)科和模型優(yōu)化理論的進一步發(fā) 展，也將進一步促進(3) 統(tǒng)一標準的建立。目前行業(yè)缺乏統(tǒng)一成型的行業(yè)標準，一個成熟有效 的行業(yè)標準的建立， 能夠進一步推動其產(chǎn)業(yè)化， 并逐步規(guī)范化， 更大程度上促進 其發(fā)展進步。(4) 系