PHM技術(shù)評估報告

1、精品文檔報告編號： XXXXXXPH雌術(shù)評估報告報告人： XXXX單 位：北交大計算機(jī)學(xué)院時 間：2016 年 11 月 13 日。目錄1技術(shù)介紹 31. 1 PHMK 術(shù) 31. 2 PHM技術(shù)在動車組的應(yīng)用現(xiàn)狀 31 3 PHM技術(shù)在動車組的發(fā)展趨勢 52技術(shù)評價 62 1 技術(shù)創(chuàng)新度評價 62 2技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)程度 623 技術(shù)難度和復(fù)雜度 724 技術(shù)重現(xiàn)性和成熟度 725 對推動科技進(jìn)步和提高市場競爭力作用 726 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 83評估總結(jié) 84評估參考材料 9。1、技術(shù)介紹1. 1 PHM技術(shù)PHMJ術(shù)(Prognostics and Health Management

2、),中文全稱為故障預(yù)測與 健康管理技術(shù)，是指利用先進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。PHMJ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PHMK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 戰(zhàn)機(jī))，波音公司率先引入AH

3、MS統(tǒng)3-4, PHMS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(rèn)定，PHMK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，PHMJ術(shù)已經(jīng)從航空航天領(lǐng)域不斷擴(kuò)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。1. 2 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，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(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過3G

4、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?，通過地面數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)使地面運用維 護(hù)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(jī)碳，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

5、態(tài)評估模塊、故障診斷模塊、分析決 策模塊以及人機(jī)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總體框架圖捺介門LK驗控界K狀憩、故障；工單計劃例淺小輛曲可借中心教據(jù)H戶脩"I故障Hi測幡型犀什析校刑_監(jiān)控規(guī)則棒-總小甲，白和因乙?guī)?zhí)故障伸臂一1故吟析I 模星障計I4找數(shù)和；寓線他相外曜牧掘接口圖1-3 動車組PHMK術(shù)框架PHMJ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(hù)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(jìn)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

6、員提供決策支持。PH。動車組應(yīng)用的不足之處詳見下表1 :表1-1 PHM在動車組應(yīng)用的不足之處存在不足詳細(xì)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(zhǔn)確受診斷部件處理能力的限制， 主要根據(jù)單一 判據(jù)進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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 舉較局。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(yuǎn)程數(shù)據(jù) 傳輸系統(tǒng)傳

7、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、 突笠預(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TU 據(jù)的故障診斷，地面設(shè)備接收車載設(shè)備傳輸?shù)臓?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(jìn)行綜合診斷，導(dǎo)致準(zhǔn)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(jī)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。1. 3 PHM技術(shù)在動車組的發(fā)展趨勢隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，動車組制造業(yè)正在從“制造企業(yè)”向

8、“制造服務(wù)型企 業(yè)”轉(zhuǎn)變，逐漸形成了市場和服務(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)PH皿術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要針對表1-1中的問題進(jìn)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)展實施方案編號力殺詳細(xì)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(jìn)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

9、選擇時，要著重考慮安 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(zhǔn)確性。4確定監(jiān)測數(shù)據(jù)的 傳輸方式米用新增以太網(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(yuǎn)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

10、中 心。6建立地回數(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(jìn) 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(jìn)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(kuò)大，進(jìn)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2. 1技術(shù)創(chuàng)新度評價PH威術(shù)起源于上世紀(jì)，目前國外在航空航天領(lǐng)域相對比較成熟，并不斷擴(kuò) 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PHMK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。PH般術(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PHMK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。3. 2技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)程度從技術(shù)成本上看，PHMK術(shù)較為先進(jìn)，具有較

12、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(jì)效益也會是非常顯著的（經(jīng)濟(jì)效益將在后面進(jìn)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(jì)收益非?？捎^的。2 3 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(qiáng)。動車組中， PHMK術(shù)設(shè)計傳感器、

13、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。PHMJ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(zhǔn)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。止匕外，使用了 PHMJ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，具有較大的系統(tǒng)復(fù)雜性。綜上所述，PHM組術(shù)為核心的動車組維修系統(tǒng)，

14、具有較大的技術(shù)難度和系統(tǒng) 復(fù)雜性。PHMK術(shù)實現(xiàn)，需要多個方面內(nèi)容的共同進(jìn)步，統(tǒng)一行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也是 一項難度非常大的工作。2 4 技術(shù)重現(xiàn)性和成熟度PHMJ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(kuò)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PHMK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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)一步發(fā)展，建立統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2 5 對推動科技進(jìn)步和提高市場競爭力作用PHMJ術(shù)以往主要應(yīng)用于航

15、空航天領(lǐng)域，并具備一定成熟標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)還沒有有完全建立成熟標(biāo)準(zhǔn)。PHMJ術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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PHMK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(jìn)動車組系統(tǒng)設(shè)計的完備性， 并有效。 提高動車組的壽命， 因此， 能夠很大程度上促進(jìn)我國高鐵動車組建設(shè)的發(fā)展，

16、 幫 助高鐵事業(yè)進(jìn)一步走出國門。綜上所述，PHMJ術(shù)在動車組方面的發(fā)展不僅能夠促進(jìn)各類相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步， 也能夠幫助提高高鐵建設(shè)在國際市場的競爭力。2 6 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益從經(jīng)濟(jì)效益來看，PHM皮術(shù)在航空航天領(lǐng)域效益比較顯著，以 F-35戰(zhàn)機(jī)為 例，使用了 PHMJ術(shù)的飛機(jī)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(jī)的使用與保障費用比過去的機(jī)種減少了 50犯上，而使用壽命達(dá)8000飛行小時5。統(tǒng)計數(shù)據(jù)充分證明了 PHMfc降 低維修保障成本，提高武器裝備安全性、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，

17、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(jìn)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(jì)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

18、大損害。另一方面，PHMtg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(hù)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(hù)資源的目的。從社會效益來看，PHMK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(jì)收益， 同 時，能夠很大程度上節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境。綜上所述，PHMJ術(shù)在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等方面的效益還是非常可觀的。3、評估總結(jié)PHMJ術(shù)的發(fā)展，依賴于多種技術(shù)的綜合發(fā)展進(jìn)步，助于一種系統(tǒng)框架模式。 因此，要讓PHMK術(shù)的快速發(fā)展，需要多個學(xué)科和多種技術(shù)的共同

19、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(zhǔn)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(jìn)一步促進(jìn)歷史數(shù)據(jù)的分析，有助于促進(jìn)專家系統(tǒng)進(jìn)行綜合診斷，等等，這些都將加大的徐進(jìn)PHMi術(shù)在動車組上的進(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化，有助于更加高效的對于采集數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析， 數(shù)據(jù)學(xué)科和模型優(yōu)化理論的進(jìn)一步發(fā)展，也將進(jìn)一步促進(jìn)。（ 3)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建立。目前行業(yè)缺乏統(tǒng)一成型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一個成熟有效的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立， 能夠進(jìn)一步推動其產(chǎn)業(yè)化， 并逐步規(guī)范化， 更大程度上促進(jìn)其發(fā)