論自我維護(hù)與免疫工程系統(tǒng)

張 一

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071000）

1 自我維護(hù)與免疫工程簡介

為了滿足技術(shù)環(huán)境對動態(tài)性不斷增強(qiáng)的需求，現(xiàn)代工程系統(tǒng)和制造工藝已經(jīng)變得越來越復(fù)雜.與此同時，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性也成為了目前具有較強(qiáng)難度和較高度挑戰(zhàn)性的任務(wù).因此，自我維護(hù)與免疫工程應(yīng)運(yùn)而生.該技術(shù)的萌芽產(chǎn)生于一些研究者們主張可以把自我維護(hù)與免疫工程中的故障檢測與健康管理應(yīng)用于系統(tǒng)生命周期管理中[1].因?yàn)槊髦O(shè)備故障而進(jìn)行提前預(yù)防，其所耗費(fèi)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于事故發(fā)生后所產(chǎn)生的大量金錢和時間上的浪費(fèi)，具有提高產(chǎn)品質(zhì)量和業(yè)務(wù)整體可靠性和安全性等優(yōu)點(diǎn)，自我維護(hù)與免疫工程得到了學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)同和關(guān)注.

由于使用了傳感器、儀表、控制器及計(jì)算設(shè)備等儀器和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、匹配矩陣和隱馬爾科夫模型等智能算法，現(xiàn)代機(jī)器設(shè)備已經(jīng)具有了可以取代原有“失敗然后修復(fù)”的新模式：“預(yù)測然后避免”.顯然，這種新模式具有更高的穩(wěn)定性，也要求更多的技術(shù)進(jìn)行維持.目前，越來越多的工作轉(zhuǎn)向了自我維護(hù)與免疫工程.這種技術(shù)側(cè)重于以下三點(diǎn)：早期健康檢測、目前狀況評估和剩余使用時間預(yù)測.

實(shí)際應(yīng)用中，自我維護(hù)與免疫工程的發(fā)展基于知名的維護(hù)方法和診斷技術(shù).現(xiàn)實(shí)常見的有：防護(hù)檢修、以可靠性為中心的檢修和狀態(tài)維護(hù).但是隨著時代的發(fā)展和技術(shù)上的要求，三者已經(jīng)很難單獨(dú)完成工程建設(shè)的所有要求，故而在實(shí)踐操作和科研研究中，又逐漸形成了自主計(jì)算、工程免疫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、彈性系統(tǒng)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)等技術(shù).各種方法技術(shù)及其之間的關(guān)系如表1所示.

表1 各種方法技術(shù)之間的關(guān)系

2 自我維護(hù)與免疫工程的基本概念和原理

任何一個自我維護(hù)與免疫工程系統(tǒng)都需要面對它們的“地基”：可靠性、穩(wěn)健性和彈性.

可靠性是任何工業(yè)關(guān)鍵性能的指標(biāo)，是一個系統(tǒng)在特定的時間特定的操作方式下無失誤地執(zhí)行其功能的系統(tǒng)概率.然而由于時間推移，曾經(jīng)具有極高可靠性的機(jī)器仍然會面臨磨損和可靠性降低的問題[2].故而，一種思想是通過強(qiáng)大的技術(shù)來設(shè)計(jì)一個可靠性的系統(tǒng)及如何來維持這樣的可靠性.

穩(wěn)健性是指設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)具有能夠達(dá)到預(yù)期效果的能力.如果系統(tǒng)被認(rèn)為是穩(wěn)健的，那么顯然系統(tǒng)的靈敏度也會相應(yīng)降低.靈敏度的降低從另一方面看也具有一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，即其能夠在一定故障中依然保持穩(wěn)定.如果一個系統(tǒng)被認(rèn)為是穩(wěn)健的，那么顯然它是可靠的[3]，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)和可靠為中心設(shè)計(jì)的目的都是為了能夠使產(chǎn)品在最大程度上不受到干擾.

彈性是指系統(tǒng)可以抵抗任何侵害的能力.一個系統(tǒng)如果被稱之為具有彈性，那么其代表著隨著時間的推移和自主運(yùn)算，一個出現(xiàn)故障的系統(tǒng)功能將逐漸恢復(fù)到一個平衡的狀態(tài)，即它可適應(yīng)極大的擾動和變化[4].穩(wěn)健性和彈性在系統(tǒng)中是一個相互關(guān)聯(lián)的平衡體[5，6]：當(dāng)一個系統(tǒng)面臨未知風(fēng)險(xiǎn)是表現(xiàn)極為穩(wěn)健，研究者們通?？梢哉J(rèn)為這個系統(tǒng)是具有彈性的.

然而，隨著通信技術(shù)前所未有的發(fā)展進(jìn)步以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使用量的增多，管理系統(tǒng)的控制復(fù)雜性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人力所能處理的范疇[7].為了試圖解決這類矛盾，IBM公司已于2001年宣布他們將使用自主計(jì)算方法來解決這一阻礙信息科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素.IBM公司這一技術(shù)旨在通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建一種能夠在一定程度上進(jìn)行自我計(jì)算的系統(tǒng)，并且使人工干預(yù)降到最低.這種思想極其類似于人類的神經(jīng)系統(tǒng)：并非通過人的意識而是通過其系統(tǒng)的非意識反應(yīng)來調(diào)節(jié)其身體的血流量和血糖值等水平[8].當(dāng)然，這種自主計(jì)算方法最重要的是需要一個能夠掌控全局的控制器.這個控制器能夠掌握整個整個系統(tǒng)的狀態(tài)和動態(tài)，監(jiān)察每一個組件的變量是否超越顛覆界限，并在出現(xiàn)問題時引發(fā)系統(tǒng)自主計(jì)算指令以調(diào)節(jié)和平衡其內(nèi)部環(huán)境.

同樣，由于受到人體免疫功能的啟發(fā)，在信息領(lǐng)域中研究者們設(shè)計(jì)了一種名為人工免疫系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)，其功能正如其名：保護(hù)系統(tǒng)免受外部攻擊和內(nèi)部故障之憂.人工免疫系統(tǒng)試圖復(fù)制生物免疫系統(tǒng)的一些功能，實(shí)現(xiàn)生物系統(tǒng)般的處理能力，例如特征提取、模式識別、學(xué)習(xí)記憶和函數(shù)優(yōu)化等[9，10].這種系統(tǒng)可以通過優(yōu)越的自適應(yīng)能力和大規(guī)模同時處理能力完成人們在工程領(lǐng)域的實(shí)際需要[11].然而，正如自然界的生物系統(tǒng)一樣，這種人工免疫系統(tǒng)由于其龐雜的組件和錯綜復(fù)雜的組件關(guān)聯(lián)，在理論上達(dá)到實(shí)現(xiàn)也是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作.

還有，一些研究者向如何提高系統(tǒng)在故障情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行大量的研究，即容錯控制系統(tǒng).容錯控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，通過在檢測故障的基礎(chǔ)上，在一定條件的故障下依然容納系統(tǒng)正常運(yùn)作而實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的穩(wěn)定性，展現(xiàn)良好的系統(tǒng)工作性能而受到研究者的認(rèn)可.近年來，高端工程系統(tǒng)對對故障檢測與診斷和適當(dāng)容錯以實(shí)現(xiàn)可靠、可持續(xù)的生產(chǎn)流程的強(qiáng)烈需求刺激了科研界對于容錯控制系統(tǒng)的普遍關(guān)注[12].一般而言，容錯控制系統(tǒng)被分為有源容錯控制系統(tǒng)和無源容錯控制系統(tǒng)，由于有源容錯控制系統(tǒng)在控制器上的靈活性和其在系統(tǒng)中表現(xiàn)出的更好的包容性，目前在研究領(lǐng)域和實(shí)踐中都以有源容錯控制系統(tǒng)更為普遍.

3 自我免疫技術(shù)的基本構(gòu)造

自我修護(hù)是一個新的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)方法.一個自我修護(hù)的機(jī)器可以監(jiān)視和診斷其本身.如果產(chǎn)生了任何類型的故障，自我修護(hù)的系統(tǒng)也可以在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定.一個自我修護(hù)的設(shè)計(jì)并不屬于傳統(tǒng)的物理維護(hù)，而是一種名為功能維護(hù)的設(shè)計(jì).功能維護(hù)旨在恢復(fù)因部分組件退化而造成的系統(tǒng)故障，而物理維護(hù)只是通過修補(bǔ)故障組建，從而力求達(dá)到系統(tǒng)的初始化.如何實(shí)現(xiàn)自我修護(hù)目前主要依賴于添加一個足夠聰明的“大腦”，即額外的嵌入式推理系統(tǒng).

另一個達(dá)到自我修護(hù)目的的方法是將自主服務(wù)觸發(fā)功能添加到機(jī)器中.該機(jī)器將自我監(jiān)控、自我運(yùn)行，發(fā)生問題后自動觸發(fā)請求詳細(xì)信息和明確維護(hù)要求的信息.而其具體的維護(hù)還是由專業(yè)的人工團(tuán)隊(duì)所完成的.雖然如此，由于其大大減少了人工團(tuán)隊(duì)的工作量，并且同時做到了個性化定制，在最大程度地降低營運(yùn)成本的基礎(chǔ)上提高客戶的滿意度水平，因此這一方法在實(shí)踐中依然十分有市場.

除了彈性系統(tǒng)和自我維護(hù)，目前研究人員普遍認(rèn)為，故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)將是下一代系統(tǒng)維護(hù)方法.類比于生物的免疫系統(tǒng)抵御入侵感染的病原體并將其識別和殺死，故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)也可以在不確定下解決高度復(fù)雜的機(jī)械維修問題.不同于前面所提到的系統(tǒng)維護(hù)方法，故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的最高目標(biāo)是最少的人的干預(yù).其理念在于，整合多種上述已經(jīng)成熟的系統(tǒng)維護(hù)手段，在多變的環(huán)境下保持穩(wěn)健和彈性，在動態(tài)中學(xué)習(xí)并積極應(yīng)對“感染”.通過增強(qiáng)內(nèi)控和將“被感染”的經(jīng)驗(yàn)記錄于數(shù)據(jù)庫之中，來提高其對于未來的預(yù)測功能.

故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)致力于應(yīng)用智能機(jī)器來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，具體而言，是開發(fā)一個集成預(yù)測與維修多種功能于一體的系統(tǒng)平臺.為了得到這樣一個平臺，首先要開發(fā)關(guān)鍵子系統(tǒng)作為支撐平臺.其次，還有升級現(xiàn)有預(yù)測系統(tǒng).同時，還要附加外部傳感器和控制器以檢測故障信息并生成報(bào)告.

故障預(yù)測和健康管理技術(shù)超越了狀態(tài)維修，成為了一個獨(dú)立的工程.預(yù)測未來狀態(tài)的系統(tǒng)將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的概念，比如工程免疫系統(tǒng).工程免疫系統(tǒng)試圖避免失敗和大擾動而不是通過應(yīng)用傳統(tǒng)控制或恢復(fù)系統(tǒng)物理維護(hù)來進(jìn)行補(bǔ)償.雖然近年來隨著各方的不懈探索，自我維護(hù)和免疫工程系統(tǒng)已經(jīng)有了很多大的突破，但是對于其的追索還有很長的路要走.

〔1〕Uckun, S., Goebel, K., & Lucas, P.J.F.(2008).Standardizing research methods for prognostics.In 2008 international conference on prognostics and health management,Denver,CO,USA.

〔2〕Endrenyi,J.et al.(2001).The present status of maintenance strategies and the impact of maintenance on reliability.IEEE Transactions on Power Systems,16(4),638–646.

〔3〕Yang, G.(2007).Life cycle reliability engineering.John Wiley & Sons.Zhang, Youmin, & Jiang, Jin (2008).Bibliographical review on reconfigurable faulttolerant control systems.Annual Reviews in Control,32,229–252.

〔4〕Fiksel,J.(2003).Designing resilient,sustainable systems.Environmental Science and Technology, 37, 5330–5339.

〔5〕Bjorn EgilAsbjornslett,A.M.R.(1999).Assess the vulnerability of your production system.Production Planning and Control,10(3),219–229.

〔6〕Einarsson, S., &Rausand, M.(1998).An approach to vulnerability analysis of complex industrial systems.Risk Analysis,18(5),535–545.

〔7〕IBM Corporation(2001).Autonomic computing:IBM’s perspective on the state of information technology.

〔8〕Kephart, D.M.C.(2003).The vision of autonomic computing.IEEE Computer,36(1),41–50.

〔9〕Dasgupta,D.,Zhou,J.,&Gonzalez,F.(2003).Artificial immune system (AIS)research in the last five years.In R.R.R.Sarker,Hu.Abbass,K.Chen Tan,B.McKay,D.Essam, & T.Gedeon (Eds.), Proceedings of The Congress on Evolutionary Computation (CEC 2003)(pp.123–130).Canberra,Australia:IEEE Press.

〔10〕Floreano,D.,&Mattiussi,C.(2008).Bio-inspired artificial intelligence: Theories, methods, and technologies.The MIT Press.

〔11〕Hofmeyr,Steven A.,&Forrest,S.(2000).Architecture for an Artificial Immune System.Evolutionary Computation 8(4),443–473.

〔12〕Zhang, Youmin, & Jiang, Jin (2008).Bibliographical review on reconfigurable faulttolerant control systems.Annual Reviews in Control,32,229–252.