面向工業(yè)設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

曹明路　胡鋼　沈航　周峰

摘 ? 要： 隨著信息化和工業(yè)化融合發(fā)展的不斷推進(jìn)，工業(yè)設(shè)備的維護(hù)策略正在從原有的基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的被動(dòng)處理向基于綜合分析的主動(dòng)管控轉(zhuǎn)變，故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)被人們寄予厚望。為助力PHM技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范化落地應(yīng)用，在工業(yè)設(shè)備PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中引入信息物理系統(tǒng)（CPS）體系，搭建了涵蓋單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)層級(jí)化架構(gòu);并結(jié)合不同的網(wǎng)絡(luò)連接和云計(jì)算部署方式，明確了系統(tǒng)調(diào)用的數(shù)據(jù)種類范圍，提出了基于CPS的在線、離線、遠(yuǎn)程三種工業(yè)設(shè)備智能運(yùn)維模式，以滿足不同類型、規(guī)模的工業(yè)企業(yè)的設(shè)備維護(hù)保障需求。

關(guān)鍵詞： 信息物理系統(tǒng);故障預(yù)測(cè)與健康管理;工業(yè)設(shè)備;云計(jì)算;智能運(yùn)維

中圖分類號(hào)：TP393 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 04-069-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.013

引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)過程逐步向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的復(fù)雜度和開放性大大提高，其運(yùn)行管理和維護(hù)保障的精細(xì)化、科學(xué)化程度也相應(yīng)面臨更高的要求，傳統(tǒng)的事后維修、定期維護(hù)等方式已不再適用。起源于航空領(lǐng)域的故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)[1-3]，由于順應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代設(shè)備資產(chǎn)維護(hù)理念的發(fā)展趨勢(shì)，即從基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的被動(dòng)處理向基于綜合分析的主動(dòng)管控轉(zhuǎn)變，因此近年來(lái)引起了很多工業(yè)領(lǐng)域人士的關(guān)注和重視。

目前PHM技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的移植應(yīng)用仍處于起步階段，尚未形成可大規(guī)模復(fù)制推廣的解決方案，究其原因主要難題在于，通常參照視情維修開放體系結(jié)構(gòu)（OSA-CBM）進(jìn)行功能分層的PHM系統(tǒng)，如何與工業(yè)系統(tǒng)自下而上由設(shè)備/產(chǎn)線級(jí)、工廠/企業(yè)級(jí)、跨企業(yè)協(xié)同級(jí)構(gòu)成的層次化互聯(lián)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。為促進(jìn)PHM技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景的落地應(yīng)用，探索建立切合工業(yè)領(lǐng)域業(yè)務(wù)需求的PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)非常關(guān)鍵。

信息物理系統(tǒng)（CPS）作為支撐信息化和工業(yè)化深度融合的綜合使能技術(shù)體系，通過對(duì)核心技術(shù)要素的有機(jī)整合，為工業(yè)系統(tǒng)各層級(jí)各環(huán)節(jié)之間的交互和協(xié)同提供了穩(wěn)定、靈活、安全的運(yùn)行框架[4]。將CPS架構(gòu)引入PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用CPS基于數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系[5]，將有利于推進(jìn)PHM體系架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，加強(qiáng)PHM系統(tǒng)的集成性、可靠性和可擴(kuò)展性。已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)嘗試，提出利用CPS助力PHM系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的效用[6-8]。

本文基于《信息物理系統(tǒng)白皮書》中CPS的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層次[5]，提出了面向工業(yè)設(shè)備PHM系統(tǒng)的層級(jí)化CPS架構(gòu)，為構(gòu)建高效、可靠、實(shí)時(shí)協(xié)同的工業(yè)設(shè)備PHM系統(tǒng)提供了統(tǒng)一、柔性的參考框架，以支持PHM技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范化適配;對(duì)應(yīng)于PHM系統(tǒng)的邊緣側(cè)、私有云、公有云三種部署方式，進(jìn)一步梳理了工業(yè)CPS架構(gòu)下的三種設(shè)備智能運(yùn)維模式，推動(dòng)打造開放、協(xié)同的工業(yè)智能創(chuàng)新應(yīng)用體系。

1 ?PHM系統(tǒng)的信息—物理融合特征

PHM系統(tǒng)通過傳感技術(shù)全面采集設(shè)備信息，借助各種智能算法和推理模型，監(jiān)控、評(píng)估和管理設(shè)備健康狀態(tài)并預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)，提供一系列的維護(hù)保障決策及任務(wù)規(guī)劃建議，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)象的智能運(yùn)維[9]。其關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)和知識(shí)雙驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化建模，而這正是CPS的核心內(nèi)涵——對(duì)物理實(shí)體建立“數(shù)字孿生”，構(gòu)造虛擬空間與物理空間的實(shí)時(shí)映射和閉環(huán)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息的快速有效轉(zhuǎn)換。

CPS以數(shù)字孿生作為紐帶，跟蹤物理實(shí)體狀態(tài)變化，通過對(duì)數(shù)字虛體的智能分析來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)體行為，完成快速優(yōu)化決策并對(duì)實(shí)體精準(zhǔn)執(zhí)行，達(dá)成信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的有機(jī)融合和深度協(xié)作。由此可見，PHM系統(tǒng)是CPS技術(shù)體系在設(shè)備維護(hù)管理這一場(chǎng)景的集中應(yīng)用體現(xiàn)，具體從如下兩個(gè)方面進(jìn)行分析：

在數(shù)據(jù)流通上，PHM系統(tǒng)基于設(shè)備對(duì)象的數(shù)字化模型，形成狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的數(shù)據(jù)閉環(huán)，具備顯著的信息—物理融合特征，是典型的CPS應(yīng)用場(chǎng)景。

在應(yīng)用層次上，PHM系統(tǒng)需要支持邊緣側(cè)、私有云、公有云等不同部署方式下的設(shè)備運(yùn)維模式，與CPS單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)層級(jí)架構(gòu)相契合。

2 ?面向工業(yè)設(shè)備PHM系統(tǒng)的CPS架構(gòu)

2.1 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)

對(duì)應(yīng)于CPS標(biāo)準(zhǔn)層次體系，采用層級(jí)化設(shè)計(jì)和分布式部署，搭建與工業(yè)設(shè)備PHM系統(tǒng)功能分層相融合的CPS架構(gòu)，如圖1所示，由基于邊緣計(jì)算的單元級(jí)PHM、基于私有云的系統(tǒng)級(jí)PHM、基于公有云的系統(tǒng)之系統(tǒng)（SoS）級(jí)PHM組成。

系統(tǒng)架構(gòu)以現(xiàn)場(chǎng)層的邊緣計(jì)算設(shè)備、工廠層的私有云平臺(tái)、跨企業(yè)協(xié)同層的公有云平臺(tái)為3級(jí)計(jì)算控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行分層調(diào)度控制，通過CPS技術(shù)體系四大核心要素“一硬”（感知和自動(dòng)控制）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、“一平臺(tái)”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái)）[5]的逐級(jí)覆蓋和有機(jī)組合，構(gòu)成不斷延伸和擴(kuò)展的“感知—分析—決策—執(zhí)行”數(shù)據(jù)流動(dòng)閉環(huán)，涵蓋單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、SoS級(jí)的分布式PHM系統(tǒng)，包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康管理等主要功能模塊及數(shù)據(jù)處理、接口等輔助功能模塊，通過各個(gè)功能模塊的精準(zhǔn)調(diào)用和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)維護(hù)對(duì)象性能狀態(tài)的優(yōu)化管理。

CPS架構(gòu)的引入為PHM系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和性能提升提供了多個(gè)方面的支持和助力。在物理側(cè)，針對(duì)目前工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)感知采集的完整性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性問題，通過先進(jìn)的嵌入式傳感控制技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)底層數(shù)據(jù)的感知采集能力，為PHM系統(tǒng)形成支撐高級(jí)分析和智能優(yōu)化的底層海量數(shù)據(jù)源。在賽博側(cè)，針對(duì)目前工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)集成連通、計(jì)算分析工具能力不足的問題，通過打造新型的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，提升工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的集成度和計(jì)算分析水平，為PHM系統(tǒng)提供強(qiáng)大的計(jì)算工具和分析方法。

2.2 ?單元級(jí)PHM架構(gòu)

在現(xiàn)場(chǎng)層，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)等邊緣計(jì)算設(shè)備作為CPS最小單元，通過物理硬件（“一硬”）和自身嵌入式軟件系統(tǒng)、本地安裝的可擴(kuò)展設(shè)備模型和算法（“一軟”）及通信模塊，使用實(shí)時(shí)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷等分析運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果和決策建議反饋至現(xiàn)場(chǎng)顯控裝置（如人機(jī)界面、聲音指示、顏色指示等），經(jīng)過人的判斷后對(duì)工業(yè)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的管控維護(hù)操作，構(gòu)成最基本的“感知—分析—決策—執(zhí)行”數(shù)據(jù)流動(dòng)閉環(huán)，在設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、自主的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

2.3 ?系統(tǒng)級(jí)PHM架構(gòu)

在工廠層，通過設(shè)備用戶的企業(yè)私有云（“一硬一軟一網(wǎng)”）實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元級(jí)PHM的集成，從而與現(xiàn)場(chǎng)層的單元級(jí)PHM共同構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)PHM。系統(tǒng)級(jí)PHM基于單元級(jí)PHM節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和上傳，在私有云端調(diào)用設(shè)備歷史數(shù)據(jù)和算法模型，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和故障預(yù)測(cè)等分析運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果和決策建議推送至設(shè)備用戶的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），經(jīng)過人的判斷后對(duì)工業(yè)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的管控維護(hù)操作，在現(xiàn)場(chǎng)層和工廠層這一更大范圍內(nèi)形成“感知—分析—決策—執(zhí)行”的數(shù)據(jù)流動(dòng)閉環(huán)，對(duì)已接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)性、主動(dòng)性的維護(hù)保障。

2.4 SoS級(jí)PHM架構(gòu)

在跨企業(yè)協(xié)同層，通過公有云（“一硬一軟一網(wǎng)一平臺(tái)”）將多個(gè)單元級(jí)PHM節(jié)點(diǎn)的海量數(shù)據(jù)匯聚到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，在云平臺(tái)上調(diào)用設(shè)備歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)聚合、數(shù)據(jù)重組、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)安全授權(quán)、數(shù)據(jù)落地一系列流程進(jìn)行工業(yè)大數(shù)據(jù)處理，再調(diào)用設(shè)備模型、算法及知識(shí)庫(kù)，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、故障預(yù)測(cè)和健康管理等分析，并將計(jì)算結(jié)果和決策建議推送至設(shè)備用戶端、設(shè)備制造商端和設(shè)備服務(wù)商端的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)或供應(yīng)鏈管理（SCM）系統(tǒng)，或采用郵件、短信等方式進(jìn)行通知。經(jīng)過人的判斷后，設(shè)備用戶、設(shè)備制造商、設(shè)備服務(wù)商將對(duì)工業(yè)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的管控維護(hù)操作，從而在現(xiàn)場(chǎng)層、工廠層和跨企業(yè)協(xié)同層范圍內(nèi)形成“感知—分析—決策—執(zhí)行”的數(shù)據(jù)流動(dòng)閉環(huán)，對(duì)工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)洞察、最優(yōu)決策的全面健康管理。

3 ?基于CPS的工業(yè)設(shè)備智能運(yùn)維模式

針對(duì)上述涵蓋單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、SoS級(jí)的CPS架構(gòu)，結(jié)合不同的網(wǎng)絡(luò)連接和云計(jì)算部署方式，明確各級(jí)PHM所調(diào)用的數(shù)據(jù)種類范圍，并劃分為在線、離線、遠(yuǎn)程三種智能運(yùn)維模式，可支持不同類型、不同規(guī)模的工業(yè)企業(yè)按需選擇適用的服務(wù)。需要注意的是，本文中的在線、離線和遠(yuǎn)程均是相對(duì)工業(yè)設(shè)備端而言。

3.1 ?基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線運(yùn)維

對(duì)于某些安全保密要求較高、長(zhǎng)距離調(diào)度、運(yùn)行環(huán)境惡劣或者網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)的工業(yè)設(shè)備，要求PHM系統(tǒng)具備一定程度的自治性，在與外界隔離或者盡可能少的人為參與的情況下，仍然能夠完成設(shè)備維護(hù)任務(wù)。另外，對(duì)于某些特別關(guān)鍵的工業(yè)設(shè)備，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致很大損失，為此對(duì)PHM系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、敏捷性要求較高，希望能提升設(shè)備維護(hù)效率，最大限度地減少損失。

在上述情況下，只能或者應(yīng)盡可能地采用無(wú)需聯(lián)網(wǎng)的在線模式，利用“一軟一硬”形成單元級(jí)PHM的數(shù)據(jù)流動(dòng)閉環(huán)，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)用本地安裝的算法模型，通過邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)處理和分析，提供盡可能實(shí)時(shí)在線的預(yù)測(cè)、診斷和維修，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層的工業(yè)設(shè)備智能運(yùn)維，并通過本地計(jì)算保證設(shè)備信息的隱私性和安全性。

在線運(yùn)維模式適用的行業(yè)及場(chǎng)景有：保密性要求較高的行業(yè);食品、制藥等產(chǎn)品安全性較高的行業(yè);石油石化行業(yè)中的油氣管道、油庫(kù)等場(chǎng)景;電力行業(yè)中的發(fā)電、輸配電等場(chǎng)景;水務(wù)行業(yè)的污水處理、水利、灌溉等場(chǎng)景。

3.2 ?基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的離線運(yùn)維

集團(tuán)型企業(yè)在設(shè)備運(yùn)維方面，關(guān)注的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)資源的集中管控和內(nèi)部共享，同時(shí)保障工業(yè)信息安全，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升[10]。同時(shí)，集團(tuán)型企業(yè)通常在資金、技術(shù)、人才方面都擁有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，具備建設(shè)私有云的基礎(chǔ)。

因此集團(tuán)型企業(yè)宜采用離線模式，在私有云上部署與自身業(yè)務(wù)流程相契合的定制化PHM服務(wù)平臺(tái)，通過“一硬一軟一網(wǎng)”在企業(yè)內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)層和工廠層形成系統(tǒng)級(jí)PHM的數(shù)據(jù)流動(dòng)閉環(huán)，基于所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和從云端調(diào)用的歷史數(shù)據(jù)，加載云端的算法模型，對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和故障預(yù)測(cè)，通過私有云平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)更精確的診斷、預(yù)測(cè)結(jié)果和更適配的設(shè)備維護(hù)策略，并對(duì)集團(tuán)的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行集中維護(hù)管理，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)集團(tuán)在設(shè)備維護(hù)業(yè)務(wù)方面的協(xié)同管理和資源共享。但可能在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中造成一些時(shí)間延遲，此外需要設(shè)備用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)自行進(jìn)行更新和維護(hù)。

離線運(yùn)維模式適用的行業(yè)及場(chǎng)景有：軌道交通行業(yè)中的盾構(gòu)法隧道施工、鐵路調(diào)度管控等場(chǎng)景;電力行業(yè)中的風(fēng)電機(jī)組故障診斷等場(chǎng)景;石油石化行業(yè)中的鉆井平臺(tái)預(yù)測(cè)性維護(hù)等場(chǎng)景。

3.3 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程運(yùn)維

隨著工業(yè)設(shè)備智能化程度的提升，知識(shí)將在PHM系統(tǒng)中扮演更加重要的角色，而中小企業(yè)普遍面臨技術(shù)力量相對(duì)薄弱、資金有限、人才缺乏等問題，在設(shè)備維護(hù)方面亟需大量知識(shí)和工具的支持。對(duì)于中小企業(yè)來(lái)說，盲目建設(shè)私有云不僅增加自身負(fù)擔(dān)，還將造成一定程度的資源浪費(fèi)。

此外，由于設(shè)備用戶無(wú)法獲取工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造階段的信息，造成設(shè)備診斷和維護(hù)知識(shí)的匱乏。設(shè)備制造商雖然存儲(chǔ)了大量的工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品信息和知識(shí)，但又忽視了向設(shè)備產(chǎn)品生命周期后期的知識(shí)傳遞，造成知識(shí)斷層，難以對(duì)工業(yè)設(shè)備維護(hù)提供有效的支撐。

基于以上分析，PHM系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)支持工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程接入，在公有云端提供共性技術(shù)、工具、數(shù)據(jù)、知識(shí)等資源的共享和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)、全面的遠(yuǎn)程PHM服務(wù)，同時(shí)降低用戶的設(shè)備維護(hù)成本;并通過開放的方式，依靠先進(jìn)的軟、硬件資源和歷史診斷資源，不斷豐富知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)，廣泛吸收新的診斷方法。

采用遠(yuǎn)程模式的工業(yè)企業(yè)用戶將目標(biāo)設(shè)備接入公有云平臺(tái)后，可通過平臺(tái)的應(yīng)用軟件接口與網(wǎng)站、APP等進(jìn)行對(duì)接，利用平臺(tái)的軟硬件資源，按需獲取相關(guān)的PHM服務(wù)資源，基于所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、從云端調(diào)用的歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，并享用第三方平臺(tái)資源的維護(hù)更新服務(wù)，從而通過遠(yuǎn)程計(jì)算的共享性和協(xié)同性[10]，節(jié)約設(shè)備維護(hù)成本。

遠(yuǎn)程運(yùn)維模式適用的行業(yè)及場(chǎng)景有：汽車零配件、電子制造、機(jī)械加工、塑膠加工等中小企業(yè)居多的行業(yè)。

4 ?結(jié)論與展望

本文面向工業(yè)設(shè)備PHM系統(tǒng)，結(jié)合其功能分層，以邊緣計(jì)算設(shè)備、私有云平臺(tái)、公有云平臺(tái)為3級(jí)計(jì)算控制節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)層、工廠層和跨企業(yè)協(xié)同層的逐層擴(kuò)展，在不同范圍內(nèi)形成了“感知—分析—決策—執(zhí)行”的基于數(shù)據(jù)流動(dòng)的閉環(huán)賦能體系，從而構(gòu)建了覆蓋單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、SoS級(jí)的CPS架構(gòu)。

通過各層級(jí)CPS的集成，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素的互聯(lián)互通，并基于物理空間與賽博空間之間的相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同，逐步實(shí)現(xiàn)各個(gè)要素的云化，進(jìn)而支持用戶在云平臺(tái)上對(duì)軟硬資產(chǎn)進(jìn)行有效的管理、配置與優(yōu)化，完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)從應(yīng)用層、平臺(tái)層到邊緣層的技術(shù)下沉和業(yè)務(wù)貫通。

通過工業(yè)設(shè)備PHM系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程診斷、故障預(yù)測(cè)、健康管理等功能模塊的靈活調(diào)度，全面科學(xué)管理設(shè)備健康狀態(tài)，打造設(shè)備全生命周期的業(yè)務(wù)協(xié)同體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備用戶、設(shè)備制造商、設(shè)備維護(hù)商的全數(shù)字化打通，并為各類工業(yè)企業(yè)按需提供在線、離線、遠(yuǎn)程3種模式的智能運(yùn)維服務(wù)，構(gòu)建工業(yè)行業(yè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)新模式。

CPS閉環(huán)賦能體系的加成將大大加強(qiáng)PHM技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的落地可行性，提升各細(xì)分行業(yè)和場(chǎng)景的運(yùn)作效率，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

曹明路（1991—），女，湖北人，博士。研究方向：工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)等。

胡鋼（1989—），男，山西人，碩士。研究方向：工業(yè)控制系統(tǒng)。

沈航（1983—），男，陜西人，碩士。研究方向：工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)通信設(shè)備。

周峰（1982—），通信作者，男，北京人，在讀博士。研究方向：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、工控安全等。

E-mail： zhoufeng@cstc.org.cn

（收稿日期：2020-07-03）

Design of the Cyber-Physical System Architecture for Prognostics and Health Management System of Industrial Equipment

CAO Ming-lu1， HU Gang2， SHEN Hang2， ZHOU Feng1，3

（1. Research Center for Computer and Microelectronics Industry Development （China Software Testing Center）， MIIT， Beijing 100048， China;

2. EVOC Intelligent Technology Company Limited， Shenzhen 518057， China;

3. School of Information and Communication Engineering， Xi'an Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract： With the continuous advancement of the integration of informationization and industrialization， the strategy of industrial equipment maintenance is changing from the conventional passive operation based on condition monitoring to the active management and control based on comprehensive analysis. Therefore， prognostics and health management （PHM） technology has drawn much attention. To facilitate the standardized application of PHM technology in industrial scenes， the cyber-physical system （CPS） is introduced in the design of PHM system for industrial equipment， and thus building a hierarchical architecture covering the unit level， the system level and the system-of-systems level. Corresponding to different modes of network connection and cloud-computing deployment of the PHM system， three CPS based intelligent operation and maintenance modes for industrial equipment， namely online mode， offline mode and remote mode， are proposed to meet the various needs of industrial enterprises of different types and scales.

Key words： Cyber-Physical System; Prognostics and Health Management; Industrial Equipment; Cloud Computing; Intelligent Operation and Maintenance