PHM 知識(shí)管理與信息處理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

李 瑤，吳國新，尚 彤，徐小力

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

為了實(shí)施“中國制造2025”和落實(shí)《國家發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃》（2014—2020 年）發(fā)展規(guī)劃，對(duì)加快制造業(yè)裝備的科學(xué)維護(hù)提出了迫切需求。開展“世界城市循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)——整體科技創(chuàng)新能力提升計(jì)劃”項(xiàng)目研究，通過面向循環(huán)經(jīng)濟(jì)的設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究，構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系中的安全保障體系，有利于經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)。

20 世紀(jì)90 年代中期，PHM（Prognostics Health Management，故障預(yù)測(cè)及健康管理）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其機(jī)理是通過零部件、設(shè)備或者生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)預(yù)測(cè)未來的健康狀態(tài)，判斷是否失效或何時(shí)失效并采取相應(yīng)的措施。針對(duì)PHM 不適用于所有對(duì)象的特點(diǎn)，開展設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)。

1 PHM 技術(shù)概述

PHM 技術(shù)是指采用傳感器信息、專家知識(shí)及維修保障信息，借助各種智能算法與推理模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、判別以及管理，實(shí)現(xiàn)低虛警率的故障檢測(cè)與隔離，并最終實(shí)現(xiàn)智能任務(wù)規(guī)劃及基于設(shè)備狀態(tài)的智能維護(hù)，以取代傳統(tǒng)的基于事件的事后維修或基于事件的定期維修[1]。

PHM 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高端機(jī)械裝備安全保障的必要研究方向。不同于以往基于使用計(jì)劃的維護(hù)方式（例如不論是否有必要，都按照固定時(shí)間間隔執(zhí)行維護(hù)），PHM 是根據(jù)具體需求在故障發(fā)生前對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，從而對(duì)后續(xù)操作形成指導(dǎo)依據(jù)[2]。如圖1所示，PHM 技術(shù)主要經(jīng)過被動(dòng)維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)、基于狀態(tài)的維護(hù)、故障預(yù)測(cè)及健康管理的發(fā)展過程[3]。

圖1 PHM 技術(shù)發(fā)展過程

近年來，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，PHM 的內(nèi)涵也愈發(fā)豐富，涵蓋了廣泛的工藝過程、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)、影響性能的因素、影響設(shè)備關(guān)鍵性的要素（如機(jī)器停工期成本、更換成本）、不同機(jī)器類型的相關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)（如溫度、壓力和振動(dòng)）、故障和失效關(guān)聯(lián)的可能性、過程質(zhì)量控制、生產(chǎn)活動(dòng)規(guī)劃與優(yōu)化等內(nèi)容。PHM 還通過數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和使用監(jiān)測(cè)集成的維護(hù)操作，支持系統(tǒng)和設(shè)備高度互聯(lián)的智能制造。

在技術(shù)維度上，PHM 廣泛使用各種新技術(shù)，如智能傳感、機(jī)器學(xué)習(xí)、線性規(guī)劃、圖像識(shí)別等；在應(yīng)用領(lǐng)域的寬度上，PHM 也從航空航天領(lǐng)域擴(kuò)展到智慧能源、連續(xù)制造、機(jī)加工、半導(dǎo)體與電子制造、智慧交通、海洋裝備等領(lǐng)域[4]。PHM 具有極廣泛的意義與價(jià)值。如圖2 所示，在預(yù)防管理上，PHM 可以增加安全性與可靠性，并減少間接的危險(xiǎn)。在維護(hù)管理上，PHM 可以減少日常維護(hù)費(fèi)用，并減少不必要的維護(hù)。PHM 的意義遠(yuǎn)不止于此，PHM的意義隨著用戶的需求變化而變化，將PHM 應(yīng)用在維護(hù)領(lǐng)域，將帶來巨大的效益[5]。

圖2 PHM 的意義與價(jià)值

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)背景

目前，我國正處在建設(shè)世界城市循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的階段，對(duì)安全保障水平的要求愈來愈高，遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能診斷、物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算等相關(guān)現(xiàn)代技術(shù)不斷出現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)高效的高端機(jī)械裝備安全保障，其核心環(huán)節(jié)是通過裝備安全保障體系（狀態(tài)獲取、信息集成、信號(hào)處理、信息傳輸、安全監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)與信息管理等），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)的裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和故障預(yù)警、安全服役性能分析與評(píng)價(jià)等[6]。構(gòu)建一個(gè)知識(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)——PHM 研發(fā)平臺(tái)知識(shí)管理與信息化處理系統(tǒng)，將與PHM 相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊、學(xué)位論文、標(biāo)準(zhǔn)、專利、科技成果、政策法規(guī)等信息資源管理起來，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)歸集，供學(xué)校師生使用。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本知識(shí)管理平臺(tái)覆蓋學(xué)術(shù)期刊、論文、會(huì)議、專利等文獻(xiàn)類型。不僅支持對(duì)知識(shí)實(shí)現(xiàn)一框式檢索，而且支持高級(jí)、多條件檢索。知識(shí)管理平臺(tái)將全面服務(wù)于教師、學(xué)生、校外專家及校外科研人員。

以全流程無紙化辦理為原則，涵蓋成果提交、委托、存取、授權(quán)等流程。構(gòu)建以科研人員為中心的“知識(shí)獲取+知識(shí)管理+成果產(chǎn)出”式管理體系，系統(tǒng)頁面布局合理，欄目功能定位清晰，操作簡單便捷。該系統(tǒng)基于瀏覽器的B/S 架構(gòu)，開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2010，客戶端展現(xiàn)交互界面，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和展現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫采用SQL SERVER。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從PC 客戶端錄入，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器并保存。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 總體描述

PHM 系統(tǒng)主要包括PHM 研發(fā)平臺(tái)知識(shí)管理與信息化處理前臺(tái)和現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)管理后臺(tái)。系統(tǒng)各部分所包括的功能模塊及各模塊之間的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 PHM 系統(tǒng)模塊

3.2 前臺(tái)功能模塊及成果展示

PHM 研發(fā)平臺(tái)知識(shí)管理與信息化處理前臺(tái)主要包括知識(shí)管理&專題、研究人員、知識(shí)學(xué)習(xí)、知識(shí)下載、知識(shí)新得等5 個(gè)主要模塊。該系統(tǒng)支持多種檢索方式進(jìn)行搜索成果，并支持成果瀏覽。檢索方式支持一框式檢索，可根據(jù)標(biāo)題、作者、來源、關(guān)鍵詞、摘要檢索知識(shí)成果。檢索方式也支持高級(jí)檢索，多種查詢條件組合查詢。本校收集的PHM 技術(shù)成果，根據(jù)權(quán)限可以進(jìn)行瀏覽并下載；其他文獻(xiàn)則可以查詢文獻(xiàn)基本內(nèi)容。

（1）PHM 研發(fā)平臺(tái)知識(shí)管理與信息化處理系統(tǒng)首頁如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)首頁

（2）知識(shí)管理&專題模塊主要展示了實(shí)驗(yàn)室保存上傳的關(guān)于故障診斷的一些文獻(xiàn)資料，用戶可按照文獻(xiàn)類型、語種、重要成果進(jìn)行分類搜索，根據(jù)個(gè)人需要瀏覽下載，如圖5 所示。

圖5 知識(shí)管理&專題

（3）知識(shí)學(xué)習(xí)模塊主要包括當(dāng)前故障診斷的最新前沿技術(shù)資料以及實(shí)驗(yàn)室主要項(xiàng)目資料，如圖6 所示。

圖6 知識(shí)學(xué)習(xí)

（4）知識(shí)下載模塊主要包括控制診斷檢測(cè)系統(tǒng)、咨詢報(bào)告、圖像處理、測(cè)厚儀資料等可供下載的資源，如圖7 所示。

圖7 知識(shí)下載

（5）研究人員模塊主要包括實(shí)驗(yàn)室研究人員、教師的基本信息、研究方向等成果展示。知識(shí)新得模塊可供用戶針對(duì)該系統(tǒng)或者是相關(guān)知識(shí)問題進(jìn)行留言，如圖8 所示。

圖8 知識(shí)新得留言

4 結(jié)語

PHM 技術(shù)發(fā)展的根本目的要求PHM 信息集成使用。PHM研發(fā)平臺(tái)知識(shí)管理與信息化處理系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)PHM——故障預(yù)測(cè)與健康管理為主要服務(wù)目標(biāo)，充分發(fā)揮保障信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，為裝備健康管理提供依據(jù)，增強(qiáng)保障工作的時(shí)效性和針對(duì)性。該系統(tǒng)已通過驗(yàn)收并上線使用，系統(tǒng)各功能運(yùn)行穩(wěn)定且界面友好、操作簡便，各模塊功能完善，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室科研原始數(shù)據(jù)信息匯總及師生瀏覽查詢的理想效果。通過當(dāng)前故障診斷前沿技術(shù)的引入，滿足了師生學(xué)習(xí)的需求。

隨著故障診斷領(lǐng)域以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)故障診斷與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的要求也越來越高，構(gòu)建一個(gè)知識(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)——PHM 研發(fā)平臺(tái)知識(shí)管理與信息化處理系統(tǒng)確是迫切需要的，通過平臺(tái)將當(dāng)前故障診斷的前沿資料收集整合集中展現(xiàn)，并提供多途徑知識(shí)管理與信息化處理方式，為開展本領(lǐng)域科研工作提供信息化管理，可提高工作效率且具有示范需求的重要意義。