人工智能和數(shù)據(jù)挖掘在人機工程PHM中的應用

姜喜民

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東省青島市 266000）

人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術都是基于現(xiàn)代社會科學技術水平不斷提高的基礎上發(fā)展起來的，這種技術的出現(xiàn)和大規(guī)模應用不僅極大地改變了人們的生活方式，還為各個行業(yè)和領域的生產(chǎn)經(jīng)營效率的提高提供了更加科學的依據(jù)。人機工程是我國現(xiàn)代社會發(fā)展過程中比較重要的一個行業(yè)，將人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術應用到人機工程的PHM當中，對促進人機工程的發(fā)展具有重要的作用。

1 人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術

1.1 人工智能

智能化是工業(yè)社會發(fā)展到一定階段的必然趨勢，對于社會的發(fā)展階段來說，智能化的誕生和應用標志著人類社會已經(jīng)逐漸步入到現(xiàn)代化的社會發(fā)展階段。智能化技術的應用雖然能夠在一定程度上代替人工的勞動，但由于智能化技術本身是由人工創(chuàng)造并應用的，因而智能化技術也被稱為人工智能。人工智能在應用的過程中需要借助計算機技術和網(wǎng)絡信息技術來實現(xiàn)對各種機械化設備的操作和應用[1]。而在人工智能實行操作指令的過程中，各種結構和形式的數(shù)據(jù)信息是其能夠執(zhí)行指令的最主要原因。在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中，人工智能越來越擁有廣泛的應用，在越來越追求工作效率和質量的社會發(fā)展過程中，人工智能有著很好的發(fā)展前景。

1.2 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是現(xiàn)階段各個行業(yè)和領域在研發(fā)生產(chǎn)技術以及各種專業(yè)的知識體系和規(guī)律過程中比較常用的一種技術[2]。這種技術在實際的應用過程中也主要是依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)技術和網(wǎng)絡信息技術來實現(xiàn)的，它能夠從計算機中含有的大量而毫無章法的數(shù)據(jù)中分析和提取出能夠用于各個行業(yè)和領域發(fā)展的數(shù)據(jù)信息，并將其以規(guī)則、概念、規(guī)律等形式呈現(xiàn)在研究人員面前。從一定意義上來說，人工智能與數(shù)據(jù)挖掘之間有著緊密的聯(lián)系，在網(wǎng)絡信息技術不斷發(fā)展的過程中，人工智能與數(shù)據(jù)挖掘也會朝著不斷相互融合的方向發(fā)展。而隨著社會生產(chǎn)要素種類的不斷增多，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)挖掘技術在被應用到各個行業(yè)和領域中時，會根據(jù)應用的范圍和情況不同應用不同種類的數(shù)據(jù)挖掘工具，即特定領域的數(shù)據(jù)挖掘工具和通用的數(shù)據(jù)挖掘工具。

1.3 發(fā)展人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術的意義

智能化技術的出現(xiàn)和應用不僅能夠改變?nèi)藗兊纳罘绞?，還能夠推動社會在不斷的發(fā)展過程中產(chǎn)生巨大的變革?，F(xiàn)代化和高科技一直是社會發(fā)展的主要目標，這種目標的實現(xiàn)不僅標志著人類社會步入了一個新的時代，還能夠對現(xiàn)代社會的各個行業(yè)和領域起到促進的作用[3]。致力于人工智能技術的研發(fā)和應用，不僅能夠提高我國在國際市場上的經(jīng)濟實力，還能夠對人類的科研事業(yè)提供更加先進的借鑒經(jīng)驗。而數(shù)據(jù)挖掘技術作為很多高科技技術研發(fā)和應用的基礎，在未來的社會發(fā)展過程中不僅能夠提高研發(fā)工作的效率和質量，還能夠使得數(shù)據(jù)庫在各個行業(yè)和領域的發(fā)展過程中發(fā)揮更大的作用。

2 人機工程PHM

2.1 PHM系統(tǒng)

PHM也被稱為故障預測與健康管理，早期被發(fā)明出來時主要應用于航空發(fā)動機領域，這種技術在實際的應用過程中不僅能夠對飛機的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控，還能夠通過對飛機在實際飛行過程中的各部分運行參數(shù)的分析來對其進行健康管理和故障檢測。這種作用在航空發(fā)動機的檢測過程中產(chǎn)生良好的效果之后，被逐漸應用到各種機械設備的故障檢測和維修過程中[4]。這種技術在實際的應用過程中不僅能夠通過數(shù)據(jù)信息的運行來實現(xiàn)自主診斷和預測，還能夠對整個設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，因而在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中逐漸有著越來越廣泛的應用。

2.2 PHM系統(tǒng)的開發(fā)難點

PHM系統(tǒng)能夠應用的主要條件就是擁有海量的數(shù)據(jù)庫信息和對機械設備健康狀況的運行判斷能力，而數(shù)據(jù)庫和這種健康判斷能力都主要是依據(jù)PHM系統(tǒng)中的預測和健康模型來完成的[5]?，F(xiàn)階段我國在PHM系統(tǒng)的研發(fā)和應用過程中仍缺少相關的經(jīng)驗借鑒，對于PHM的研發(fā)仍處于初期的發(fā)展階段。作為最早應用PHM的航空領域也無法自主研發(fā)PHM系統(tǒng)。這就導致PHM在我國的發(fā)展過程中存在較大的困難和阻礙。PHM系統(tǒng)本身在航空領域能夠發(fā)揮重要的作用，而我國航空航天領域的發(fā)展需求使得對PHM系統(tǒng)的研發(fā)和制造任務比較重要。

2.3 故障預診斷與健康管理

在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中，PHM系統(tǒng)作為一種設備故障的檢測手段，能夠在企業(yè)的發(fā)展過程中發(fā)揮重要的作用。故障預判斷以及健康管理是PHM系統(tǒng)在實際的應用過程中最為主要的兩個基本功能[6]。故障預診斷主要是指在企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營過程中通過應用PHM系統(tǒng)能夠對正處于運行狀態(tài)的設備進行實時的監(jiān)控和診斷，以便及時發(fā)現(xiàn)一些運行參數(shù)出現(xiàn)異常的設備，進而保證企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營過程，減少因設備故障而造成的企業(yè)經(jīng)濟效益的損失。

健康管理則主要是指將企業(yè)運行的各種設備運行狀態(tài)的好壞納入到企業(yè)的日常工作內(nèi)容范圍當中，在保證各種設備正常運行的同時，能夠通過對設備的日常養(yǎng)護和維修來保證設備的正常運行，進而保證企業(yè)正常的生產(chǎn)秩序的一項管理工作。設備的健康管理是要以設備運行的數(shù)據(jù)為基礎的，在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中，各種機械設備的更新?lián)Q代以及設備數(shù)據(jù)信息的增加使得企業(yè)必須重視健康管理對保證企業(yè)機械設備正常運行的作用。

2.4 人機工程中的PHM系統(tǒng)

人機工程普遍存在于現(xiàn)代社會發(fā)展過程中的各個行業(yè)和領域，這種工程的知識體系主要是通過研究人體在使用機械設備的過程中身體各項機能的變化來對機械設備的技術進行調整，讓機械設備的使用能夠符合人體工學的相關知識和運動規(guī)律。在人機工程中應用PHM系統(tǒng)，不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)機械設備在運行過程中出現(xiàn)的異常情況，還能夠對保障使用機械設備的工作人員的生命安全起到一定的作用。而在人機工程的研究過程中，PHM系統(tǒng)的研發(fā)不僅需要考慮到人機工程學的相關原理，還要做好數(shù)據(jù)信息的分析和處理工作。

3 人工智能和數(shù)據(jù)挖掘在人機工程PHM中應用的具體分析

PHM系統(tǒng)在實際的應用過程中不僅能夠體現(xiàn)一定的自主性，還需要借助海量的數(shù)據(jù)庫才能夠完成相關的工作。而這兩點性質也使得其能夠借助人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術的應用來提高自身的技術水平。而對于人機工程中的PHM系統(tǒng)來說，應用人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術不僅符合其自身的發(fā)展趨勢，還能夠為各種應用人機工程的行業(yè)和領域的發(fā)展提供支持。在對人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術在人機工程PHM中的應用進行分析時，主要可以從以下幾個方面來著手：

3.1 基于人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術的PHM平臺

PHM平臺是現(xiàn)階段企業(yè)應用PHM系統(tǒng)的主要呈現(xiàn)形式，在將人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術應用到企業(yè)的PHM系統(tǒng)中時，通過PHM平臺的建立不僅能夠為企業(yè)提供更加精準的信息決策的依據(jù)，還能夠大大提高企業(yè)決策和工作開展的效率，在提高企業(yè)工作效率的同時讓企業(yè)能夠獲得更大的經(jīng)濟效益，進而通過企業(yè)的發(fā)展來促進整個社會的發(fā)展。

3.1.1 PHM平臺的主要功能架構

現(xiàn)代企業(yè)在應用PHM系統(tǒng)的過程中逐漸形成了一種比較科學的PHM平臺架構，這種架構在實際的應用過程中借助人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術的信息處理和分析手段將整個數(shù)據(jù)信息處理的過程分為源數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)儲存層、算法邏輯層以及應用層四個主要的層級。在應用PHM系統(tǒng)的過程中，這些不同的層級能夠嚴格按照一定的順序來對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中的各種機械設備運行的健康狀態(tài)進行檢測，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析、狀態(tài)診斷、維修專家?guī)斓裙δ堋?/p>

數(shù)據(jù)管理的功能主要是指企業(yè)在應用PHM系統(tǒng)的過程中能夠通過對各種機械設備運行的數(shù)據(jù)信息自動按照不同的類別和性質劃分為不同的信息類別進行管理，用以保證企業(yè)運行過程中各項數(shù)據(jù)的井然有序。而在應用PHM平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的功能時，數(shù)據(jù)檢索模塊的應用是能夠有效實現(xiàn)及時調取工作人員所需的設備和管理信息的重要模塊。

統(tǒng)計分析的功能是基于數(shù)據(jù)管理功能基礎上的，通過對收集和獲取到的各種數(shù)據(jù)進行劃分和管理，將雜亂無章的數(shù)據(jù)按照不同的標準和角度進行統(tǒng)計，并通過特定的輸入口令來使其能夠對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行更加科學的分析。這樣不僅能夠大大提高統(tǒng)計分析工作的準確性，還能夠對提高企業(yè)的工作效率起到一定的促進作用。

狀態(tài)診斷的功能是PHM系統(tǒng)在企業(yè)中應用的最主要功能，這種功能的實現(xiàn)原理主要是通過與數(shù)據(jù)庫內(nèi)各種設備在正常運行過程中的參數(shù)與其在實際運行過程中的參數(shù)變化進行對比，對發(fā)現(xiàn)異常情況的部分能夠及時預警并自主判斷是否需要立即停止設備的運行。在企業(yè)的實際生產(chǎn)過程中，這種功能在保障企業(yè)正常生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要的作用。

維修專家?guī)斓墓δ芤苍赑HM系統(tǒng)的應用過程中占據(jù)著重要的地位?，F(xiàn)階段對各種出現(xiàn)故障的機械設備進行維修時主要都是依據(jù)以往維修同類型設備的經(jīng)驗愛完成的。而隨著現(xiàn)代社會科學技術的不斷發(fā)展，各種機械設備的更新?lián)Q代速度比較快，維修專家?guī)斓慕⒑蛻貌粌H能夠為企業(yè)各種機械設備維修工作的開展提供更加科學的依據(jù)，還能夠有效減少因設備故障而造成的企業(yè)損失。

3.1.2 人機工程中PHM系統(tǒng)的主要實現(xiàn)內(nèi)容

在將人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術應用到人機工程的PHM系統(tǒng)中時，其主要能夠實現(xiàn)以下幾個方面的具體內(nèi)容：

（1）設備的檢修和管理是應用PHM系統(tǒng)實現(xiàn)的最主要內(nèi)容?，F(xiàn)階段應用于我國人機工程中的PHM系統(tǒng)在開展設備的檢修和管理工作時，狀態(tài)檢修作為設備檢修過程中的一個重要階段，在實際的應用過程中不僅要對各種機械設備的歷史檢修信息以及各種數(shù)據(jù)進行了解和掌握，還要借助人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術來實現(xiàn)對機械設備在整個運行過程中的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。而在這個設備檢修和管理的過程中，企業(yè)不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)設備在運行過程中存在的問題，還能夠發(fā)現(xiàn)和總結出設備運行和檢修的規(guī)律，進而為日后的檢修工作提供更科學合理的經(jīng)驗。

（2）故障的診斷和分析也是PHM系統(tǒng)在人機工程中應用時能夠實現(xiàn)的主要內(nèi)容之一。企業(yè)的各種機械設備在實際的應用過程中會因為各種各樣的原因而導致運行故障，一些故障是機械設備在運行過程中普遍存在的，因而能夠依據(jù)以往的經(jīng)驗進行提前預防，而一些故障的發(fā)生原因是無法提前進行判斷和預防的。在這種情況下就需要對機械設備進行實時的檢測才能夠及時發(fā)現(xiàn)設備的運行故障。而在應用人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術的過程中，PHM系統(tǒng)能夠借助數(shù)據(jù)挖掘來建立對于設備故障的診斷分析模型，這一模型的應用對不斷更新變化的設備環(huán)境具有很好的適應性。

（3）設備的性能檢測與設備的故障診斷和維修存在著一定的區(qū)別，對于企業(yè)用于生產(chǎn)經(jīng)營活動的設備來說，一些設備在經(jīng)常使用的過程中經(jīng)常會因為大量的污垢堆積或其他原因而影響其使用性能，而這些因素的產(chǎn)生與設備本身的故障之間并不存在實質性的聯(lián)系。在對設備的性能進行檢測的過程中，PHM系統(tǒng)通過借助人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術來對設備的運行數(shù)據(jù)信息進行收集和對比分析。這樣不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)影響設備運行性能的因素，還能夠通過不同的數(shù)據(jù)挖掘方法的應用來完善機械設備的使用性能，進而保證企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的正常運行。

（4）設備維修方式的智能化主要是針對人工智能技術在PHM系統(tǒng)中的應用而言的。智能化技術的應用從一定意義上來說也就是在數(shù)據(jù)信息分析完成之后能夠自主對這些數(shù)據(jù)信息的分析結果進行判斷，并為其提供最佳的維修和管理方案。而在這個過程中，設備維修和管理的及時性和準確性都能夠得到保證。

PHM系統(tǒng)在企業(yè)中的應用從實質上來說都能夠符合人機工程中的相關專業(yè)知識和規(guī)律。這主要是因為企業(yè)生產(chǎn)過程的機械設備的服務對象是各種商品，而操作對象則是企業(yè)的工作人員?，F(xiàn)階段我國的企業(yè)在實際的發(fā)展過程中還不能夠完全實現(xiàn)智能化的PHM系統(tǒng)的應用，因而將人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術應用到人機工程學的PHM系統(tǒng)中仍需要一個較長的發(fā)展階段。

3.2 小波神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練學習以及安全評價過程

因為PHM系統(tǒng)本身在誕生之初就主要應用于航空航天領域，在對人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術在人機工程PHM中的應用進行分析時，也主要可以從這一行業(yè)入手。飛機的研發(fā)和制造本身就是以符合人體工學的相關理論為基礎來進行設計的，無論是機電儀表還是電子顯示器的應用，都是能夠方便駕駛員對飛機進行操作而研發(fā)的。然而即使飛機在不斷的研發(fā)過程中已經(jīng)為駕駛員提供了很多更加便利的駕駛飛機的條件，但仍存在著一些例如駕駛員腦力負荷以及認知注意力都會對飛機的正常飛行狀態(tài)產(chǎn)生影響。在這種情況下，人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術在人機工程PHM中的應用研究就能夠通過建立模型來有效解決這些問題。

現(xiàn)階段，在將人工智能與數(shù)據(jù)挖掘技術應用到人機工程PHM中時，主要以小波神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡兩種神經(jīng)網(wǎng)絡來呈現(xiàn)。

3.2.1 小波神經(jīng)網(wǎng)絡

小波神經(jīng)網(wǎng)絡主要是以小波母函數(shù)為基礎的人工智能和數(shù)據(jù)挖掘算法來實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡的構建的。小波神經(jīng)網(wǎng)絡主要存在于人工神經(jīng)網(wǎng)絡輸入層、隱含層以及輸出層三個主要部分中的隱含層。在應用小波神經(jīng)網(wǎng)絡來對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動中的設備進行檢測和管理的過程中，首先需要將涉及到企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動以及各種管理工作的數(shù)據(jù)信息進行收集和匯總，然后依據(jù)小波神經(jīng)網(wǎng)絡的結構將各種數(shù)據(jù)信息以神經(jīng)元的形式呈現(xiàn)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層、隱含層以及輸出層中。而在對小波神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練的過程中，不僅要注意各個計算步驟的準確性，還要注意誤差對計算結果的影響。應用人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術中的小波神經(jīng)網(wǎng)絡的算法來對人機工程PHM進行分析和處理數(shù)據(jù)不僅能夠有效提升人機工程的效率和精準度，還能夠有效解決在人機工程的研發(fā)過程中存在的各種無法確定的問題。

3.2.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡也是人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術在人機工程PHM中應用的一種具體的算法，這種算法主要是以模糊集和隸屬函數(shù)為基礎來實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡的構建的。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡以模糊聯(lián)想網(wǎng)絡為主，在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營過程中應用這種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的算法，主要能夠解決因企業(yè)在生產(chǎn)過程中涉及到的各種無法得到確切的數(shù)據(jù)信息的計算。而在應用這種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的過程中，模糊集和以模糊集為基礎的相關計算步驟是能夠保證模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法科學準確性的主要依據(jù)。

小波神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡是兩種截然不同的算法，但在應用的過程中都能夠為人機工程的PHM提供更加準確的數(shù)據(jù)信息和范圍。

4 結論

綜上所述，將人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術應用到人機工程的PHM中對保證人機工程的質量具有重要的作用。在對人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術在人機工程PHM中的具體應用進行分析之后可以得知，要想提高人機工程的建設效率，就要讓人機工程的建設與時代的發(fā)展趨勢相結合，這樣才能夠讓人機工程的建設能夠與時俱進，在促進社會的發(fā)展過程中發(fā)揮更大的作用。