智能制造預測性維護標準體系研究與應用＊

王成城 王金江 黃祖廣 薛瑞娟 張培森

（①中國石油大學（北京），北京 102249；②機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，北京 100055；③通用技術(shù)集團機床工程研究院有限公司，北京 100102）

預測性維護通過實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)預測其未來工作狀況，實現(xiàn)故障診斷、壽命預測、設(shè)備維護與管理，是人工智能技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的最典型應用之一，被譽為“未來工廠”之光[1-2]。尤其是針對高價值、結(jié)構(gòu)復雜、故障模式多樣以及維護困難的數(shù)控機床等高端裝備，實施預測性維護，對保證其加工精度、工作效率，穩(wěn)定性、可靠性降低生產(chǎn)和維護成本具有重要意義。根據(jù)其實施的側(cè)重點不同預測性維護可分為狹義和廣義。狹義的預測性維護建立在狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，強調(diào)故障診斷，對設(shè)備進行連續(xù)的或不定時的狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)其結(jié)果判斷該裝備是否存在異常狀態(tài)或是否有發(fā)生故障的趨勢，并在適當?shù)臅r間安排設(shè)備維修，也可稱為基于狀態(tài)的維護（condition based maintenance，CBM）[3-5]。廣義的預測性維護是一個系統(tǒng)的過程，將狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預測和維修維護決策綜合考量，是相對完整的預測性維護（predictive maintenance，PdM）[6-7]。

目前,國內(nèi)外部分企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了預測性維護的落地。西門子在對工廠的歷史運行數(shù)據(jù)進行深入分析的基礎(chǔ)上，以人工智能算法為工具,建立了預測性維護系統(tǒng)，不僅能及時預測運營中的故障風險，還能幫助企業(yè)高效診斷故障背后的原因，及時采取維修維護措施，有效控制風險，實現(xiàn)降本增效[8-10]。ABB Ability船舶遠程診斷系統(tǒng)能實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的預防性連續(xù)監(jiān)測，提供包括故障排除、預防性和預測性服務(wù)3個級別的服務(wù),通過更大范圍的預測性監(jiān)測使服務(wù)工程師數(shù)量減少70%，維護工作量減少50%[11-14]，降低了人力成本，提高了維護效率。從國際標準化的角度分析，多個國外標準技術(shù)組織針對數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等預測性維護相關(guān)技術(shù)的標準化進行了研究，制定了相關(guān)標準和規(guī)范，如表1所示。

表1 預測性維護相關(guān)組織及標準和規(guī)范

由于裝備在故障機理、監(jiān)測方法以及維護模式等方面的差異，制定通用的預測性維護標準長期被視為“不可能的任務(wù)”，現(xiàn)行的國際標準主要集中在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、設(shè)備管理等具體功能或溫度、振動等具體測量方法，涉及航空、航天、船舶以及武器等高科技裝備的生產(chǎn)和應用領(lǐng)域[15-16]。然而，長期在不同領(lǐng)域的實踐與應用，由于缺乏統(tǒng)一的預測性維護準則、術(shù)語和技術(shù)方法等相關(guān)標準，導致預測性維護的落地、應用以及實踐過程中存在協(xié)調(diào)困難、系統(tǒng)集成困難和功能不完善等問題。

本文結(jié)合前期對預測性維護技術(shù)的研究，從運維過程入手，分析了預測性維護對運維過程的提升以及標準化的需求，從基礎(chǔ)共性標準、關(guān)鍵技術(shù)標準和行業(yè)應用標準三個層次構(gòu)建了預測性維護標準體系，并對部分重點標準的技術(shù)方向進行了論述，為制定不同層級和領(lǐng)域的預測性維護標準，推動預測性維護技術(shù)落地應用，促進智能運維行業(yè)的發(fā)展提供了重要參考。

1 預測性維護技術(shù)應用現(xiàn)狀

運維過程包括了設(shè)備的運行和維護，設(shè)備運行是要保證設(shè)備達到預期的目標并正常運轉(zhuǎn)，維護則是要保證設(shè)備可以正常工作到預定的工作年限。完整的運維過程包括生產(chǎn)運行、日常養(yǎng)護、確定維修項目、制定維修計劃、維修準備和維修執(zhí)行等，如圖1所示。

圖1 運維過程與預測性維護技術(shù)應用示意圖

上述研究和應用表明，預測性維護技術(shù)對運維過程的優(yōu)化已達成行業(yè)共識，但在實際應用過程中，仍存在著以下問題：

（1）概念混淆。不同行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ陬A測性維護技術(shù)的理解存在差異，對于預測性維護實施的流程不清晰。

（2）需求不清。狀態(tài)監(jiān)測作為實施預測性維護的基礎(chǔ)，其采集的數(shù)據(jù)與設(shè)備故障表征的關(guān)聯(lián)性、數(shù)據(jù)采集的方法和要求難以明確。

（3）算法多樣。預測性維護的核心技術(shù)是故障診斷和壽命預測，而診斷與預測的驅(qū)動內(nèi)核是算法，但算法對于用戶而言通常為“黑盒”，算法的可用性與準確性難以判斷，導致用戶對于診斷和預測的結(jié)果缺乏信心。

（4）效果不明。預測性維護的最終目標是“維護”，而非“預測”，促進運維過程的降本增效是用戶實施預測性維護的根本動機，但目前的研究和創(chuàng)新多集中在診斷和預測，對于運維過程的提升缺乏有效評估指標，極大地限制了預測性維護技術(shù)的應用[17-18]。

為解決上述問題，國內(nèi)外標準化組織（ISO、IEC等）均針對預測性維護技術(shù)進行了相應的標準化研究，相繼成立了相關(guān)的標準化工作組。目前預測性維護國際標準研制現(xiàn)狀如表2所示。

表2 預測性維護國際標準項目分析

國內(nèi)各標準化組織也在積極開展預測性維護領(lǐng)域的標準研制工作，國內(nèi)預測性維護標準研制現(xiàn)狀如表3所示。

表3 預測性維護國內(nèi)標準項目分析

上述標準項目擬從不同的視角和領(lǐng)域解決預測性維護技術(shù)的應用，其中不乏早已發(fā)布和實施的成熟標準，也有近年來新提出的標準項目，但由于在標準體系的頂層規(guī)劃上尚未達成共識，不免存在內(nèi)容和范圍交叉重復、概念和定義無法統(tǒng)一等問題，因此，亟需推動預測性維護共性基礎(chǔ)標準研制，構(gòu)建完善的標準體系，以指導各行業(yè)領(lǐng)域預測性維護的標準制定工作。

2 預測性維護標準體系

與預測性維護技術(shù)體系相對應，預測性維護的標準體系包括A基礎(chǔ)共性標準、B關(guān)鍵技術(shù)標準和C行業(yè)應用標準3個類別，每個類別下包含二級和三級類別，具體如圖2所示。

2.1 預測性維護基礎(chǔ)共性標準

預測性維護基礎(chǔ)共性標準是實施預測性維護的基礎(chǔ)與前提，包括通用標準、數(shù)據(jù)標準和測評標準3個部分，如圖2所示，其中：

圖2 預測性維護標準體系

（1）通用標準

通用標準主要包括術(shù)語定義和通用要求兩部分。

術(shù)語定義標準用于統(tǒng)一預測性維護相關(guān)概念及相應縮略語，幫助用戶理解預測性維護技術(shù)的具體應用場景以及相關(guān)概念，并為其他標準的制定提供支撐，屬于該子類的已發(fā)布標準包括ISO 13372:2012《機器的狀態(tài)監(jiān)測和診斷 詞匯》等。

通用要求標準用于規(guī)范預測性維護實施的流程、體系和方法，幫助用戶了解預測性維護技術(shù)，并對實施的可行性進行判斷，包括分類、流程、可行性分析、技術(shù)要求和應用要求等內(nèi)容，屬于該子類的已發(fā)布標準包括：ISO 17359:2018《機器的狀態(tài)監(jiān)測和診斷 總導則》、ISO 13381-1:2015《機器的狀態(tài)監(jiān)測和診斷 預測 第1部分：通用指南》、GB/T 40571-2021《智能服務(wù) 預測性維護 通用要求》、IEEE Std-1856-2017《電子系統(tǒng)預測與健康管理標準框架》、MIMOSA OSA-CBM等。

（2）數(shù)據(jù)標準

數(shù)據(jù)接口標準用于規(guī)范數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲過程中的數(shù)據(jù)格式，從協(xié)議和語義兩方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)通，從而減少由于硬件設(shè)備協(xié)議不一致、語義自定義而導致的數(shù)據(jù)采集受阻和開發(fā)成本高等問題，構(gòu)建從邊緣側(cè)到系統(tǒng)層直至云平臺的預測性維護數(shù)據(jù)流。屬于該子類的已發(fā)布標準包括：ISO 13374《機器的狀態(tài)監(jiān)測和診斷 數(shù)據(jù)處理、通信和表示》系列標準。

設(shè)備數(shù)據(jù)模板標準用于提供一套統(tǒng)一的預測性維護數(shù)據(jù)需求模板，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和關(guān)聯(lián)故障等，是行業(yè)或企業(yè)針對某類或多類設(shè)備開展預測性維護的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，用于開展工程可行性驗證的數(shù)據(jù)支撐，也是實現(xiàn)技術(shù)開放性與推動技術(shù)革新的重要依據(jù)。目前，ISO 13 374系列標準與ISO 13 379《機器的狀態(tài)監(jiān)控和診斷 數(shù)據(jù)說明和診斷技術(shù)通用指南》系列標準中的部分內(nèi)容與該部分相關(guān)。

（3）測評標準

系統(tǒng)功能測評標準用于具備預測性維護功能的軟件或系統(tǒng)，在開展預測性維護技術(shù)服務(wù)過程中功能的完整性測試，規(guī)范了預測性維護系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、剩余壽命預測、維修維護管理等核心功能的具體測評要求，推薦了可增加或完善的輔助功能。目前在研的團體標準CAMS《智能服務(wù) 預測性維護 系統(tǒng)功能要求》是系統(tǒng)功能測評的重要支撐。

由于預測性維護對象的特異性，算法測評很難被標準化，但相比于與應用場景密切相關(guān)的運維決策算法，監(jiān)測、診斷和預測的算法還是可以在隨機抽樣的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)科學公平的性能測試。算法測評類標準主要用于規(guī)定測評程序、方法以及指標體系等內(nèi)容。目前在研的國家標準20210705-T-604《智能服務(wù) 預測性維護 預測算法與模型》，將預測性維護算法分為監(jiān)測類、診斷類和預測類，以準確性、精確性和漏報率等構(gòu)建測評指標體系，初步實現(xiàn)了預測性維護算法的測試。

人員測評標準主要對人員對某些關(guān)鍵技術(shù)的熟練能力開展培訓和測評，包括對認證培訓機構(gòu)測評的要求，以及工作人員對振動、潤滑、聲發(fā)射和超聲等關(guān)鍵技術(shù)熟練程度測評的要求。屬于該子類的已發(fā)布標準包括ISO 18436《機器狀態(tài)監(jiān)測和診斷人員資格和考核要求》系列標準等。

實施效果的測評往往決定著工程和項目的實施與否、效果好壞，受到用戶和供應商的普遍關(guān)注。雖然預測性維護在不同場景或不同對象的實施效果差異較大，但多以成本和時間為核心要素，本標準規(guī)范預測性維護的實施過程成本測評要求、實施結(jié)果測評要求等。目前在研的團體標準CAMS《智能服務(wù) 預測性維護 運維效率評價方法》通過對運營準備時間、設(shè)備維修工期和設(shè)備運維成本等關(guān)鍵指標的定義，實現(xiàn)了預測性維護實施效果測評方法和指標的標準化。

2.2 預測性維護關(guān)鍵技術(shù)標準

預測性維護關(guān)鍵技術(shù)標準包括狀態(tài)信息采集標準、狀態(tài)監(jiān)測標準、健康狀態(tài)評估標準、故障診斷標準、剩余壽命預測標準和維修維護管理標準等5個部分，縮短維修準備時間，通過維修執(zhí)行輔助提升維修過程的效率，是預測性維護有效提升運維效率、降低運維成本的有效途徑[17-18]，如圖2所示。

（1）狀態(tài)信息采集標準

狀態(tài)信息采集是預測性維護與設(shè)備的接口，所采集的信息一定程度上決定了分析方法的類型，可根據(jù)采集信息的類別進行標準體系的構(gòu)建，包括振動、聲發(fā)射、熱成像、超聲、摩擦學參數(shù)以及其他類的信息采集等6個部分，狀態(tài)信息采集標準子體系如圖3所示。

圖3 傳感/數(shù)據(jù)采集標準子體系

（2）狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)標準

狀態(tài)監(jiān)測是對采集的數(shù)據(jù)進行必要的處理，通過特征提取和分析，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)識別的過程，該過程主要的任務(wù)是對數(shù)據(jù)質(zhì)量和故障或異常的判斷，為確保監(jiān)測過程的有效性和一致性，應對狀態(tài)監(jiān)測的過程、方法和數(shù)據(jù)分析進行標準化，因此，預測性維護中的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)標準體系包括狀態(tài)監(jiān)測流程、狀態(tài)監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)處理和分析3個部分，預測性維護狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)標準子體系如圖4所示。

圖4 預測性維護狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)標準子體系

由于狀態(tài)監(jiān)測流程、方法和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)內(nèi)容聯(lián)系緊密，因此通常會將所有相關(guān)內(nèi)容集成在一項標準中。例如，ISO 17359:2018《機器的狀態(tài)監(jiān)測和診斷 總導則》、GB/T 37942-2019《生產(chǎn)過程質(zhì)量控制 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測》。

（3）健康狀態(tài)評估標準

健康狀態(tài)評估是基于設(shè)備的狀態(tài)信息，對信息中的關(guān)鍵特征指標進行提取，通過綜合各個特征指標，對設(shè)備的健康狀態(tài)進行評估。通過健康狀態(tài)評估，工作人員可以實時、有效的了解設(shè)備的狀態(tài)，并及時采取維護、維修措施，防止設(shè)備異常進一步擴大，造成經(jīng)濟損失等。健康狀態(tài)評估標準主要包括健康狀態(tài)評估流程、健康狀態(tài)評估指標、評估方法和評估結(jié)果等4個部分。健康狀態(tài)評估標準子體系如圖5所示。

圖5 預測性維護健康評估標準子體系

（4）故障診斷技術(shù)標準

故障診斷是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備是否存在故障的過程，通常包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位和故障恢復等。對于狹義的預測性維護，通過故障診斷技術(shù)對尚未發(fā)生故障但已出現(xiàn)異常的設(shè)備開展診斷和預測，是維修決策的重要依據(jù)，除故障恢復外的其他關(guān)鍵技術(shù)都是預測性維護的重要組成；對于廣義的預測性維護，由于增加了剩余使用壽命的預測，對于維護的實施提供了有效信息，能夠支持設(shè)備運維的全生命周期管理。不論是狹義或者廣義，故障診斷都是預測性維護不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。因此，預測性維護故障診斷技術(shù)標準主要包括故障診斷流程、故障診斷方法以及故障診斷驗證3部分。預測性維護故障診斷技術(shù)標準子體系如圖6所示。

圖6 預測性維護故障診斷技術(shù)標準子體系

（5）剩余壽命預測技術(shù)標準

剩余壽命預測是區(qū)分狹義預測性維護與廣義預測性維護的關(guān)鍵技術(shù)，是支撐設(shè)備運維全生命周期管理的基礎(chǔ)，也是目前預測性維護技術(shù)研究的熱點。傳統(tǒng)的預測研究主要集中在故障的預測，通過對于故障的預測降低或減少糾正性維修的頻率，從而實現(xiàn)預測性維護的應用價值，剩余壽命的預測在流程和方法上與故障預測類似，但將剩余壽命作為預測的結(jié)果，使得對設(shè)備周期性維護方案的更新和優(yōu)化成為可能，從而通過對設(shè)備的延壽實現(xiàn)了價值的提升，也是對設(shè)備運維全生命周期的有效管控。預測性維護壽命預測技術(shù)標準子體系如圖7所示。

圖7 預測性維護壽命預測技術(shù)標準子體系

目前尚未制定和發(fā)布針對剩余壽命預測的標準，ISO 13381-1:2015《機器的狀態(tài)監(jiān)測和診斷 預測 第1部分：通用指南》主要是針對故障的預測，可作為剩余壽命預測的參考借鑒。

（6）維修維護管理技術(shù)標準

采用預測性維護模式替代或完善傳統(tǒng)的事后維護與周期性維護模式，是開展預測性維護技術(shù)研究與應用的最終目標，因此，維修維護管理技術(shù)標準是預測性維護技術(shù)應用的“最后一公里”。不同類型設(shè)備具有特定的維修維護需求，但在維護決策、優(yōu)化和執(zhí)行的流程與方法領(lǐng)域可以實現(xiàn)標準化，另外作為維修輔助的虛擬維護系統(tǒng)，也越來越多地應用于維修執(zhí)行和培訓過程。因此，預測性維護維修維護管理標準包括維修維護決策、維修維護優(yōu)化、維修維護執(zhí)行和虛擬維護輔助4類。預測性維護維修維護管理標準子體系如圖8所示。

圖8 預測性維護維修維護管理技術(shù)標準子體系

2.3 預測性維護應用標準

與預測性維護基礎(chǔ)共性和關(guān)鍵技術(shù)標準不同，行業(yè)應用標準突出不同行業(yè)和裝備特異的需求，對于細化和完善預測性維護標準體系具有重要意義。行業(yè)應用標準劃分為面向裝備和行業(yè)，二者在制定標準的類別和技術(shù)方向上有所不同，如圖2所示。

（1）面向裝備的預測性維護應用標準

該類標準通常以特定的設(shè)備為對象，以關(guān)鍵技術(shù)標準為基礎(chǔ)，根據(jù)具體設(shè)備的工作環(huán)境、工況條件等規(guī)范其失效模式、監(jiān)測對象、數(shù)據(jù)采集方式、監(jiān)測參數(shù)、報警閾值/基線、故障診斷和案例、故障/剩余壽命預測和案例、運行和維護方案等。屬于 該子類的已發(fā)布標準如表4所示。

表4 面向設(shè)備的預測性維護標準

（2）面向行業(yè)的預測性維護應用標準

從行業(yè)的視角來看，標準的制定應以預測性維護基礎(chǔ)共性標準為基礎(chǔ)，提出行業(yè)裝備的設(shè)備數(shù)據(jù)模板和測評及認證要求。目前技術(shù)相對成熟并有應用需求的行業(yè)包括航空航天、軌道交通、石油化工以及能源動力等。

3 結(jié)語

由于與設(shè)備類型的密切關(guān)聯(lián)，預測性維護長期被認為是難以開展標準化的，尤其是方法和測評領(lǐng)域，極大地影響了預測性維護技術(shù)的應用和實施。本文從預測性維護技術(shù)應用、標準體系和標準內(nèi)容三個方面分析和探討了預測性維護標準體系的構(gòu)建需求，從基礎(chǔ)共性標準、關(guān)鍵技術(shù)標準和行業(yè)應用標準3個角度分析了現(xiàn)行標準以及未來標準化的方向，并從應用的視角剖析了標準與從業(yè)者的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文所構(gòu)建的標準體系并非完善，但能夠作為各方研制標準的參考，為我國預測性維護技術(shù)發(fā)展和裝備數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供助力。

從本文的分析結(jié)果來看，目前在基礎(chǔ)共性標準中，通用標準已在陸續(xù)制定和發(fā)布，數(shù)據(jù)標準尚待制定，目前測評標準的行業(yè)需求較大，應予以重點關(guān)注；在關(guān)鍵技術(shù)標準中，傳感/數(shù)據(jù)采集標準相對成熟，狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷標準正在制定中，但剩余壽命預測和維修維護管理相關(guān)標準尚處于缺失狀態(tài)；在行業(yè)應用標準中，面向行業(yè)的共性標準亟需開展研制，上述研究方向也將成為不同標準化組織和標準研制人員未來的工作方向和重點。