吳迅 齊艷

摘 要：故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）是一種新型的維修與管理方式，它通過感知并充分使用狀態(tài)監(jiān)測與監(jiān)控信息，對設(shè)備的工作狀態(tài)、可靠性、壽命和故障進(jìn)行預(yù)測，融合維修、使用和環(huán)境信息，結(jié)合規(guī)范的設(shè)備管理方法和業(yè)務(wù)流程，對維修活動(dòng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和合理優(yōu)化，對影響設(shè)備健康度和剩余壽命的技術(shù)、管理和人為因素進(jìn)行全過程控制。

關(guān)鍵詞：PHM;健康度;故障預(yù)測

引言

PHM重要基礎(chǔ)是設(shè)備管理、基于狀態(tài)的維修（CBM）、故障預(yù)測與健康度評估。本方案將重點(diǎn)研究設(shè)備健康度評估。健康度評估是所有PHM系統(tǒng)的重要組成部份，如果一個(gè)系統(tǒng)不具備健康度評估的功能，它就不能算是真正意義上的PHM系統(tǒng)，通過對設(shè)備健康度評估技術(shù)的研究，促進(jìn)設(shè)備精確化維修的實(shí)現(xiàn)，為維修決策提供科學(xué)的手段和方法，還可以為落實(shí)設(shè)備故障預(yù)測與健康管理機(jī)制提供重要的決策依據(jù)。

1? 設(shè)備健康度評估的基本概念

設(shè)備健康度評估主要是根據(jù)設(shè)備的各特征參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合考慮設(shè)備的使用、環(huán)境、維修等因素的影響，利用各種評估算法對裝備的健康度進(jìn)行評估，明確裝備健康度的一種技術(shù)。

設(shè)備健康度評估技術(shù)存在以下幾點(diǎn)：

（1）不是主要分析裝備會(huì)發(fā)生什么故障，而是從總體上把握裝備性能的好壞程度

（2）不僅要定性了解設(shè)備當(dāng)前所處的健康度等級，而且要從定量的角度描述設(shè)備的健康程度大小。

2 健康度評估的量化

在工程實(shí)踐中，通常用定性的方法將設(shè)備的健康度劃分為若干等級，評估的結(jié)果多是定性的健康等級描述，如即健康、比較健錄、亞健康、輕微病態(tài)（輕微故障狀態(tài)）、病態(tài)（故障狀態(tài)）、嚴(yán)重病態(tài)（嚴(yán)重故障狀態(tài)）。一般的健康度評估實(shí)際就是將評估指標(biāo)經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚言u估對像的健康度劃入相應(yīng)等級的一個(gè)過程。這樣得出的評估結(jié)果就是一個(gè)定性的描述，當(dāng)需要比較多個(gè)設(shè)備健康度好壞的時(shí)候，特別當(dāng)有多個(gè)設(shè)備處于同一種健康級別時(shí)，定性的評估結(jié)果就顯得無能為力了。因此，有必要將設(shè)備的健康度量化。一般將設(shè)備健康度的量化值稱為健康度。

3 健康度評估的一般流程

設(shè)備健康度評估流程一般包括準(zhǔn)備階段、評估實(shí)施階段、評估分析與反饋階段。

3.1 健康度評估準(zhǔn)備階段

3.1.1確定評估對象

要對設(shè)備進(jìn)行健康度評估，那么設(shè)備的健康度必須存在一個(gè)可鑒別的發(fā)展過程，那么設(shè)備的健康度必須存在一個(gè)可鑒別的發(fā)展過程，也就是說其狀態(tài)是逐漸劣化的。如果不具有潛在故障，如某些電子元器件、集成電路等發(fā)生功能故障之前沒有任何征兆，其狀態(tài)的變化無法鑒別出來，也就無法進(jìn)行健康度評估。

3.1.2劃分健康度等級

目前，關(guān)于健康度評估的研究主要集中在評估方法方面，而健康度等級如何合理劃分往往被忽視，為了評估結(jié)果表達(dá)的需要，幾乎每位研究人員都對各自對象的健康度等級提出了自己的分級觀點(diǎn)。由此出現(xiàn)了各種各樣的健康度分級方法。不規(guī)范的健康度分級不利于健康度評估在工程實(shí)踐的應(yīng)用。劃分設(shè)備的健康度等級是進(jìn)行評估的前提。規(guī)范的健康度等級劃分，既有利于設(shè)備健康度評估技術(shù)的推廣和應(yīng)用，也有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的健康管理。

3.1.3 確定健康度指標(biāo)

要對設(shè)備進(jìn)行健康度評估，首先要確定可以直接表征其健康度的參數(shù)指標(biāo)，或可間接推理判斷裝備健康度所需要的參數(shù)信息，這是進(jìn)行健康度評估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。確定裝備健康度指標(biāo)主要是從健康度的影響因素的角度來考慮，影響設(shè)備健康度的因素分為技術(shù)狀態(tài)因素和非技術(shù)狀態(tài)因素兩大類。

技術(shù)狀態(tài)是設(shè)備健康度的直接反映，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，則相應(yīng)的技術(shù)性能就會(huì)偏離正常值。為反映設(shè)備的實(shí)時(shí)健康度，必須將這些能反映設(shè)備狀態(tài)的技術(shù)性能作為評估設(shè)備狀態(tài)的指標(biāo)，確定設(shè)備健康度評估的健康指標(biāo)成為重中之重。

3.1.4實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測

確定了設(shè)備的健康度指標(biāo)后，需要通過相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)來獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.1.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于不同的狀態(tài)監(jiān)測手段獲取的數(shù)據(jù)類型不同，健康度指標(biāo)既有定量的數(shù)據(jù)，也有定性的描述語言;不同的狀態(tài)測量值有不同的數(shù)量級和不同的測量單位;此外還有異常數(shù)據(jù)的干擾等。因此，為了使數(shù)據(jù)能夠滿足建模的要求，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理方式和技術(shù)要根據(jù)不同的目的進(jìn)行選擇，通常的數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括：異常數(shù)據(jù)的剔除、數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理、定性指標(biāo)的量化等。

3.2健康度評估實(shí)施階段

在獲得表征設(shè)備健康度的信息后，如何根據(jù)這些信息來評估設(shè)備的健康度就成為關(guān)鍵的問題，設(shè)備的健康度是隨著設(shè)備工作時(shí)間的增加逐漸劣化的，如果不出現(xiàn)突發(fā)性故障，設(shè)備的健康度應(yīng)該是各態(tài)歷經(jīng)的，即按照“健康”->“中間狀態(tài)”->“不健康”的變化規(guī)律發(fā)展。

（1）確定設(shè)備當(dāng)前的健康度等級

目前，絕大部份研究主要回答的就是這個(gè)問題，即利用評估方法對設(shè)備的健康度進(jìn)行判定，確定設(shè)備的健康度等級。由于設(shè)備有限的監(jiān)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行資料所提供的信息總是不完全的，再加上指標(biāo)的不確定性，可以使用模糊集理論進(jìn)行評估。

（2）計(jì)算設(shè)備的健康度

健康度是從定量的角度來描述設(shè)備健康度的程度，它比定性的健康度等級更加直觀地反映了設(shè)備的健康度。計(jì)算設(shè)備健康度的作用主要表現(xiàn)在：

對于單個(gè)設(shè)備而言，雖然設(shè)備的健康度在整個(gè)壽命周期內(nèi)是逐漸劣化的，但是在一定的時(shí)間段內(nèi)，定性評估得到的設(shè)備健康度會(huì)駐留在某一個(gè)等級不發(fā)生改變，難以反映設(shè)備健康度的真實(shí)變化情況。如果能夠?qū)】刀冗M(jìn)行量化，即便相鄰兩次評估得到的健康度等級相同，也可以通過健康度來比較它們的健康程度。

3.3 健康度評估分析和反饋階段

3.3.1分析健康度評估的結(jié)果

設(shè)備經(jīng)過健康度評估之后，得到的直接結(jié)果為當(dāng)前的設(shè)備健康度，如果評估的結(jié)果與實(shí)際情況差別較大，查找出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因，對評估結(jié)果予以糾正。如有必要，重新評估設(shè)備的健康度，直到獲得滿意的結(jié)果為止。

3.3.2反映健康度的變化規(guī)律

對于實(shí)施健康度評估的設(shè)備來講，并不是只在某一個(gè)時(shí)刻才進(jìn)行評估，而是在其整個(gè)生命周期內(nèi)定期或不定期地時(shí)進(jìn)行多次評估，這樣就得到按照評估時(shí)間排列的多個(gè)健康度評估結(jié)果。為了從評估的結(jié)果中找尋規(guī)律，將每次評估結(jié)果以健康度檔案的方式予以保存。對定性的健康等級而言，歷次評估得到的健康等級粗略地反映了設(shè)備健康度的變化規(guī)律;對定量的健康度而言，歷次評估得到的健康度可以形成一條健康度曲線，更加真實(shí)地反映了設(shè)備健康度的變化規(guī)律。

3.3.3提供使用或維修決策建議

健康度評估的最終目的是為了給設(shè)備的維修策略和使用任務(wù)計(jì)劃提供決策依據(jù)，從而實(shí)施最佳的維修方式和合理安排設(shè)備的使用。維修管理人員可以根據(jù)健康度評估結(jié)果來安排維修計(jì)劃。對于評估結(jié)果為“健康”的設(shè)備，維睡時(shí)可不作為重點(diǎn);對于評估結(jié)果處于下降趨勢或評估值低的設(shè)備必須列為維修重點(diǎn)。設(shè)備使用人員可根據(jù)健康度評估結(jié)果，按照健康度等級描述中對應(yīng)的設(shè)備使用建議，結(jié)合任務(wù)的類型、預(yù)期的負(fù)載、使用時(shí)間等要求，合理安排設(shè)備的使用計(jì)劃，確保設(shè)備能夠成功地完成任務(wù)。

總之，評估準(zhǔn)備工作是基礎(chǔ)，具體的評估是關(guān)鍵，得到的評估結(jié)果是目標(biāo)。

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（1.江蘇安防科技有限公司，江蘇 南京 211800;2.南京國電南自軌道交通工程有限公司，江蘇 南京 211800）