【PHM】PHM算法与智能分析技术——智能维护技术引述
PHM算法與智能分析技術(shù)——智能維護(hù)技術(shù)引述
- 智能維護(hù)技術(shù)的發(fā)展與問(wèn)題
- PHM概念與方法論
- PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本系列來(lái)自于北京天澤智云科技有限公司的PHM算法與智能分析技術(shù)公開(kāi)課，內(nèi)容非常有助于研究者對(duì)PHM的理解和學(xué)習(xí)，因此整理為文字版，方便閱讀和筆記。
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本堂課的主要介紹了三方面的內(nèi)容，首先介紹PHM技術(shù)產(chǎn)生的背景，這里面介紹了一個(gè)維護(hù)的總體愿景與目標(biāo)以及維護(hù)技術(shù)的演進(jìn)。第二部分介紹了PHM里的一些基本概念與基方法。最后簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)一個(gè)PHM系統(tǒng)需要遵循哪些步驟？
智能維護(hù)技術(shù)的發(fā)展與問(wèn)題
維護(hù)的目標(biāo)
對(duì)于PHM這門(mén)技術(shù)產(chǎn)生的背景，我們知道維護(hù)的一個(gè)目是要解決生產(chǎn)制造中的問(wèn)題。 這些問(wèn)題包括設(shè)備的停機(jī)部件的損壞，質(zhì)量的不良，甚至是能效的一些利用低利用率或者浪費(fèi)。要解決這些問(wèn)題，不能單單從這些問(wèn)題產(chǎn)生的表象入手，而是要關(guān)注產(chǎn)生它們的原因，這些原因通常是潛藏在表象問(wèn)題的背后的不可見(jiàn)問(wèn)題，例如零件的磨損、腐蝕、泄露，或是一些人為操作的不良、環(huán)境因素，這些因素有多種多樣的表征形式，并且很可能互相耦合交叉共同作用，最后產(chǎn)生了失效。
對(duì)于這種情況，要從源頭入手，能夠避免這些問(wèn)題。因此，維護(hù)的一個(gè)終極目標(biāo)并不僅發(fā)現(xiàn)這些失效，而是要解決和避免它們。就是要利用監(jiān)控分析，甚至決策支持這樣的手段來(lái)去解決和避免看不見(jiàn)的問(wèn)題。這其實(shí)是一個(gè)宏觀的對(duì)維護(hù)技術(shù)的愿景。如何能夠避免不可見(jiàn)問(wèn)題的發(fā)生，很重要的一點(diǎn)就是要做預(yù)測(cè)。
維護(hù)策略的演進(jìn)
維護(hù)策略的演進(jìn)歷程與維護(hù)的方向是非常吻合的。傳統(tǒng)的反應(yīng)式的維護(hù)方式是等待設(shè)備壞掉后再去維修。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于一些高可靠性的設(shè)備，它的可靠性要求不能夠被原有的傳統(tǒng)的維護(hù)方式所滿(mǎn)足。因此要做的預(yù)防性的過(guò)維護(hù)，它純粹是基于時(shí)間的維修方式，通常對(duì)高可靠性的這樣的零部件進(jìn)行過(guò)度的維護(hù)，頻繁的更換可能仍然能夠用一段時(shí)間的零件。這種維護(hù)方式的成本是非常高昂的。
后來(lái)出現(xiàn)基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的維護(hù)CBM，它不再單純依賴(lài)于時(shí)間，而是通過(guò)從設(shè)備里面采出來(lái)的實(shí)際的物理量來(lái)發(fā)現(xiàn)故障的一些早期現(xiàn)象，從而避免嚴(yán)重的故障發(fā)生。既然能對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，為什么不做進(jìn)一步做預(yù)測(cè)呢？PHM就在這樣的背景下產(chǎn)生了，有人又叫它CBM+，其實(shí)就是能夠在狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，再更進(jìn)一步預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余使用壽命。
隨著維護(hù)技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)設(shè)備生命周期里面的維護(hù)成本是逐漸降低的，但是模型的復(fù)雜程度會(huì)逐漸升高。也就是說(shuō)系統(tǒng)的智能化程度是不斷增大的。以上是PHM技術(shù)產(chǎn)生的背景。
PHM概念與方法論
PHM本身是一門(mén)工程的學(xué)科，是很多在不同工程領(lǐng)域的總結(jié)并且融合形成了一套理論體系，本身就是來(lái)源于工程，因此它是一門(mén)應(yīng)用，聚焦的是對(duì)復(fù)雜工程系統(tǒng)健康狀態(tài)的一個(gè)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)與管理。因此它是針對(duì)最終的維護(hù)目標(biāo)，精準(zhǔn)最優(yōu)化維護(hù)策略所誕生的學(xué)科。
PHM關(guān)心的問(wèn)題可以概括成為一下幾個(gè)方面：首先是降低成本，其實(shí)是通過(guò)對(duì)非預(yù)期的停機(jī)事件進(jìn)行預(yù)測(cè)，減少過(guò)度維護(hù)，同時(shí)最大化部件設(shè)備的使用壽命，并且減少生產(chǎn)制造中不良的產(chǎn)品。
另外是提高設(shè)備的可靠性。在這里提到一個(gè)新的概念：MTBD（Mean-Time-Before-Degradation），它對(duì)應(yīng)著可靠性理論里面一個(gè)非常重要的概念：失效發(fā)生的平均時(shí)間。這種概念針對(duì)的通常是設(shè)備重復(fù)性比較大，并且能夠被大批量生產(chǎn)的設(shè)備，能夠單純基于時(shí)間就能夠統(tǒng)計(jì)出它的一個(gè)可靠性指標(biāo)。另外是提高設(shè)備的可靠性。
如果做PHM的話(huà)，其實(shí)我們更關(guān)心的不是它到失效的時(shí)間，而是失效發(fā)生之前它發(fā)生衰退的時(shí)間。這其實(shí)是做PHM的時(shí)候可以針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)做到的預(yù)測(cè)，它什么時(shí)候衰退到一個(gè)嚴(yán)重程度的技術(shù)。所以PHM所關(guān)心的是更精細(xì)的可靠性的分析。
首先是PHM里面P，在工業(yè)領(lǐng)域叫做故障診斷，在PHM這個(gè)學(xué)科里面狹義的故障預(yù)測(cè)指的是對(duì)設(shè)備剩余使用壽命的預(yù)測(cè)，也就是RUL的預(yù)測(cè)。RUL的預(yù)測(cè)需要具備幾個(gè)條件，首先是要知道設(shè)備什么時(shí)候失效，并且通常要有全生命周期的數(shù)據(jù)，失效的標(biāo)準(zhǔn)如果能夠被量化，與失效的全生命周期的過(guò)程的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，就可以做建立RUL預(yù)測(cè)的模型。
但有時(shí)往往拿不到全生命周期的數(shù)據(jù)，而且對(duì)失效的標(biāo)準(zhǔn)定義也非常模糊，其實(shí)在工業(yè)領(lǐng)域是非常常見(jiàn)的。如果失效的標(biāo)準(zhǔn)定義都非常模糊，那就別提我們說(shuō)對(duì)它的量化，所以更常做的是對(duì)健康趨勢(shì)的一個(gè)判斷，我們稱(chēng)為健康預(yù)測(cè)。健康預(yù)測(cè)就是說(shuō)在近期的時(shí)間段內(nèi)預(yù)測(cè)設(shè)備的健康值的走向，也就是如果它發(fā)展到一定程度的時(shí)候，看它發(fā)展的速度在當(dāng)下的情況是不是需要關(guān)注，所以說(shuō)是起到趨勢(shì)預(yù)測(cè)的作用，還達(dá)不到對(duì)完整的剩余使用壽命的預(yù)測(cè)。
對(duì)于失效這個(gè)概念，什么是失效？通常大家認(rèn)為的失效是發(fā)生了停機(jī)事件，我們稱(chēng)這樣的失效為硬失效，通常是組件損壞或設(shè)備的停機(jī)，甚至可以廣義的指產(chǎn)品的不良發(fā)生了。軟失效指的是我們說(shuō)設(shè)備的可靠性降低，它可能仍然能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，但是我們說(shuō)它已經(jīng)發(fā)生了衰退，可能已經(jīng)有一些風(fēng)險(xiǎn)了。或者是在生產(chǎn)制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)out of control，還沒(méi)有out of spack。要做RUL預(yù)測(cè)需要得到一個(gè)能夠被量化失效標(biāo)準(zhǔn)，可能是閾值或是基于歷史的失效的事件而得出來(lái)的時(shí)間段，要根據(jù)不同的情況做具體的歸類(lèi)。
第三個(gè)概念的是全生命周期數(shù)據(jù)，對(duì)于做RUL預(yù)測(cè)是必不可少的。這個(gè)數(shù)據(jù)其實(shí)是做很多工業(yè)場(chǎng)景項(xiàng)目的時(shí)候，比較難拿到的，成本也比較高的數(shù)據(jù)。
從拿到原始數(shù)據(jù)也就是測(cè)量值到特征，再到最后得到健康值，是一個(gè)維度不斷降低的過(guò)程。也就是拿到原始數(shù)據(jù)時(shí)，直接從設(shè)備里采出了一些物理量，這些值可以被凝煉成特征信息，這些特征能夠表征故障的模態(tài)與變化趨勢(shì)。對(duì)這些特征在做機(jī)器學(xué)習(xí)也好，或者是一些建模的處理也好，我們可以把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)一維的健康值或稱(chēng)cv值，它能夠表征對(duì)系統(tǒng)衰退情況的變化以及趨勢(shì)。所以，針對(duì)健康值做預(yù)測(cè)，其實(shí)就能夠進(jìn)行健康預(yù)測(cè)或者是故障預(yù)測(cè)。
PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
除了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，還有其他三種不同的方式，有基于機(jī)理建模的，這個(gè)其實(shí)是控制學(xué)科里面衍生出來(lái)的一些對(duì)故障的檢測(cè)跟分類(lèi)技術(shù)，也有機(jī)理跟數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式，同時(shí)也存在用傳統(tǒng)的可靠性統(tǒng)計(jì)分析方式來(lái)做故障的預(yù)測(cè)。
接下來(lái)這門(mén)課的重點(diǎn)是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)做建模的。基本的示意圖如下，在特征空間里面能夠看到，如果設(shè)備處在健康狀態(tài)，它會(huì)存在于特定的一個(gè)分布范圍內(nèi)。如果失效的話(huà)，會(huì)在這個(gè)特征空間里面發(fā)生一定的漂移。如果對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就可以預(yù)測(cè)它什么時(shí)候會(huì)跑出失效的邊界，從而預(yù)測(cè)它的剩余使用壽命，其實(shí)就是用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法做剩余使用壽命預(yù)測(cè)的方法。
做使用壽命預(yù)測(cè)有一定的前提條件，我們拿到的數(shù)據(jù)可能是在機(jī)器健康正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的數(shù)據(jù)，能夠利用它的歷史基線(xiàn)建立一個(gè)機(jī)械模型，對(duì)于機(jī)械模型跟現(xiàn)實(shí)的狀態(tài)的對(duì)比的話(huà)，我們能夠評(píng)估它的健康狀態(tài)。如果我們能夠拿到一些故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可以對(duì)故障的數(shù)據(jù)建立歷史基線(xiàn)，同時(shí)用一個(gè)分類(lèi)模型就可以對(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)的診斷。再進(jìn)一步，如果有針對(duì)不同故障模式的全生命周期的數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。
不管是實(shí)現(xiàn)哪一個(gè)層次的PHM的建模方式，步驟的是基本相似的。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，降噪清洗，之后要進(jìn)行特征提取與特征選擇。接下來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)健康評(píng)估，對(duì)它的失效模式進(jìn)行分類(lèi)，并且進(jìn)行健康趨勢(shì)的使用壽命預(yù)測(cè)。不管是實(shí)現(xiàn)哪一個(gè)層次的PHM的建模方式，步驟的是基本相似的。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，降噪清洗，之后要進(jìn)行特征提取與特征選擇。接下來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)健康評(píng)估，對(duì)它的失效模式進(jìn)行分類(lèi)，并且進(jìn)行健康趨勢(shì)的使用壽命預(yù)測(cè)。
設(shè)計(jì)一個(gè)PHM系統(tǒng)有七個(gè)主要步驟，首先，要做一個(gè)PHM系統(tǒng)，其實(shí)是要判別所面臨的對(duì)象適不適合做PHM，如果適合，要關(guān)注它的哪一類(lèi)故障模式，是什么樣的具體的問(wèn)題。這個(gè)是前期非常重要的要定義出來(lái)的需求，這個(gè)需求通常是做PHM的數(shù)據(jù)科學(xué)家與終端的用戶(hù)，甚至要帶上設(shè)備的制造商一塊兒來(lái)研討定義需求。這個(gè)需求被定義之后，就要定義監(jiān)控層次，具體是要做組件級(jí)的還是設(shè)備級(jí)的，是產(chǎn)線(xiàn)級(jí)還是工程級(jí)的？之后要選擇模型，在這個(gè)層級(jí)的模型選擇要定義場(chǎng)景到底是要是強(qiáng)數(shù)據(jù)弱機(jī)理，還是弱機(jī)理強(qiáng)數(shù)據(jù)，甚至是機(jī)理跟數(shù)據(jù)都強(qiáng)，取決于要用哪一個(gè)類(lèi)型的模型。舉例來(lái)說(shuō)：機(jī)理比較強(qiáng)，但是數(shù)據(jù)很少，這個(gè)時(shí)候就要借鑒一些領(lǐng)域知識(shí)，盡量用基于機(jī)理的模型做數(shù)據(jù)的分析；有的時(shí)候數(shù)據(jù)量很大，但是對(duì)系統(tǒng)不是很了解，這樣就比較適合用純粹的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)做。接下來(lái)就要選擇一些關(guān)鍵的參數(shù)，這個(gè)跟前面定義的需求、業(yè)務(wù)目標(biāo)、選擇的要監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)是有非常緊密的關(guān)聯(lián)的。在這一步是要定義到底采集哪些數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有這樣的數(shù)據(jù)，要外加傳感器。如果不能加傳感器，就要回到我們的需求定義層次，減少功能。接下來(lái)就要做部署策略跟實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)要開(kāi)始采集一些能夠進(jìn)行可行性分析的數(shù)據(jù)了。這些數(shù)據(jù)要能夠支撐我們盡量采集完整的工況，并且能夠盡量覆蓋到不同的失效模式。如果能有全生命周期的數(shù)據(jù)的話(huà)，其實(shí)是最好的。第六步，要對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性的可行性進(jìn)行一個(gè)研究，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)建完模了，對(duì)數(shù)據(jù)有一定程度的理解跟分析結(jié)果后，是能夠進(jìn)行一些對(duì)標(biāo)的分析，然后對(duì)應(yīng)到我們經(jīng)濟(jì)性上，分析我們的項(xiàng)目的可行性。如果被證明可行，就要進(jìn)行實(shí)際的線(xiàn)上的技術(shù)開(kāi)發(fā)，與上線(xiàn)的應(yīng)用等部署。設(shè)計(jì)一個(gè)PHM系統(tǒng)有七個(gè)主要步驟，首先，要做一個(gè)PHM系統(tǒng)，其實(shí)是要判別所面臨的對(duì)象適不適合做PHM，如果適合，要關(guān)注它的哪一類(lèi)故障模式，是什么樣的具體的問(wèn)題。這個(gè)是前期非常重要的要定義出來(lái)的需求，這個(gè)需求通常是做PHM的數(shù)據(jù)科學(xué)家與終端的用戶(hù)，甚至要帶上設(shè)備的制造商一塊兒來(lái)研討定義需求。這個(gè)需求被定義之后，就要定義監(jiān)控層次，具體是要做組件級(jí)的還是設(shè)備級(jí)的，是產(chǎn)線(xiàn)級(jí)還是工程級(jí)的？之后要選擇模型，在這個(gè)層級(jí)的模型選擇要定義場(chǎng)景到底是要是強(qiáng)數(shù)據(jù)弱機(jī)理，還是弱機(jī)理強(qiáng)數(shù)據(jù)，甚至是機(jī)理跟數(shù)據(jù)都強(qiáng)，取決于要用哪一個(gè)類(lèi)型的模型。舉例來(lái)說(shuō)：機(jī)理比較強(qiáng)，但是數(shù)據(jù)很少，這個(gè)時(shí)候就要借鑒一些領(lǐng)域知識(shí)，盡量用基于機(jī)理的模型做數(shù)據(jù)的分析；有的時(shí)候數(shù)據(jù)量很大，但是對(duì)系統(tǒng)不是很了解，這樣就比較適合用純粹的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)做。接下來(lái)就要選擇一些關(guān)鍵的參數(shù)，這個(gè)跟前面定義的需求、業(yè)務(wù)目標(biāo)、選擇的要監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)是有非常緊密的關(guān)聯(lián)的。在這一步是要定義到底采集哪些數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有這樣的數(shù)據(jù)，要外加傳感器。如果不能加傳感器，就要回到我們的需求定義層次，減少功能。接下來(lái)就要做部署策略跟實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)要開(kāi)始采集一些能夠進(jìn)行可行性分析的數(shù)據(jù)了。這些數(shù)據(jù)要能夠支撐我們盡量采集完整的工況，并且能夠盡量覆蓋到不同的失效模式。如果能有全生命周期的數(shù)據(jù)的話(huà)，其實(shí)是最好的。第六步，要對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性的可行性進(jìn)行一個(gè)研究，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)建完模了，對(duì)數(shù)據(jù)有一定程度的理解跟分析結(jié)果后，是能夠進(jìn)行一些對(duì)標(biāo)的分析，然后對(duì)應(yīng)到我們經(jīng)濟(jì)性上，分析我們的項(xiàng)目的可行性。如果被證明可行，就要進(jìn)行實(shí)際的線(xiàn)上的技術(shù)開(kāi)發(fā)，與上線(xiàn)的應(yīng)用等部署。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【PHM】PHM算法与智能分析技术——智能维护技术引述的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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