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PHM技术评估报告

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2020年4月19日
文档仅供参考
报告编号：XXXXXX

PHM技术评估报告

报告人：
XXXX
单 位：
北交大计算机学院
时 间：
11月13日

目 录
1、技术介绍 3
1．1 PHM技术 3
1．2 PHM技术在动车组的应用现状 3
1．3 PHM技术在动车组的发展趋势 5
2、技术评价 6
2．1技术创新度评价 6
2．2技术经济指标先进程度 6
2．3技术难度和复杂度 7
2．4技术重现性和成熟度 7
2．5对推动科技进步和提高市场竞争力作用 7
2．6经济效益和社会效益 8
3、评估总结 8
4、评估参考材料 9

1、技术介绍
1．1 PHM技术
PHM技术（Prognostics and Health Management），中文全称为故障预测与健康管理技术，是指利用先进的传感器技术，获取系统运行状态信息和故障信息，借住神经网络、模糊推理等算法，根据系统历史数据和环境因素，对系统进行状态监测、故障预测，同时对系统的健康状态进行评估，结合地面维修资源情况，给出维修决策，以实现关键部件的实情维修[1]。
PHM技术包含两部分内容：一是故障预测，即预先诊断部件或系统完成其功能的状态，也就是可靠性；二是健康管理，根据诊断/预测信息，可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策的能力。[2]

图1-1 PHM技术与应用范围
PHM技术起源于航空航天军事领域，也最早应用于航空航天领域（美国F35战机），波音公司率先引入AHM系统[3-4]，PHM在不断发展的过程中，逐步成为新一代设备的重要组成部分，美国国防部认定，PHM技术能够显著降低使用和保障费用，同时提高设备安全和可用性的综合技术。中国在 10月自主研发了PHM并在C919使用，打破了国际垄断，当前中国对于此方面研究还处于初级阶段。当前，PHM技术已经从航空航天领域不断扩展到包含电子产品、轨道交通等在内的其它多个领域，均表现出了不错的成绩，可是总体还处于初级阶段。
1．2 PHM技术在动车组的应用现状
当前投入运营的 CRH1、CRH2、CRH3 和 CRH5型系列动车组，都安装了传感器采集关键部件的状态信息，并安装了远程数据传输系统，经过 3G 网络将动车组运行的状态信息和故障信息传输到地面，经过地面数据解析系统使地面运用维护人员可及时了解动车组的运行状态和故障情况。可实现部分关键部件故障的早期发现并及时处理。
PHM 技术应用于动车组，可实现现有修程修制的优化，并为实现视情维修奠定基础。当前动车组的修程修制主要包括运用修和高级修，其主要根据是动车组的运用里程及故障信息，易出现过度维修和维修不足的现象。设备出现故障时维修，易造成晚点和机破，影响动车组的运营秩序。为此，在动车组上应用故障预测与健康管理技术意义重大。
动车组 PHM 总体框架图和技术框架分别如图1-2，图 1-3 所示[1]，总体框架图包括数据采集系统、信号处理模块、状态评估模块、故障诊断模块、分析决策模块以及人机交互。技术框架包括数据采集、状态监控、健康评估、故障预警、决策支持等部分。

图1-2 PHM总体框架图

图1-3 动车组PHM技术框架

PHM技术在动车组应用存在如下不足之处，需要建立动车组基础数据、运用数据、维护数据、检修数据数据库，从数据库中读取相关的状态信息进行推理诊断，从而实现车组及关键部件故障预警、健康状态评估及寿命预测，并为运用、维修人员提供决策支持。PHM在动车组应用的不足之处详见下表[1]：
表1-1 PHM在动车组应用的不足之处
存在不足
详细介绍
故障诊断范围小
传感器安装的数量少，种类不够齐全，导致故障诊断范围小。
故障地位不准确
受诊断部件处理能力的限制，主要根据单一判据进行故障诊断，只能给出可能的故障原因，不能实现故障的准确定位。受设计、安装空间等因素的影响，安装的传感器数量、种类有限，获取的信息不够全面，导致各关键部件的故障定位准确率较低。
误报警率高
动车组运用环境恶劣，传感器的可靠性较差，导致当前动车组运营过程中传感器的误报警率较高。
故障预测以阈值预测为主
当前的故障预测主要是根据经过远程数据传输系统传输到地面的数据（重点是轴箱、齿轮箱的温度数据等）预先设定的阈值给出预警信息，未建立相应的预测模型，不能实现趋势预警、突变预警等功能。
未实现故障综合诊断
动车组 PHM 系统车载设备主要实现单一判据的故障诊断，地面设备接收车载设备传输的状态数据和故障诊断信息也只是单一判据诊断的故障信息，未进行综合诊断，导致准确率较低。
未实现健康状态管理
当前动车组 PHM 技术主要实现了故障检测、故障诊断，部分关键部件（如轴箱轴承、齿轮箱轴承、电机轴承）经过温度变化可实现故障预测，但未实现关键部件健康状态管理。

1．3 PHM技术在动车组的发展趋势
随着世界经济的发展，动车组制造业正在从“制造企业”向“制造服务型企业”转变，逐渐形成了市场和服务价值高于制造的理念。为此新兴的动车组故障预测与健康管理技术（PHM）可望改变传统的动车组维修模式，并为动车组故障预测、健康管理等应用提供基础。
实现PHM技术的进一步发展，需要针对表1-1中的问题进行针对性解决，具体解决方案如下表1-2所示[1]：
表1-2 PHM技术发展实施方案
编号
方案
详细说明
1
确定需要检测关键部件
按照影响列车运行安全，在动车组现有各部件监测状态的基础上，对影响列车运行安全和秩序的关键部件进行监测。
2
确定安装传感器的种类和位置
根据关键部件故障预测与健康管理要求、动车组当前安装传感器的情况，确定安装传感器的种类和位置。传感器选择时，要着重考虑安装传感器部位的工作环境。同时要根据故障预测的需要，选择传感器安装的位置。
3
确定关键部件故障预测与状态管理的特征量
根据关键部件的故障统计分析，确定关键部件故障预测与状态管理的特征量。一般情况下选取影响关键部件安全和功能的关键参数，提高故障预测的准确性。
4
确定监测数据的传输方式
采用新增以太网传输新增传感器的数据，并和原有列车网络控制系统接口，实现动车组在途预警和故障诊断。
5
确定车地之间的数据传输方式
建议关键部件的关键数据经过远程数据传输系统实现实时传输，数据量较大的数据及其相关的环境参数可经过地面数据自动下载系统和人工数据下载的方式传输到地面数据处理中心。
6
建立地面数据处理中心
利用传输到地面数据处理中心的数据，进行大数据处理，开展数据融合和数据挖掘等工作。建立关键部件故障预测与健康管理模型，采用先进的推理算法，实现关键部件的故障预测与健康管理。

随着传感器技术、数据融合技术、数据挖掘技术、人工智能技术、大数据应用技术的发展，动车组故障预测与健康管理技术应用范围将不断扩大，进而实现动车组故障预测和健康管理、修程修制的优化以及由计划维修向状态维修的转变，提高动车组的运用效率和运营品质。

2、技术评价
2．1技术创新度评价
PHM技术起源于上世纪，当前国外在航空航天领域相对比较成熟，并不断扩展到其它领域，例如交通运输、电子产品等。中国当前对于PHM技术的研究还处于初级阶段。
中国高铁和动车组技术现已发展多年，高铁的发展也逐步从“制造”阶段转化到“制造+维修”的阶段。为了更好提高维修效率，降低维修成本，保障高铁动车组运营安全，因此，提出更好的维修策略，实现维修方式从“计划修”转为“状态修”是非常重要的。PHM技术作为一种新兴的设备状态检测和健康管理的技术，已经长期存在于航空航天设备的检测和维修，并逐步发展成熟，且取得了不错的效果。因此，将PHM技术引入动车组设计，并使之成为其重要组成部分，更好的帮助动车组实现设备故障预测和健康管理是一大创新之举。

2．2技术经济指标先进程度
从技术成本上看，PHM技术较为先进，具有较高的复杂性，对于系统设计结构和技术难度均有较高的要求，相对于其它维修方式，设计成本较大，特别是在系统使用过程中的实时监测也会提高检测成本。可是，其设计完成后，所带来的后期经济效益也会是非常显著的（经济效益将在后面进行介绍），特别是能够在一定程度上延长动车组使用寿命，也就相当于降低了运营成本，维修过程虽然实时检测，可是能够有效避免过度维修，也同样会降低维修成本。
综上所述，虽然研发成本较大，可是在很大程度上能够节约运营和维修成本，总体上说，还是经济收益非常可观的。

2．3技术难度和复杂度
PHM技术虽然具有较好的效益，可是技术难度较大，复杂度强。动车组中，PHM技术设计传感器、网络传输、数据融合、特征提取、状态评估、专家系统决策等多个方面。
PHM技术框架中每个方面又受制于多种因素限制，例如：数据采集中传感器的种类、位置、以及工作稳定性等都是较大的难题，特征提取中，多种数学模型的不断优化以保证其准确性也是值得攻坚的部分，采集数据的传输需要网络传输技术的发展，等等。因此，从技术实现方面，PHM技术还具有较大的设计难度。
另外使用了PHM技术作为核心的动车组维修系统，设计内容广泛，结构复杂，其涵盖了数据采集系统，数据传输系统、状态评估模块、专家系统分析决策等多个模块，每个模块设计技术广泛复杂，因此，具有较大的系统复杂性。
综上所述，PHM技术为核心的动车组维修系统，具有较大的技术难度和系统复杂性。PHM技术实现，需要多个方面内容的共同进步，统一行业规范标准也是一项难度非常大的工作。

2．4技术重现性和成熟度
PHM技术在动车组的应用，也就是其从航空航天领域到其它领域应用的扩展，技术重现性难度较大，可是攻坚前景较为可观，而且当前国内外具有相对不错的运营系统。可是，总体来说，各个国家对于PHM技术在高铁动车组领域的应用还处于初级阶段，技术程度不足，缺乏统一完善的行业标准。
综上所述，PHM技术在动车组的应用上，技术重现难度交大，当前成熟度较低，还需要进一步发展，建立统一的行业标准。

2．5对推动科技进步和提高市场竞争力作用
PHM技术以往主要应用于航空航天领域，并具备一定成熟标准。近年来随着高铁技术的发展，逐步引入到高铁运输领域。虽然，国内外在此方面都有一定研究，而且也产生了几个比较不错的相关系统，可是总体上还处于初级阶段，行业标准还没有有完全建立成熟标准。
PHM技术标准建立和技术发展，在一定程度上对于各个国家对应领域的研究具有重要的借鉴意义，同时有助于PHM技术在其它行业领域的研究。同时，PHM技术的发展，一方面能够敦促网络传输技术、传感器技术等其它行业的发展，同时，其在动车组方面的应用，很大程度上促进动车组系统设计的完备性，并有效提高动车组的寿命，因此，能够很大程度上促进中国高铁动车组建设的发展，帮助高铁事业进一步走出国门。
综上所述，PHM技术在动车组方面的发展不但能够促进各类相关技术的进步，也能够帮助提高高铁建设在国际市场的竞争力。

2．6经济效益和社会效益
从经济效益来看，PHM技术在航空航天领域效益比较显著，以F-35战机为例，使用了PHM技术的飞机的故障不可复现率减少82%，维修人力减少20-40%，后勤规模减小50%，出动架次率提高25%，飞机的使用与保障费用比过去的机种减少了50%以上，而使用寿命达8000飞行小时[5]。统计数据充分证明了PHM在降低维修保障成本，提高武器装备安全性、可用度与完好性，确保任务成功性，提升作战效能方面的重要作用[6]。同时，在高铁动车组领域国内外存在的现有系统，也很大程度上提高了动车组的使用效率，延长了动车组列车的使用寿命，帮助降低运营成本。同时，列车维修过程中，能够及时发现列车状态不佳的关键部件，并进行定点维修，有效的避免了维修不足和过度维修的情况，极大的降低了维修成本。而这两部分成本是动车组运营成本中最大的两个部分，因此，能够极大的提高经济效益。
从环境影响来看，PHM设计中主要模块内容与软件设施和硬件设备均相关，软件设施必然不会对环境产生较大影响，硬件设施中传感器使用必然存在大量的损耗，特别是工作环境恶劣的状态下，传感器损耗速度加剧。大量的传感器废品，如果处理不安全，必然会对环境产生较大损害。另一方面，PHM能够延缓动车组寿命，增加服役时间，避免了大量钢铁材料的浪费，增加了利用率，一定程度上起到保护资源的目的。同时，“状态修”的维修方式，避免了配件的频繁更换，也能够起到保护资源的目的。
从社会效益来看，PHM技术的发展，有助于其在不同领域的拓展研究，帮助其它领域实现状态维修模式，从而更大程度上帮助节约成本，增加经济收益，同时，能够很大程度上节约资源保护环境。
综上所述，PHM技术在经济、环境、社会等方面的效益还是非常可观的。

3、评估总结
PHM技术的发展，依赖于多种技术的综合发展进步，助于一种系统框架模式。因此，要让PHM技术的快速发展，需要多个学科和多种技术的共同努力。
（1）应用技术的发展。例如，传感器技术的不断发展，提高检测数据的准确性，以及传感器工作的稳定性；网络传输技术的发展，能够有助于实时检测设备状态，获得充分有效的监测数据；大数据技术的发展，将进一步促进历史数据的分析，有助于促进专家系统进行综合诊断，等等，这些都将加大的徐进PHM技术在动车组上的进一步发展。
（2）学科理论发展。数据的特征提取，特别是模型的进一步优化，有助于更加高效的对于采集数据进行准确分析，数据学科和模型优化理论的进一步发展，也将进一步促进
（3）统一标准的建立。当前行业缺乏统一成型的行业标准，一个成熟有效的行业标准的建立，能够进一步推动其产业化，并逐步规范化，更大程度上促进其发展进步。
（4）系统模型的进一步优化。例如，不但仅对设备进行检测，还能够适当对恶劣工作状态下和具有关键检测作用的传感器进行检测，能够更好的保障运营的安全性，和系统的正常运行。
总之，PHM技术的发展前景是非常光明的，还需要很多科研工作者付出更多的精力和无私的奉献，让该项技术能够应用的更加有效，更好的促进中国高铁事业的发展。我们也要向孜孜不倦的奋战在高铁建设一线的科研工作者表示敬佩。

4、评估参考材料
[1]常振臣.动车组PHM技术应用现状及展望[J].电力机车与城轨车辆. -1-20.39(1):1-4
[2]吕琛.PHM技术国内外发展情况综述[J].计算机测量与控制. .24(9)1-4
[3]曾声奎.故障预测与健康管理(PHM)技术的现状与发展[J].航空学报. (5)：626-630
[4]李莉.动车组故障预测与健康管理系统研究 [C].北京.电子工业出版社. :457-462
[5]张宝珍.国外综合诊断、预测与健康管理技术的发展及应用[J].计算机测量与控制. .16(5):591-594
[6]Lee J,Liao L,Lapira E,et al.Informatics Platform for Designing and Deploying e-Manufacturing Systems[J].Collaborative Design&Planning for Digital Manufacturing, :1-35