PHM关键技术评估分析报告

汇报编号：XXXXXXPHM技术评定汇报汇报人：XXXX单位：北交大计算机学院时间：11月13日

目录1、技术介绍 31．1PHM技术 31．2PHM技术在动车组的应用现状 31．3PHM技术在动车组的发展趋势 52、技术评价 62．1技术创新度评价 62．2技术经济指标先进程度 62．3技术难度和复杂度 72．4技术重现性和成熟度 72．5对推动科技进步和提高市场竞争力作用 72．6经济效益和社会效益 83、评估总结 84、评估参考材料 9

1、技术介绍1．1PHM技术PHM技术（PrognosticsandHealthManagement），汉字全称为故障估计和健康管理技术，是指利用优异传感器技术，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，依据系统历史数据和环境原因，对系统进行状态监测、故障估计，同时对系统健康状态进行评定，结合地面维修资源情况，给出维修决议，以实现关键部件实情维修[1]。PHM技术包含两部分内容：一是故障估计，即预先诊疗部件或系统完成其功效状态，也就是可靠性；二是健康管理，依据诊疗/估计信息，可用资源和使用需求对维修活动做出合适决议能力。[2]图1-1PHM技术和应用范围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），波音企业率先引入AHM系统[3-4]，PHM在不停发展过程中，逐步成为新一代设备关键组成部分，美国国防部认定，PHM技术能够显著降低使用和保障费用，同时提升设备安全和可用性综合技术。中国在10月自主研发了PHM并在C919使用，打破了国际垄断，现在中国对于此方面研究还处于初级阶段。现在，PHM技术已经从航空航天领域不停扩展到包含电子产品、轨道交通等在内其它多个领域，均表现出了不错成绩，不过总体还处于初级阶段。1．2PHM技术在动车组应用现实状况现在投入运行CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型系列动车组，全部安装了传感器采集关键部件状态信息，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利用维护人员可立即了解动车组运行状态和故障情况。可实现部分关键部件故障早期发觉并立即处理。PHM技术应用于动车组，可实现现有修程修制优化，并为实现视情维修奠定基础。现在动车组修程修制关键包含利用修和高级修，其关键依据是动车组利用里程及故障信息，易出现过分维修和维修不足现象。设备出现故障时维修，易造成晚点和机破，影响动车组运行秩序。为此，在动车组上应用故障估计和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图1-2，图1-3所表示[1]，总体框架图包含数据采集系统、信号处理模块、状态评定模块、故障诊疗模块、分析决议模块和人机交互。技术框架包含数据采集、状态监控、健康评定、故障预警、决议支持等部分。图1-2PHM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以下不足之处，需要建立动车组基础数据、利用数据、维护数据、检修数据数据库，从数据库中读取相关状态信息进行推理诊疗，从而实现车组及关键部件故障预警、健康状态评定及寿命估计，并为利用、维修人员提供决议支持。PHM在动车组应用不足之处详见下表[1]：表1-1PHM在动车组应用不足之处存在不足具体介绍故障诊疗范围小传感器安装数量少，种类不够齐全，造成故障诊疗范围小。故障地位不正确受诊疗部件处理能力限制，关键依据单一判据进行故障诊疗，只能给出可能故障原因，不能实现故障正确定位。受设计、安装空间等原因影响，安装传感器数量、种类有限，获取信息不够全方面，造成各关键部件故障定位正确率较低。误报警率高动车组利用环境恶劣，传感器可靠性较差，造成现在动车组运行过程中传感器误报警率较高。故障估计以阈值估计为主现在故障估计关键是依据经过远程数据传输系统传输到地面数据（关键是轴箱、齿轮箱温度数据等）预先设定阈值给出预警信息，未建立对应估计模型，不能实现趋势预警、突变预警等功效。未实现故障综合诊疗动车组PHM系统车载设备关键实现单一判据故障诊疗，地面设备接收车载设备传输状态数据和故障诊疗信息也只是单一判据诊疗故障信息，未进行综合诊疗，造成正确率较低。未实现健康状态管理现在动车组PHM技术关键实现了故障检测、故障诊疗，部分关键部件（如轴箱轴承、齿轮箱轴承、电机轴承）经过温度改变可实现故障估计，但未实现关键部件健康状态管理。1．3PHM技术在动车组发展趋势伴随世界经济发展，动车组制造业正在从“制造企业”向“制造服务型企业”转变，逐步形成了市场和服务价值高于制造理念。为此新兴动车组故障估计和健康管理技术（PHM）可望改变传统动车组维修模式，并为动车组故障估计、健康管理等应用提供基础。实现PHM技术深入发展，需要针对表1-1中问题进行针对性处理，具体处理方案以下表1-2所表示[1]：表1-2PHM技术发展实施方案编号方案具体说明1确定需要检测关键部件根据影响列车运行安全，在动车组现有各部件监测状态基础上，对影响列车运行安全和秩序关键部件进行监测。2确定安装传感器种类和位置依据关键部件故障估计和健康管理要求、动车组现在安装传感器情况，确定安装传感器种类和位置。传感器选择时，要着重考虑安装传感器部位工作环境。同时要依据故障估计需要，选择传感器安装位置。3确定关键部件故障估计和状态管理特征量依据关键部件故障统计分析，确定关键部件故障估计和状态管理特征量。通常情况下选择影响关键部件安全和功效关键参数，提升故障估计正确性。4确定监测数据传输方法采取新增以太网传输新增传感器数据，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疗。5确定车地之间数据传输方法提议关键部件关键数据经过远程数据传输系统实现实时传输，数据量较大数据及其相关环境参数可经过地面数据自动下载系统和人工数据下载方法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。建立关键部件故障估计和健康管理模型，采取优异推理算法，实现关键部件故障估计和健康管理。伴随传感器技术、数据融合技术、数据挖掘技术、人工智能技术、大数据应用技术发展，动车组故障估计和健康管理技术应用范围将不停扩大，进而实现动车组故障估计和健康管理、修程修制优化和由计划维修向状态维修转变，提升动车组利用效率和运行品质。2、技术评价2．1技术创新度评价PHM技术起源于上世纪，现在国外在航空航天领域相对比较成熟，并不停扩展到其它领域，比如交通运输、电子产品等。中国现在对于PHM技术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，高铁发展也逐步从“制造”阶段转化到“制造+维修”阶段。为了愈加好提升维修效率，降低维修成本，保障高铁动车组运行安全，所以，提出愈加好维修策略，实现维修方法从“计划修”转为“状态修”是很关键。PHM技术作为一个新兴设备状态检测和健康管理技术，已经长久存在于航空航天设备检测和维修，并逐步发展成熟，且取得了不错效果。所以，将PHM技术引入动车组设计，并使之成为其关键组成部分，愈加好帮助动车组实现设备故障估计和健康管理是一大创新之举。2．2技术经济指标优异程度从技术成本上看，PHM技术较为优异，含有较高复杂性，对于系统设计结构和技术难度全部有较高要求，相对于其它维修方法，设计成本较大，尤其是在系统使用过程中实时监测也会提升检测成本。不过，其设计完成后，所带来后期经济效益也会是很显著（经济效益将在后面进行介绍），尤其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行成本，维修过程即使实时检测，不过能够有效避免过分维修，也一样会降低维修成本。总而言之，即使研发成本较大，不过在很大程度上能够节省运行和维修成本，总体上说，还是经济收益很可观。2．3技术难度和复杂度PHM技术即使含有很好效益，不过技术难度较大，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、状态评定、教授系统决议等多个方面。PHM技术框架中每个方面又受制于多个原因限制，比如：数据采集中传感器种类、位置、和工作稳定性等全部是较大难题，特征提取中，多个数学模型不停优化以确保其正确性也是值得攻坚部分，采集数据传输需要网络传输技术发展，等等。所以，从技术实现方面，PHM技术还含有较大设计难度。另外，使用了PHM技术作为关键动车组维修系统，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、状态评定模块、教授系统分析决议等多个模块，每个模块设计技术广泛复杂，所以，含有较大系统复杂性。总而言之，PHM技术为关键动车组维修系统，含有较大技术难度和系统复杂性。PHM技术实现，需要多个方面内容共同进步，统一行业规范标准也是一项难度很大工作。2．4技术重现性和成熟度PHM技术在动车组应用，也就是其从航空航天领域到其它领域应用扩展，技术重现性难度较大，不过攻坚前景较为可观，而且现在中国外含有相对不错运行系统。不过，总体来说，各个国家对于PHM技术在高铁动车组领域应用还处于初级阶段，技术程度不足，缺乏统一完善行业标准。总而言之，PHM技术在动车组应用上，技术重现难度交大，现在成熟度较低，还需要深入发展，建立统一行业标准。2．5对推进科技进步和提升市场竞争力作用PHM技术以往关键应用于航空航天领域，并含有一定成熟标准。多年来伴随高铁技术发展，逐步引入到高铁运输领域。即使，中国外在此方面全部有一定研究，而且也产生了多个比较不错相关系统，不过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研究含相关键借鉴意义，同时有利于PHM技术在其它行业领域研究。同时，PHM技术发展，首先能够敦促网络传输技术、传感器技术等其它行业发展，同时，其在动车组方面应用，很大程度上促进动车组系统设计完备性，并有效提升动车组寿命，所以，能够很大程度上促进中国高铁动车组建设发展，帮助高铁事业深入走出国门。总而言之，PHM技术在动车组方面发展不仅能够促进各类相关技术进步，也能够帮助提升高铁建设在国际市场竞争力。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技术飞机故障不可复现率降低82%，维修人力降低20-40%，后勤规模减小50%，出动架次率提升25%，飞机使用和保障费用比过去机种降低了50%以上，而使用寿命达8000飞行小时[5]。统计数据充足证实了PHM在降低维修保障成本，提升武器装备安全性、可用度和完好性，确保任务成功性，提升作战效能方面关键作用[6]。同时，在高铁动车组领域中国外存在现有系统，也很大程度上提升了动车组使用效率，延长了动车组列车使用寿命，帮助降低运行成本。同时，列车维修过程中，能够立即发觉列车状态不佳关键部件，并进行定点维修，有效避免了维修不足和过分维修情况，极大降低了维修成本。而这两部分成本是动车组运行成本中最大两个部分，所以，能够极大提升经济效益。从环境影响来看，PHM设计中关键模块内容和软件设施和硬件设备均相关，软件设施肯定不会对环境产生较大影响，硬件设施中传感器使用肯定存在大量损耗，尤其是工作环境恶劣状态下，传感器损耗速度加剧。大量传感器废品，假如处理不安全，肯定会对环境产生较大损害。其次，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浪费，增加了利用率，一定程度上起到保护资源目标。同时，“状态修”维修方法，避免了配件频繁更换，也能够起到保护资源目标。从社会效益来看，PHM技术发展，有利于其在不一样领域拓展研究，帮助其它领域实现实状况态维修模式，从而更大程度上帮助节省成本，增加经济收益，同时，能够很大程度上节省资源保护环境。总而言之，PHM技术在经济、环境、社会等方面效益还是很可观。3、评定总结PHM技术发展，依靠于多个技术综合发展进步，助于一个系统框架模式。所以，要让PHM技术快速发展，需要多个学科和多个技术共同努力。（1）应用技术发展。比如，传感器技术不停发展，提升检测数据正确性，和传感器工作稳定性；网络传输技术发展，能够有利于实时检测设备状态，取得充足有效监测数据；大数据技术发展，将深入促进历史数据分析，有利于促进教授系统进行综合诊疗，等等，这些全部将加大徐进PHM技术在动车组上深入发展。（2）学科理论发展。数据特征提取，尤其是模型深入优化，有利于愈加高效对于采集数据进行正确分析，数据学科和模型优化理论深入发展，也将深入促进（3）统一标准建立。现在行业缺乏统一成型行业标准，一个成熟有效行业标准建立，能够深入推进其产业化，并逐步规范化，更大程度上促进其发展进步。（4）系统模型深入优化。比如，不仅仅对设备进行检测，还能够合适对恶劣工作状态下和含相关键检测作用传感器进行检测，能够愈加好保障运行安全性，和系统正常运行。总而言之，PHM技术发展前景是很光明，还需要很多科研工作者付出更多精力和无私奉献，让该项技术能够应用愈加有效，愈加好促进中国高铁事业发展。我们也要向孜孜不倦奋战在高铁建设一线科研工作者表示敬佩。4、评定参考材料[1]常振臣.动车组PHM技术应用现实状况及展望[J].电力机车和城轨车辆.-1-20.39(1):1-4[2]吕琛.PHM技术中国外发展情况综述[J].计算机测量和控制..24(9)1-4[3]曾声奎.故障估计和健康管理(PHM)技术现