PHM技术评估报告.docx

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1、报告编号:XXXXXXPHM技术评估报告报告人：XXXX单 位：北交大计算机学院时间：2016年11月13日目 录1、技术介绍31. 1 PHM 技术31. 2 PHM技术在动车组的应用现状31. 3 PHM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91、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

2、，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。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

3、成为新 一代设备的重要组成部分，美国国防部认定，PHM技术可以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2015年10月自主研发了 PHM并在C919使用，打破了国际垄断，目前我国对于此方面研究还处于初级阶 段。目前，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 在内的其他多个领域，均表现出了不错的成绩，但是总体还处于初级阶段。1. 2 PHM技术在动车组的应用现状目前投入运营的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，通过3G网络将动车 组运行的状态信息和故障信息传输到地面

4、，通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。目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。

5、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

6、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，导致目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 预测为主目前的故障预测主要是根据通过远程数据 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

7、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 管理目前动车组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）通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

8、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、 动车组目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

9、故障预测的准确性。4确定监测数据的 传输方式米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通过远程数据传 输系统实现实时传输，数据量较大的数据及其 相关的环境参数可通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

10、、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，目前国外在航空航天领域相对比较成熟，并不断扩 展到其他领域，例如交通运输、电子产品等。中国目前对于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

11、”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，相对于其他维修方式，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。但是，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

12、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，但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，但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，但是技术难度较大，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

13、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。此外，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他领域应用的扩展， 技术重现性难度较大，但是攻坚前景较为可观，并

14、且目前国内外具有相对不错的 运营系统。但是，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，目前成熟度较 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，并且也产生了几个比较不错的相关系统，但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

15、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技术在其他行业领域的研究。同时，PHM 技术的发展，一方面能够敦促网络传输技术、传感器技术等其他行业的发展，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我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仅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

16、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。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。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

17、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 其他领域实现状态维修模式，从而

18、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，获得充足有效的监测数据；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

19、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。目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，不仅仅对设备进行检测，还可以适当 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

20、更加有效，更好的促进我国高铁事 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.2016-1-20.39(1):1- 42 吕琛.PHM技术国内外发展情况综述J.计算机测量与控制.2016.24(9) 1-43 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.2005(5)： 626-6304 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.2015:457-4625 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.2008.16(5):591-5946 Lee J,Liao L,Lapira E,et al.Informatics Platform for Designing and Deploying e-Manufacturing SystemsJ.Collaborative Design&Planning for Digital Manufacturing,2009:1-35