phm技术评估报告

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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311 PHM 技术 .312 PHM 技术在动车组的应用现状 .313 PHM 技术在动车组的发展趋势 .52、技术评价621 技术创新度评价.622 技术经济指标先进程度.623 技术难度和复杂度.724 技术重现性和成熟度.725 对推动科技进步和提高市场竞争力作用.726 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、技术介绍11 PHM 技术技术PHM 技术（Prognostics and Health Management

2、） ，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

3、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。12 PHM 技术在动车组的应用现状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

4、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，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

5、 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

6、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

7、 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。13 PHM 技术在动车组的发展趋势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

8、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

9、测的需要，选择传感器安装的位置。3确定关键部件故根据关键部件的故障统计分析，确定关键障预测与状态管 理的特征量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

10、 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、技术评价21 技术创新度评价技术创新度评价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

11、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。22 技术经济指标先进程度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

12、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。23 技术难度和复杂度技术难度和复杂度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

13、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。 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，PH

14、M 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。24 技术重现性和成熟度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。25 对推

15、动科技进步和提高市场竞争力作用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，

16、 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。26 经济效益和社会效益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