美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）于2016年9月發(fā)布《智能制造系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)和健康管理測(cè)量科學(xué)路線圖》，報(bào)告總結(jié)了2014年智能制造系統(tǒng)PHM路線圖研討會(huì)上60多位行業(yè)專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)于PHM的探討及見(jiàn)解，主要涵蓋PHM制造工藝技術(shù)與指標(biāo)、PHM性能評(píng)估、PHM基礎(chǔ)設(shè)施等三方面內(nèi)容。天澤智云將于近期陸續(xù)和大家分享，以下為制造工藝流程技術(shù)與指標(biāo)部分。

概 述

不同于以往基于使用計(jì)劃的維護(hù)方式（例如不論是否有必要，都按照固定時(shí)間間隔來(lái)執(zhí)行維護(hù)），PHM是根據(jù)具體需求在故障發(fā)生前對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，從而對(duì)后續(xù)操作形成顯著影響。簡(jiǎn)言之，PHM可通過(guò)診斷分析確定當(dāng)前系統(tǒng)狀況， 并通過(guò)預(yù)測(cè)方法預(yù)期未來(lái)趨勢(shì)。

PHM制造工藝技術(shù)和指標(biāo)涵蓋：廣泛的工藝、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)；影響狀態(tài)的因素；影響設(shè)備關(guān)鍵性的要素（例如機(jī)器停工期成本、更換成本）；不同機(jī)器類(lèi)型的相關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)（如溫度、壓力和振動(dòng)）；故障和失效關(guān)聯(lián)的可能性。PHM還通過(guò)數(shù)據(jù)采集、診斷、預(yù)測(cè)和使用監(jiān)測(cè)集成的維護(hù)操作，支持系統(tǒng)和設(shè)備高度互聯(lián)的智能制造。

工業(yè)激光切割工藝

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在智能制造環(huán)境中，PHM工藝技術(shù)應(yīng)考慮整個(gè)系統(tǒng)，而不是單個(gè)部件。這增加了PHM的復(fù)雜性，并且需要在標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)收集和分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)培訓(xùn)和軟件互操作性方面取得進(jìn)步。隨著信息和通信技術(shù)越來(lái)越多地融入制造環(huán)境，對(duì)高級(jí)PHM（包括支持標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)管理）的需求將變得越來(lái)越重要。

目 標(biāo)

PHM制造工藝技術(shù)和指標(biāo)的目標(biāo)是加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)質(zhì)改善可靠性（減少計(jì)劃外故障）、提高安全性、及操作人員的態(tài)勢(shì)感知和設(shè)備綜合效率（OEE）。下圖列出了已確定目標(biāo)的要點(diǎn)內(nèi)容。

PHM技術(shù)能夠隨著新的制造設(shè)備或工藝的引入，得到相應(yīng)的發(fā)展。PHM系統(tǒng)最終應(yīng)通過(guò)改進(jìn)設(shè)備性能來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量，即PHM可用于在整個(gè)生命周期中增強(qiáng)產(chǎn)品和工藝流程彈性。了解哪些因素對(duì)KPI產(chǎn)生負(fù)面影響，對(duì)現(xiàn)有或未來(lái)系統(tǒng)的產(chǎn)品和流程改進(jìn)內(nèi)容至關(guān)重要。PHM系統(tǒng)的演變也可以促成不同程度的自動(dòng)化，使系統(tǒng)能夠自我監(jiān)測(cè)和治愈。

期望的能力

對(duì)于支持智能制造流程的PHM，許多功能起著至關(guān)重要的作用。

>> 強(qiáng)大的PHM系統(tǒng)

日益復(fù)雜和互聯(lián)的智能制造系統(tǒng)需要強(qiáng)大的PHM系統(tǒng)來(lái)支持。理想情況下，這些PHM系統(tǒng)可重新配置、擴(kuò)展，具有強(qiáng)大的預(yù)測(cè)和診斷功能，同時(shí)也可實(shí)時(shí)運(yùn)行以及在線訪問(wèn)。它們包括動(dòng)態(tài)重構(gòu)工具，該工具能進(jìn)行情境識(shí)別、預(yù)測(cè)狀態(tài)和感知態(tài)勢(shì)。

敏捷性也是穩(wěn)健PHM系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。這將包括配置的靈活性，傳感和數(shù)據(jù)分析，及隨制造工藝的演變迅速適應(yīng)新的硬件和軟件的能力。為了支撐起敏捷性和靈活性，需要制定分布式PHM概念和標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)與PHM相關(guān)的機(jī)器協(xié)作將需要智能傳感能力。

>> 數(shù)據(jù)傳感/控制

高優(yōu)先級(jí)是能夠有效、安全地收集、管理數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為切實(shí)可行的信息的能力。

設(shè)備數(shù)據(jù)、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的通用接口是一個(gè)關(guān)鍵因素。通用測(cè)量和數(shù)據(jù)分類(lèi)需要標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)能力需要足夠高，同時(shí)要保持?jǐn)?shù)據(jù)含義。需要將數(shù)據(jù)的語(yǔ)義識(shí)別和記錄之間的鏈接與關(guān)系知識(shí)保存相結(jié)合。需要集成網(wǎng)絡(luò)和互操作性來(lái)為PHM實(shí)現(xiàn)通信的“無(wú)縫數(shù)據(jù)流”。這類(lèi)系統(tǒng)也應(yīng)高效（例如，只處理一次數(shù)據(jù)）。

需要制定準(zhǔn)則，以確定哪些數(shù)據(jù)重要，從所有類(lèi)型的數(shù)據(jù)中提取最大價(jià)值并確定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。雖然可能有大量數(shù)據(jù)，但并非所有數(shù)據(jù)對(duì)決策都至關(guān)重要。需要更好的“大數(shù)據(jù)”分布式查詢和分析工具，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的 PHM；需要智能分析以確定哪些數(shù)據(jù)最相關(guān)（例如，數(shù)據(jù)的通用界面語(yǔ)義）。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要與支持PHM的具有成本效益的傳感和控制系統(tǒng)相結(jié)合?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)提供實(shí)時(shí)、閉路反饋且應(yīng)靈活（可調(diào)）；這些都可以支持“智能”或能自我感知并最終能基于PHM輸入自行調(diào)整的智能機(jī)器。將需要自我感知傳感器和/或測(cè)量系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到了切實(shí)可行的決策要求。

PHM集成到企業(yè)范圍內(nèi)的能力（規(guī)劃、生產(chǎn)、資源分配等）是另一個(gè)期望的能力。企業(yè)規(guī)劃?rùn)C(jī)器數(shù)據(jù)采集可以包括機(jī)器工作分配、機(jī)器維護(hù)優(yōu)化、耗材訂購(gòu)、資源規(guī)劃等。這將支持用戶友好的決策工具，使實(shí)時(shí)計(jì)劃，發(fā)生避免問(wèn)題。

>> 指標(biāo)

確定的支持PHM的一系列指標(biāo)。指標(biāo)的主要特征包括以下測(cè)量：

• PHM系統(tǒng)的整體精度

• 靈活性（即根據(jù)需要調(diào)整指標(biāo)的能力）

• 與目標(biāo)、技術(shù)參數(shù)或KPI相關(guān)的性能

• 獨(dú)特的機(jī)械/工藝特征

• 數(shù)據(jù)質(zhì)量和效用

• 傳感器性能和效用

建議建立從機(jī)器到企業(yè)的多層面指標(biāo)。需要新的能力來(lái)測(cè)量輸入關(guān)鍵指標(biāo)的某些參數(shù)。

挑戰(zhàn)與障礙

>> 數(shù)據(jù)傳感/控制

數(shù)據(jù)采集及從數(shù)據(jù)中提取有效信息受到很多挑戰(zhàn)因素的影響。系統(tǒng)（如傳感器、數(shù)據(jù)、通信機(jī)器）之間的互操作性仍是其中重要的因素，需解決以促進(jìn)智能制造業(yè)中PHM的進(jìn)一步進(jìn)展。

由于眾多原因，數(shù)據(jù)的質(zhì)量、效用和可用性不足。自動(dòng)數(shù)據(jù)收集受限，意味著收集的數(shù)據(jù)可能不可靠。手動(dòng)收集的持續(xù)廣泛應(yīng)用是其中一個(gè)促成因素；手動(dòng)收集的數(shù)據(jù)通常分辨率低且不準(zhǔn)確，使得難以很好地了解全過(guò)程。且手動(dòng)收集過(guò)程通常需要專(zhuān)家人員設(shè)置、調(diào)整、配置和數(shù)據(jù)解讀。

數(shù)據(jù)收集的技術(shù)歲早已存在，但并不總是有有效的方法來(lái)跟蹤或解讀數(shù)據(jù)（或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的信息）。需要新的技術(shù)和方法來(lái)填補(bǔ)這一空白。共享PHM數(shù)據(jù)和最佳實(shí)踐也存在諸多問(wèn)題；不同數(shù)據(jù)的格式、標(biāo)準(zhǔn)、PHM自定義使得難以在公司之間甚至企業(yè)內(nèi)部共享信息。

>> 預(yù)測(cè)模型

預(yù)后技術(shù)相對(duì)不成熟（仍處于開(kāi)發(fā)階段），因此模型可能缺乏精密性、有效性和適用性。支持PHM的預(yù)測(cè)模型的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是缺乏用于預(yù)測(cè)驗(yàn)證的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)（例如解讀偏離基線意味著什么）。預(yù)測(cè)模型，特別是那些與有多個(gè)組件的高度互聯(lián)系統(tǒng)相聯(lián)的模型本質(zhì)上是復(fù)雜的，更難以集成和驗(yàn)證。如今，網(wǎng)絡(luò)化的預(yù)測(cè)機(jī)器診斷技術(shù)顯然也還欠缺。

優(yōu)先路線圖主題

根據(jù)以上被確定的最為重要的挑戰(zhàn)和期望的能力，優(yōu)先制定了三種路線圖以支持PHM制造工藝技術(shù)和指標(biāo)，同時(shí)有助于將PHM的發(fā)展集成到智能制造的流程中。

>> 用于智能制造PHM的先進(jìn)傳感器

障礙：對(duì)傳感器的功能、界面，以及PHM互操作性要求的總體概況的了解有限；當(dāng)前PHM系統(tǒng)缺乏重新配置性、靈活性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)健性，無(wú)法支持機(jī)器動(dòng)態(tài)任務(wù)重新派遣、體積和工藝變化、制造企業(yè)典型產(chǎn)品差異化。

方法：這種多步驟方法將編制當(dāng)前傳感器的清單，并找出PHM在互操作性、可擴(kuò)展性、靈活性、配置和其他因素方面的差距。然后將為傳感器用例開(kāi)發(fā)可訪問(wèn)庫(kù)和分類(lèi)。最后，將開(kāi)發(fā)多用途傳感器并編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)靈活和可重新配置的PHM系統(tǒng)。

>> PHM數(shù)據(jù)格式、分類(lèi)和架構(gòu)

障礙：傳感/數(shù)據(jù)格式和通信類(lèi)型缺乏互操作性；保存數(shù)據(jù)意義/語(yǔ)義。

方法：此路線圖將為PHM創(chuàng)建數(shù)據(jù)分類(lèi)，涵蓋格式、存儲(chǔ)、組織、語(yǔ)義和其他元素。將制定標(biāo)準(zhǔn)，以支持分類(lèi)以及數(shù)據(jù)界面和集成。將應(yīng)用分類(lèi)和架構(gòu)來(lái)建立PHM數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。

>> 用于維護(hù)計(jì)劃的企業(yè)級(jí)PHM

障礙：從各制造業(yè)數(shù)據(jù)源收集和分析數(shù)據(jù)（可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器、人）。識(shí)別關(guān)鍵數(shù)據(jù)方法有限；在發(fā)生工藝變更的情境下（情境化數(shù)據(jù)）發(fā)生工藝變更時(shí)難以解讀含義（切實(shí)可行的信息）；缺乏有統(tǒng)一格式和數(shù)據(jù)架構(gòu)（建設(shè)、規(guī)劃、定義、數(shù)據(jù)整合）的數(shù)據(jù)庫(kù)。

方法：在第一階段，將優(yōu)先考慮系統(tǒng)要素對(duì)故障的影響，并制定維護(hù)規(guī)劃PHM方法。第二階段將整合全企業(yè)的后勤和實(shí)時(shí)信息。需要采取算法，通過(guò)不斷變化的輸入和要素、分析業(yè)績(jī)?cè)u(píng)估支持多目標(biāo)優(yōu)化，最后進(jìn)行反饋和控制。

本報(bào)告由天澤智云翻譯并整理自 Measurement Science Roadmap for Prognostics and Health Management for Smart Manufacturing Systems , NIST, 2016