1、報告編號:XXXXXXPHM技術評估報告報告人：XXXX單位：北交大電腦學院時間：2016年11月13日1、技術介紹31. 1PHM技術31. 2PHM技術在動車組的應用現狀33PHM技術在動車組的發展趨勢52、技術評價61. 1技術創新度評價62. 2技術經濟指標先進程度6.2. 3技術難度和復雜度72.4技術重現性和成熟度72.5對推動科技進步和提高市場競爭力作用.7.2.6經濟效益和社會效益83、評估總結84、評估參考材料91、技術介紹1.1PHM技術PHM技術PrognosticsandHealthManagement,中文全稱為故障預測與健康管理技術，是指利用先進的傳感器技術，獲取系

2、統運行狀態信息和故障信息，借住神經網絡、模糊推理等算法，根據系統歷史數據和環境因素，對系統進行狀態監測、故障預測，同時對系統的健康狀態進行評估，結合地面維修資源情況，給出維修決策，以實現關鍵部件的實情維修1。PHM技術包含兩部分內容：一是故障預測，即預先診斷部件或系統完成其功能的狀態，也就是可靠性；二是健康管理，根據診斷/預測信息，可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策的能力。2圖1-1PHM技術與應用范圍PHM技術起源丁航空航天軍事領域，也最早應用丁航空航天領域美國F35戰機，波音公司率先引入AHM系統3-4,PHM在不斷發展的過程中，逐步成為新一代設備的重要組成部分，美國國防部認定，PH

3、M技術可以顯著降低使用和保障費用，同時提局設備安全和可用性的綜合技術。中國在2015年10月自主研發了PHM并在C919使用，打破了國際壟斷，目前我國對丁此方面研究還處丁初級階段。目前，PHM技術已經從航空航天領域不斷擴展到包含電子產品、軌道交通等在內的其他多個領域，均表現出了不錯的成績，但是總體還處丁初級階段。1.2PHM技術在動車組的應用現狀目前投入運營的CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型系列動車組，都安裝了傳感器采集關鍵部件的狀態信息，并安裝了遠程數據傳輸系統，通過3G網絡將動車組運行的狀態信息和故障信息傳輸到地面，通過地面數據解析系統使地面運用維護人員可及時了解動車組的運行狀態和

4、故障情況?？蓪崿F部分關鍵部件故障的早期發現并及時處理。PHM技術應用丁動車組，可實現現有修程修制的優化，并為實現視情維修奠定基礎。目前動車組的修程修制主要包括運用修和高級修，其主要根據是動車組的運用里程及故障信息，易出現過度維修和維修不足的現象。設備出現故障時維修，易造成晚點和機破，影響動車組的運營秩序。為此，在動車組上應用故障預測與健康管理技術意義重大。動車組PHM總體框架圖和技術框架分別如圖1-2,圖1-3所示1,總體框架圖包括數據采集系統、信號處理模塊、狀態評估模塊、故障診斷模塊、分析決策模塊以及人機交互。技術框架包括數據采集、狀態監控、健康評估、故障預警、決策支持等部分。圖1-2PHM

5、總體框架圖監控界血狀加岫即護阿田性中心界而橫型厚廠故障袖理慎適叱學習眼枚障熬普監而函4教數據高憤教據外部散握掛門圖1-3動車組PHM技術框架PHM技術在動車組應用存在如下不足之處，需要建立動車組基礎數據、運用數據、維護數據、檢修數據數據庫，從數據庫中讀取相關的狀態信息進行推理診斷，從而實現車組及關鍵部件故障預警、健康狀態評估及壽命預測，并為運用、維修人員提供決策支持。PHM在動車組應用的不足之處詳見下表1:表1-1PHM在動車組應用的不足之處存在不足詳細介紹故障診斷范圍小傳感器安裝的數量少，種類不夠齊全，導致故障診斷范圍小。故障地位不準確受診斷部件處理能力的限制，主要根據單一判據進行故障診斷，

6、只能給出可能的故障原因，不能實現故障的準確定位。受設計、安裝空間等因素的影響，安裝的傳感器數量、種類有限，獲取的信息不夠全面，導致各關鍵部件的故障定位準確率較低。誤報警率局動車組運用環境惡劣，傳感器的可靠性較差，導致目前動車組運營過程中傳感器的誤報警率較局。故障預測以閾值預測為主目前的故障預測主要是根據通過遠程數據傳輸系統傳輸到地面的數據重點是軸箱、齒輪箱的溫度數據等預先設定的閾值給出預警信息，未建立相應的預測模型，不能實現趨勢預警、突變預警等功能。未實現故障綜合診斷動車組PHM系統車載設備主要實現單一判據的故障診斷，地面設備接收車載設備傳輸的狀態數據和故障診斷信息也只是單一判據診斷的故障信息

7、，未進行綜合診斷，導致準確率較低。未實現健康狀態管理目前動車組PHM技術主要實現了故障檢測、故障診斷，部分關鍵部件如軸箱軸承、齒輪箱軸承、電機軸承通過溫度變化可實現故障預測，但未實現關鍵部件健康狀態管理。1.3PHM技術在動車組的發展趨勢隨著世界經濟的發展，動車組制造業正在從“制造企業”向“制造服務型企業”轉變，逐漸形成了市場和服務價值高丁制造的理念。為此新興的動車組故障預測與健康管理技術PHM可望改變傳統的動車組維修模式，并為動車組故障預測、健康管理等應用提供基礎。實現PHM技術的進一步發展，需要針對表1-1中的問題進行針對性解決，具體解決方案如下表1-2所示1:表1-2PHM技術發展實施方

8、案編勺萬案詳細說明1確定需要檢測關鍵部件按照影響列車運行安全，在動車組現有各部件監測狀態的基礎上，對影響列車運行安全和秩序的關鍵部件進行監測。2確定安裝傳感器的種類和位置根據關鍵部件故障預測與健康管理要求、動車組目前安裝傳感器的情況，確定安裝傳感命的種類和位置。傳感命選擇時，要著重考慮安裝傳感器部位的工作環境。問時要根據故障預測的需要，選擇傳感器安裝的位置。3確定關鍵部件故障預測與狀態管根據關鍵部件的故障統計分析，確定關鍵部件故障預測與狀態管理的特征量。一般情況理的特征量下選取影響關鍵部件安全和功能的關鍵參數，提高故障預測的準確性。4確定監測數據的傳輸方式米用新增以太網傳輸新增傳感器的數據，并

9、和原有列車網絡控制系統接口，實現動車組在途預警和故障診斷。5確定車地之間的數據傳輸方式建議關鍵部件的關鍵數據通過遠程數據傳輸系統實現實時傳輸，數據量較大的數據及其相關的環境參數可通過地面數據自動下載系統和人工數據下載的方式傳輸到地面數據處理中心。6建立地面數據處理中心利用傳輸到地面數據處理中心的數據，進行大數據處理，開展數據融合和數據挖掘等工作。建立關鍵部件故障預測與健康管理模型，采用先進的推理算法，實現關鍵部件的故障預測與健康管理。隨著傳感器技術、數據融合技術、數據挖掘技術、人工智能技術、大數據應用技術的發展，動車組故障預測與健康管理技術應用范圍將不斷擴大，進而實現動車組故障預測和健康管理、

10、修程修制的優化以及由計劃維修向狀態維修的轉變，提高動車組的運用效率和運營品質。2、技術評價2.1技術創新度評價PHM技術起源丁上世紀，目前國外在航空航天領域相比照較成熟，并不斷擴展到其他領域，例如交通運輸、電子產品等。中國目前對丁PHM技術的研究還處丁初級階段。中國高鐵和動車組技術現已發展多年，高鐵的發展也逐步從“制造”階段轉化到“制造+維修”的階段。為了更好提高維修效率，降低維修成本，保障高鐵動車組運營安全，因此，提出更好的維修策略，實現維修方式從“計劃修”轉為“狀態修”是非常重要的。PHM技術作為一種新興的設備狀態檢測和健康管理的技術，已經長期存在丁航空航天設備的檢測和維修，并逐步發展成熟

11、，且取得了不錯的效果。因此，將PHM技術引入動車組設計，并使之成為其重要組成部分，更好的幫助動車組實現設備故障預測和健康管理是一大創新之舉。2.2技術經濟指標先進程度從技術成本上看，PHM技術較為先進，具有較高的復雜性，對丁系統設計結構和技術難度均有較高的要求，相對丁其他維修方式，設計成本較大，特別是在系統使用過程中的實時監測也會提高檢測成本。但是，其設計完成后，所帶來的后期經濟效益也會是非常顯著的經濟效益將在后面進行介紹，特別是能夠在一定程度上延長動車組使用壽命，也就相當于降低了運營成本，維修過程雖然實時檢測，但是能夠有效防止過度維修，也同樣會降低維修成本。綜上所述，雖然研發成本較大，但是在

12、很大程度上能夠節約運營和維修成本，總體上說，還是經濟收益非?？捎^的。2.3技術難度和復雜度PHM技術雖然具有較好的效益，但是技術難度較大，復雜度強。動車組中，PHM技術設計傳感器、網絡傳輸、數據融合、特征提取、狀態評估、專家系統決策等多個方面。PHM技術框架中每個方面乂受制于多種因素限制，例如：數據采集中傳感器的種類、位置、以及工作穩定性等都是較大的難題，特征提取中，多種數學模型的不斷優化以保證其準確性也是值得攻堅的部分，采集數據的傳輸需要網絡傳輸技術的發展，等等。因此，從技術實現方面，PHM技術還具有較大的設計難度。此外，使用了PHM技術作為核心的動車組維修系統，設計內容廣泛，結構復雜，其涵

13、蓋了數據采集系統，數據傳輸系統、狀態評估模塊、專家系統分析決策等多個模塊，每個模塊設計技術廣泛復雜，因此，具有較大的系統復雜性。綜上所述，PHM技術為核心的動車組維修系統，具有較大的技術難度和系統復雜性。PHM技術實現，需要多個方面內容的共同進步，統一行業標準標準也是一項難度非常大的工作。2.4技術重現性和成熟度PHM技術在動車組的應用，也就是其從航空航天領域到其他領域應用的擴展，技術重現性難度較大，但是攻堅前景較為可觀，并且目前國內外具有相對不錯的運營系統。但是，總體來說，各個國家對于PHM技術在高鐵動車組領域的應用還處于初級階段，技術程度不足，缺乏統一完善的行業標準。綜上所述，PHM技術在

14、動車組的應用上，技術重現難度交大，目前成熟度較低，還需要進一步發展，建立統一的行業標準。2.5對推動科技進步和提高市場競爭力作用PHM技術以往主要應用于航空航天領域，并具備一定成熟標準。近年來隨著局鐵技術的發展，逐步引入到局鐵運輸領域。雖然，國內外在此方面都有一定研究，并且也產生了幾個比較不錯的相關系統，但是總體上還處于初級階段，行業標準還沒有有完全建立成熟標準。PHM技術標準建立和技術發展，在一定程度上對于各個國家對應領域的研究具有重要的借鑒意義，同時有助于PHM技術在其他行業領域的研究。同時，PHM技術的發展，一方面能夠敦促網絡傳輸技術、傳感器技術等其他行業的發展，同時，其在動車組方面的應

15、用，很大程度上促進動車組系統設計的完備性，并有效提高動車組的壽命，因此，能夠很大程度上促進我國高鐵動車組建設的發展，幫助高鐵事業進一步走出國門。綜上所述，PHM技術在動車組方面的發展不僅能夠促進各類相關技術的進步，也能夠幫助提高高鐵建設在國際市場的競爭力。2.6經濟效益和社會效益從經濟效益來看，PHM技術在航空航天領域效益比較顯著，以F-35戰機為例，使用了PHM技術的飛機的故障不可復現率減少82%,維修人力減少20-40%,后勤規模減小50%，出動架次率提高25%,飛機的使用與保障費用比過去的機種減少了50%以上，而使用壽命達8000飛行小時5。統計數據充分證明了PHM在降低維修保障成本，提

16、高武器裝備安全性、可用度與完好性，確保任務成功性，提升作戰效能方面的重要作用6。同時，在高鐵動車組領域國內外存在的現有系統，也很大程度上提高了動車組的使用效率，延長了動車組列車的使用壽命，幫助降低運營成本。同時，列車維修過程中，能夠及時發現列車狀態不佳的關鍵部件，并進行定點維修，有效的防止了維修不足和過度維修的情況，極大的降低了維修成本。而這兩部分成本是動車組運營成本中最大的兩個部分，因此，能夠極大的提高經濟效益。從環境影響來看，PHM設計中主要模塊內容與軟件設施和硬件設備均相關，軟件設施必然不會對環境產生較大影響，硬件設施中傳感器使用必然存在大量的損耗，特別是工作環境惡劣的狀態下，傳感器損耗

17、速度加劇。大量的傳感器廢品，如果處理不安全，必然會對環境產生較大損害。另一方面，PHM能夠延緩動車組壽命，增加服役時間，防止了大量鋼鐵材料的浪費，增加了利用率，一定程度上起到保護資源的目的。同時，“狀態修”的維修方式，防止了配件的頻繁更換，也能夠起到保護資源的目的。從社會效益來看，PHM技術的發展，有助于其在不同領域的拓展研究，幫助其他領域實現狀態維修模式，從而更大程度上幫助節約成本，增加經濟收益，同時，能夠很大程度上節約資源保護環境。綜上所述，PHM技術在經濟、環境、社會等方面的效益還是非?？捎^的。3、評估總結PHM技術的發展，依賴于多種技術的綜合發展進步，助于一種系統框架模式。因此，要讓P

18、HM技術的快速發展，需要多個學科和多種技術的共同努力。1應用技術的發展。例如，傳感器技術的不斷發展，提高檢測數據的準確性，以及傳感器工作的穩定性；網絡傳輸技術的發展，能夠有助于實時檢測設備狀態，獲得充足有效的監測數據；大數據技術的發展，將進一步促進歷史數據的分析，有助于促進專家系統進行綜合診斷，等等，這些都將加大的徐進PHM技術在動車組上的進一步發展。2學科理論發展。數據的特征提取，特別是模型的進一步優化，有助于更加高效的對于采集數據進行準確分析，數據學科和模型優化理論的進一步發展，也將進一步促進3統一標準的建立。目前行業缺乏統一成型的行業標準，一個成熟有效的行業標準的建立，能夠進一步推動其產業化，并逐步標準化，更大程度上促進其發展進步。4系統模型的進一步優化。例如，不僅僅對設備進行檢測，還可以適當對惡劣工作狀態下和具有關鍵檢測作用的傳感器進行檢測，能夠更好的保障運營的安全性，和系統的正常運行?？傊琍HM技術的發展前景是非常光明的，還需要很多科研工作者付出更多的精力和無私的奉獻，讓該項技術能夠應用的更加有效，更好的促進我國高鐵事業的發展。我們也要向孜孜不倦的奮戰在高鐵建設一線的科研工作者表示敬佩。1 4、評估參考材料常振臣.動車組PHM技術應用現狀及展望J.電力機車與城軌車輛.2016-1-20.39(1):1-4呂琛.PHM技術國內外發展情況綜述J.電腦測量與控制.20