NIST：PHM基础设施如何发展？

       美国国家标准与技术研究院（NIST）于2016年9月发布《智能制造系统故障预测和健康管理测量科学路线图》，报告总结了2014年智能制造系统PHM路线图研讨会上60多位行业专家、学者对于PHM的探讨及见解，主要涵盖制造工艺、性能评估、基础设施三方面的内容。天泽智云之前已和大家分享PHM制造工艺技术与指标（点击阅读）、PHM性能评估（点击阅读），下面是最后一部分内容——PHM基础设施（硬件、软件和系统集成）。

概述

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       近年来，很多制造领域的企业致力于PHM的研究，希望借此来提升其智能制造能力。改进PHM基础设施（硬件、软件、模型与模拟）及这些基本部分之间的相互作用，是其中的一项重点工作。

       目前虽然PHM先进技术已经在很多领域推动着智能制造的发展，但仍有各种测量科学方面的需求、挑战和差距阻碍了健康监测、诊断和预测技术的广泛发展和部署应用。在此，我们已确定了与PHM基础设施发展相关的具体目标、功能和挑战，以推进这一新兴领域。

目标

       PHM技术的不断发展，为可靠的数据驱动决策提供了更为丰富和更强相关性的信息，从而能更好地提高仪器和设备的性能、安全性、可靠性以及可维护性。这些PHM技术，与网络和物理系统高度互联的智能制造环境相结合，能有效提高制造工艺的精准度和准确性。下图总结了PHM目标的要点内容。

期望的能力

>> 硬件

       为确保在定制化、敏捷、灵活的生产线中使用PHM硬件和软件，需提供符合制造部件（传感器、腐蚀检测、线运行）的嵌入式、自供电PHM相关装置。对于这种装置来说，智能和/或自我感知和自适应感应功能非常关键。

>> 数据分析/软件

       预测关键性的系统故障另一项非常重要的能力。这需要有基于数据分析及可验证故障阈值的故障模型，还需具备将硬件和软件与前代系统和新的复杂、高度互联的智能流程/制造设备有效集成的能力。

>> 互操作性

       另外一种能力是希望可以实现PHM与内部及外部通信设备（无线网络、应答器和接收器等）之间的无缝互连，这将需要一系列硬件之间的互操作性。标准化的即插即用、可重新配置的PHM模块，将支持整个工厂的 PHM、设备和设备互连的更大互操作性，从而实现更智能的诊断和预测。

挑战与障碍

       我们基于对PHM如何推动智能制造计划并达成其目标的思考，确定了具体的预期能力和目标。 然而，这当中也面临着很多的挑战和障碍，概括而言可以分为以下四大类：

>> 技术和基础设施实施

       技术和基础设施实施方面的挑战包括硬件、软件、模型和仿真包的开发以及设备集成所产生的问题。主要挑战集中在具备无线功能新系统的高安全性、高度互联企业系统集成的复杂性、以及针对所需功能设计的设备有效传感。制造设备的长寿命是面临的另一个问题，由于设备的改进和替换相当缓慢，先进的PHM改造不一定适用于前代设备。许多智能制造技术也面临着同样的挑战。

>> 经济和业务要求

      公司运营与业务战略之间的平衡问题是面临的另外一个挑战。PHM通常不能很好地与设备或流程采购要求集成，也很难与业务系统集成。一个根本问题是缺乏经过验证的和已证明价值的PHM商业案例。例如，有了经验证的PHM软件（具有已证明的成本效益）将有助于建立良好的商业案例。

>> 测量和标准

       智能制造中PHM的标准环境非常具有挑战性。PHM集成由于标准太多而面临着相当多的困难，此外开放的标准也非常欠缺。目前所确定的许多挑战，都集中在PHM行业基准标准的设计和构建上。缺乏标准的特定领域包括软件模块标准、无线传感器和网络的网络安全标准等。

       在测量领域，通过对PHM测量或控制，以确保生产一致、可靠和可重复使用的优质产品的方式存在着不确定性。这通常是针对特定工艺的挑战，即需要更好地了解制造工艺。但是，也有一些针对通用的测量要求的挑战，例如为PHM的性能定义可用衡量指标。

>> 人为因素

       商业和制造业文化挑战中有人的因素发挥作用。当由组织内的管理组织结构支持或领导时，PHM的开发和实施最有效，即齐心协力促进PHM的落地。这需要能够在整个组织的所有层面明确传达PHM的需求和好处。

       为确保PHM的成功实施，应以可用、切实可行的形式对技术人员和工程师开展PHM信息/数据培训，让他们了解如何根据这些信息采取最佳行动。在人类可做出这些决策的制造环境中（没有自动化系统），新的系统可以脱离操作员控制做出决策（信任、可靠性等问题）。

优先线路图主题

       根据上面所确定的主要挑战及功能，优先制定了以下几项路线图。

>> 将PHM视作设备设计特征

       障碍：在系统和/或部件设计过程中进行的许多权衡中，将PHM视为设计属性的考虑比较有限 - 与重量、成本、性能等不同。

       方法：该方法包括开展活动以支持在设计时考虑PHM，并影响平台、系统和/或部件设计定义过程中使用的当前范例的变化。这种范例转换将使能使用PHM功能及其信息产品，以改变设计思路，从而节省重量、成本、冗余并提高性能。

>> PHM的开源社区

       障碍：在新设备上实施预测和PHM的成本和复杂性很高。

        方法：目标是开发一个开源架构，这将降低实施的成本和复杂性，并为端到端PHM架构奠定基础。该方法包括数据收集、应涵盖的系统和设备的识别，以及开发一个开放的社区框架和架构。

>> 新兴制造技术PHM嵌入式传感器

       障碍：在结构（结构部件）制造工艺中，嵌入式PHM传感器（结构或表面安装）线路、自供电技术和其他相关设备具有不错的发展前景，但受其复杂性、成本及结构完整性的影响，该方式在落地时很难实施。

       方法：本文将基于3D打印等新的和/或不断发展的制造技术，研究PHM嵌入式传感器和技术概念的可行性；确定最有价值的传感器、线路和设备。

本报告由天泽智云翻译并整理自 Measurement Science Roadmap for Prognostics and Health Management for Smart Manufacturing Systems , NIST, 2016