美國國家標準與技術研究院（NIST）于2016年9月發布《智能制造系統故障預測和健康管理測量科學路線圖》，報告總結了2014年智能制造系統PHM路線圖研討會上60多位行業專家、學者對于PHM的探討及見解，主要涵蓋制造工藝、性能評估、基礎設施三方面的內容。天澤智云之前已和大家分享PHM制造工藝技術與指標（點擊閱讀）、PHM性能評估（點擊閱讀），下面是最后一部分內容——PHM基礎設施（硬件、軟件和系統集成）。

概述

圖片版權所有：DPC #74486360

       近年來，很多制造領域的企業致力于PHM的研究，希望借此來提升其智能制造能力。改進PHM基礎設施（硬件、軟件、模型與模擬）及這些基本部分之間的相互作用，是其中的一項重點工作。

       目前雖然PHM先進技術已經在很多領域推動著智能制造的發展，但仍有各種測量科學方面的需求、挑戰和差距阻礙了健康監測、診斷和預測技術的廣泛發展和部署應用。在此，我們已確定了與PHM基礎設施發展相關的具體目標、功能和挑戰，以推進這一新興領域。

目標

       PHM技術的不斷發展，為可靠的數據驅動決策提供了更為豐富和更強相關性的信息，從而能更好地提高儀器和設備的性能、安全性、可靠性以及可維護性。這些PHM技術，與網絡和物理系統高度互聯的智能制造環境相結合，能有效提高制造工藝的精準度和準確性。下圖總結了PHM目標的要點內容。

期望的能力

>> 硬件

       為確保在定制化、敏捷、靈活的生產線中使用PHM硬件和軟件，需提供符合制造部件（傳感器、腐蝕檢測、線運行）的嵌入式、自供電PHM相關裝置。對于這種裝置來說，智能和/或自我感知和自適應感應功能非常關鍵。

>> 數據分析/軟件

       預測關鍵性的系統故障另一項非常重要的能力。這需要有基于數據分析及可驗證故障閾值的故障模型，還需具備將硬件和軟件與前代系統和新的復雜、高度互聯的智能流程/制造設備有效集成的能力。

>> 互操作性

       另外一種能力是希望可以實現PHM與內部及外部通信設備（無線網絡、應答器和接收器等）之間的無縫互連，這將需要一系列硬件之間的互操作性。標準化的即插即用、可重新配置的PHM模塊，將支持整個工廠的 PHM、設備和設備互連的更大互操作性，從而實現更智能的診斷和預測。

挑戰與障礙

       我們基于對PHM如何推動智能制造計劃并達成其目標的思考，確定了具體的預期能力和目標。 然而，這當中也面臨著很多的挑戰和障礙，概括而言可以分為以下四大類：

>> 技術和基礎設施實施

       技術和基礎設施實施方面的挑戰包括硬件、軟件、模型和仿真包的開發以及設備集成所產生的問題。主要挑戰集中在具備無線功能新系統的高安全性、高度互聯企業系統集成的復雜性、以及針對所需功能設計的設備有效傳感。制造設備的長壽命是面臨的另一個問題，由于設備的改進和替換相當緩慢，先進的PHM改造不一定適用于前代設備。許多智能制造技術也面臨著同樣的挑戰。

>> 經濟和業務要求

      公司運營與業務戰略之間的平衡問題是面臨的另外一個挑戰。PHM通常不能很好地與設備或流程采購要求集成，也很難與業務系統集成。一個根本問題是缺乏經過驗證的和已證明價值的PHM商業案例。例如，有了經驗證的PHM軟件（具有已證明的成本效益）將有助于建立良好的商業案例。

>> 測量和標準

       智能制造中PHM的標準環境非常具有挑戰性。PHM集成由于標準太多而面臨著相當多的困難，此外開放的標準也非常欠缺。目前所確定的許多挑戰，都集中在PHM行業基準標準的設計和構建上。缺乏標準的特定領域包括軟件模塊標準、無線傳感器和網絡的網絡安全標準等。

       在測量領域，通過對PHM測量或控制，以確保生產一致、可靠和可重復使用的優質產品的方式存在著不確定性。這通常是針對特定工藝的挑戰，即需要更好地了解制造工藝。但是，也有一些針對通用的測量要求的挑戰，例如為PHM的性能定義可用衡量指標。

>> 人為因素

       商業和制造業文化挑戰中有人的因素發揮作用。當由組織內的管理組織結構支持或領導時，PHM的開發和實施最有效，即齊心協力促進PHM的落地。這需要能夠在整個組織的所有層面明確傳達PHM的需求和好處。

       為確保PHM的成功實施，應以可用、切實可行的形式對技術人員和工程師開展PHM信息/數據培訓，讓他們了解如何根據這些信息采取最佳行動。在人類可做出這些決策的制造環境中（沒有自動化系統），新的系統可以脫離操作員控制做出決策（信任、可靠性等問題）。

優先線路圖主題

       根據上面所確定的主要挑戰及功能，優先制定了以下幾項路線圖。

>> 將PHM視作設備設計特征

       障礙：在系統和/或部件設計過程中進行的許多權衡中，將PHM視為設計屬性的考慮比較有限 - 與重量、成本、性能等不同。

       方法：該方法包括開展活動以支持在設計時考慮PHM，并影響平臺、系統和/或部件設計定義過程中使用的當前范例的變化。這種范例轉換將使能使用PHM功能及其信息產品，以改變設計思路，從而節省重量、成本、冗余并提高性能。

>> PHM的開源社區

       障礙：在新設備上實施預測和PHM的成本和復雜性很高。

        方法：目標是開發一個開源架構，這將降低實施的成本和復雜性，并為端到端PHM架構奠定基礎。該方法包括數據收集、應涵蓋的系統和設備的識別，以及開發一個開放的社區框架和架構。

>> 新興制造技術PHM嵌入式傳感器

       障礙：在結構（結構部件）制造工藝中，嵌入式PHM傳感器（結構或表面安裝）線路、自供電技術和其他相關設備具有不錯的發展前景，但受其復雜性、成本及結構完整性的影響，該方式在落地時很難實施。

       方法：本文將基于3D打印等新的和/或不斷發展的制造技術，研究PHM嵌入式傳感器和技術概念的可行性；確定最有價值的傳感器、線路和設備。

本報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