設(shè)備也要健康管理! 看科技如何管理設(shè)備健康?

發(fā)布時間： 2021-05-17 11:12:00

科技意會 預測維修

個人要維持健康，需要常常定期檢查；如有異常，則需請醫(yī)生診斷，進而治療。那麼影響工廠運作的生產(chǎn)設(shè)備呢? 影響生命安全的汽車呢? 在新興科技的協(xié)助下，設(shè)備的健康管理能夠更即時、更客觀、更精細、更自動化，並能提升設(shè)備價值。設(shè)備健康管理是什麼呢? 新科技又帶來什麼管理趨勢? 本文將介紹設(shè)備健康管理概念、特色及發(fā)展趨勢。

前幾年，因感覺到心悸現(xiàn)象，醫(yī)生透過跑步機心電圖、連續(xù)7天心電圖記錄來偵測我的心臟跳動狀況，並判斷是否有異?，F(xiàn)象；醫(yī)生還進一步利用抽血，檢查膽固醇、血脂肪狀況，來了解身體狀況，進而建議運動或服藥等治療方法。我自己也買了Apple Watch來隨時監(jiān)測心跳狀況。

同樣地，汽車、輪胎、生產(chǎn)設(shè)備等設(shè)備資產(chǎn)也需要時常檢查、判斷是否異常、進行修理或維護。由於感測器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進步，設(shè)備資產(chǎn)的檢查也從定期檢查到隨時監(jiān)控；其中，最為重要的管理技術(shù)即是「故障預測與健康管理(簡稱：PHM)」。本文將簡單介紹PHM概念、新趨勢與應用，看看現(xiàn)代設(shè)備健康管理新方向。

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PHM的概念

故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management; PHM)，顧名思義就是希望能在資產(chǎn)或設(shè)備故障之前能發(fā)現(xiàn)徵兆，進而進行零部件更換、維修等管理動作，以降低設(shè)備故障、停機帶來的經(jīng)濟損失或效率，並能提高設(shè)備使用壽命。故PHM包含了「預知」(Prognostics )與「診斷」(Diagnostics)兩部份。

如下圖所示，一個設(shè)備由正常運轉(zhuǎn)開始，早期可能稍微出現(xiàn)一些輕微的問題 (A點)，但仍不影響機器正常運作。但是若不及早處理，可能到了某些時間點 (B點)，這時可能一些零件就會發(fā)生明顯的損壞；若是再不進行處理，最後將會發(fā)生整個系統(tǒng)失效造成嚴重的問題 (C點)。

圖、故障預測與健康管理示意圖(資料來源：Tims)

事實上，早在70年代，JSF, F35等飛機研發(fā)時，就已經(jīng)採用了故障預測與健康管理(PHM)方法，使得設(shè)備的故障率降低了50%。一般來說，PHM有以下幾個維度：

1.感測(Sensing)：觀察或量測設(shè)備運作狀況(如：切削效率)、參數(shù)狀況(如：潤滑油、溫度)、損害狀況(如：刀具的磨損狀況)。這很像是中醫(yī)望、聞、問、切等各種方式，或是西醫(yī)則利用聽筒、心電圖偵測、抽血等，來獲取人們生理訊號。

2.預知(Prognosis)：預知目的在於偵測設(shè)備異常。設(shè)備異常並不見得代表故障，有可能來自於更換材料，或不同製程等使用環(huán)境產(chǎn)生差異，也可能是設(shè)備或零部件隨著使用自然地老化衰退。正如同人們跑步時，心跳會較快或者年紀漸長骨質(zhì)會較疏鬆等。

3.診斷(Diagnosis)：根據(jù)異常的訊號，診斷可能失效模式或者判定損害嚴重性，以建立健康的指標。這正像是醫(yī)生根據(jù)血液中的膽固醇濃度判斷是否異常、心電圖判斷心臟是否異常，並綜合年紀、健康記錄等，研判影響身體健康的嚴重程度。

4.管理(Management)：根據(jù)診斷設(shè)備的健康狀況或預估設(shè)備剩餘壽命，就可進行零部件替換、參數(shù)調(diào)整、停機維修等各項管理手段。正如同醫(yī)生建議平常多運動，或是必須透過服藥來治療。

科技驅(qū)動新PHM管理

由於感測器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展，使得故障預測與健康管理(PHM)能從過去依靠定期檢查、老師傅經(jīng)驗判斷，轉(zhuǎn)變成隨時監(jiān)控、客觀數(shù)據(jù)分析、乃至於壽命預測等。以下說明幾項新趨勢：

1.即時偵測預警：透過感測器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，讓汽車、生產(chǎn)設(shè)備等運轉(zhuǎn)狀況，可隨時傳送給管理者與使用者，立即判斷處理異常狀況。例如：Navister貨車公司，提供司機、保修廠貨車狀況警訊、配件更換需求、保修服務(wù)時間分析；鼎新電腦設(shè)備雲(yún)，亦提供生產(chǎn)工廠、設(shè)備商，掌握生產(chǎn)設(shè)備稼動率、參數(shù)狀況及異常警訊。

圖、設(shè)備健康狀況即時偵測預警(資料來源：鼎新設(shè)備雲(yún))

2.數(shù)據(jù)驅(qū)動分析：過去判斷設(shè)備異常的方式來自於老師傅的經(jīng)驗，更科學一點透過失效模式與效應分析 (Failure Mode and Effects Analysis; FMEA)，利用工程手法將失效模式 (如：鑽孔速度減慢) 及潛在失效原因 (如：皮帶磨損、主軸軸承磨損) 進行對應，並依照設(shè)備發(fā)生失效狀況嚴重性、發(fā)生頻率、容易偵測性進行打分。

一旦發(fā)現(xiàn)綜合分數(shù)高，則立即進行零部件更換或維修等動作。這種手法已經(jīng)用在航太或者汽車製造公司行之有年。然而，專家的判斷的準確度、記錄與分析手法繁複等，在小型的製造公司不容易施行。

在感測器、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)位化記錄並透過大數(shù)據(jù)分析、AI等技術(shù)，可以更精確、簡單地進行判斷。例如：主軸軸承磨損是否可利用攝影機或利用震動感測器蒐集數(shù)據(jù)? 分析同類軸承或過去相同設(shè)備軸承運轉(zhuǎn)歷史狀況，以判定是否異常? 是否衰退一定程度? 是否到了更換時候?

進一步還可以將重要零部件或設(shè)備參數(shù)狀況等多種感測與維修數(shù)據(jù)等歷史記錄同時分析，以預測設(shè)備剩餘壽命。數(shù)據(jù)驅(qū)動分析的方法以事實為基準，並能同時分析多種數(shù)據(jù)，能更客觀與精細地判斷。

圖、AI異常偵測(資料來源：治略公司)

3.形成管理迴路：一旦設(shè)備健康狀況數(shù)據(jù)化及更精確分析後，就可以與控制器進行結(jié)合形成自動控制、自動調(diào)適的管理迴路。例如：交通號誌根據(jù)車流量狀況，自動切換紅綠燈以最佳化車流、機器手臂根據(jù)材料狀況自行最佳化調(diào)整參數(shù)、生產(chǎn)設(shè)備間根據(jù)設(shè)備狀況與負荷度，協(xié)調(diào)工單生產(chǎn)排程。

4.設(shè)備資產(chǎn)服務(wù)化：設(shè)備商將PHM管理機制予以服務(wù)化，從中就可以提供更好顧客售後服務(wù)、維修服務(wù)，甚至從中產(chǎn)生新的利潤來源。例如：勞斯萊斯飛機引擎、Navister貨車、John Deere農(nóng)機具等都是很好的例子。

結(jié)論

設(shè)備如同人類的身體，會受傷也會老化，良好設(shè)備健康管理可以確保順暢運作、安全保障以及提高效率、延長壽命。故障預測與健康管理(PHM)在感測器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智慧的協(xié)助下，能夠?qū)崿F(xiàn)更即時、更客觀、更精細、更自動化，並能協(xié)助設(shè)備資產(chǎn)服務(wù)化，提高設(shè)備價值。

黃正傑

你喜歡挑戰(zhàn)不斷隆起的技術(shù)高原、探索無限寬廣的創(chuàng)新領(lǐng)域嗎? 那麼我們是同路人。黃正傑，臺大資管博士，協(xié)助鼎新進行前瞻技術(shù)研究與應用發(fā)展。歷經(jīng)IT架構(gòu)技術(shù)顧問、供應鏈管理顧問、軟體產(chǎn)業(yè)分析師等多項職務(wù)，並兼任文化大學助理教授。讓我們一起從創(chuàng)新與變革角度，探索新興技術(shù)！

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