身份证号码：43052419850902xxxx
摘要：机电系统运行状态的安全可靠性能够对生产、资源和环境产生重要影响。设备运行状态监测及故障预警的信息化技术及其仪器系统已应用于制造业等许多行业的多类型机电设备及企业集团关键设备群，在保障设备健康服役、预防安全事故、实现科学维修等方面发挥了重要作用。
关键词：机电系统；故障检测；预警；信息技术
面向机电系统状态监测及故障预警的信息化技术是机械电子技术、计算机技术、现代测试技术和人工智能技术等多项先进技术交叉和综合而迅速发展起来的新技术,是现代化生产和先进制造技术发展的必然产物,是保证机电系统安全运行和实现科学维护的关键技术之一。应用机电系统状态监测及故障预警的信息化技术能够有效地发现生产系统中的事故隐患,及时排除设备故障,预防设备恶性事故,避免人身伤亡、环境污染及由此带来的巨大经济损失。
1机电系统故障监测预警信息化技术关键问题分析
机电系统故障监测预警信息化技术主要存在以下几点问题：
（1）在状态监测及故障诊断研究基础上，近年来一方面故障信号分析集中在故障发生的原因、种类、部位与程度上；另一方面为了能够有效提前预防事故发生，早期故障低信噪比弱信号分析的难点问题得到进一步关注并展开研究，如：揭示运行状态发展演变规律及提取故障趋势信息等。
（2）传统故障趋势预示方法及预知维修是将能量的特征量变化作为基础信息，但许多设备运行中往往受到工况、负载、环境变化及随机干扰等非故障因素影响，当能量形式特征量数值变大时，不一定表明故障劣化，有可能是非故障因素造成，也可能是故障因素及非故障因素共同造成，这种情况下传统故障预报方法往往产生误报。
（3）传统趋势预示方法通常适于信号短历程和局部时区范围，对于具有长历程、变工况运行特征的连续运行、大型、复杂设备，采用传统及简化的信号分析方法往往难以进行有效的故障预报。
2机电设备状态监测及故障预警的信息化技术
2.1机电设备状态监测及故障预警信息化技术的典型技术路线
在役机电设备大部分故障有一个发展演变的过程，这些发展演变的故障通常具有趋势性渐变的特征，若能对渐变故障进行趋势预示，则有利于提前排除事故隐患，有效避免恶性事故发生。机电设备监测预警信息化技术可以从揭示设备运行状态劣化发展趋势规律与特征入手，预测今后多长时间设备运行状态将达到不可接受的程度而应当停机维修或进行有针对性的维修。设备故障预警信息化的关键技术主要涉及：早期故障特征提取及趋势预示信号分析技术、运行状态健康监测及故障预警的信息技术、监测系统及预知维修系统研发及工程应用技术等。机电系统，特别是高端、大型及关键设备，其状态监测及故障预警的主要任务是提取能反映设备故障发展趋势的特征量，分析并预测故障特征量的趋势，预报设备运行状态，并根据恶化程度进行早期故障预警，制定可行的安全保障措施及设备维修计划。
2.2机电设备状态监测及故障预警信息化技术的主要技术内容
2.2.1揭示机电设备运行状态
机械动态特性劣化演变规律机电系统由稳定运行状态劣化为非稳定运行状态，由非故障运行状态劣化为故障运行状态，其机械动特性通常有一个发展演变过程。需要研究揭示劣化过程及故障变化演变规律及发展特点，分析故障产生机理、发展原因和发展模式，建立故障发展原因与故障发展特性的映射关系。构建设备运行状态劣化演变的机械动态特性模型，这里涉及轻微损伤和磨损等微弱故障发展状态、传动系统调制信号发展状态、运行参数和载荷变化等非线性发展状态、复合故障发展状态等。
2.2.2提取机电设备运行状态
发展趋势特征现场设备运行状态复杂，需要进行机电设备运行状态发展趋势信息分析，其中难点问题是面向连续运行大型机电设备长历程变工况故障发展趋势特征提取。需要进行机电设备故障趋势特征与变负载状态特征的解耦和分离，较大程度上消除非故障能量变化所造成的冗余信息，使得提取的故障发展趋势特征与机电系统负载变化等非故障变化特征弱耦合或分离，同时与机电系统故障变化强耦合，进而构建预测模型。
2.2.3低信噪比微弱信号特征早期故障的信号处理
早期故障趋势信息是一种故障征兆信息，具有明显的低信噪比微弱信号的特征，在早期故障趋势分析中有用信息极易受到设备时变非平稳运行、环境变化、测试系统噪声等干扰。传统分析方法往往难以进行有效的早期故障预测，为实现早期故障发展趋势有效分析，需要采用适于低信噪比微弱信息的信号处理，涉及的方法包括：多传感系统检测及信息融合，非平稳及非线性信号处理，故障征兆量和损伤征兆量信号分析，噪声规律与信号特点分析，噪声背景下小位移、微振动分析，针对微弱信息的信号处理方法以及有关随机不确定性、模糊不确定性、不完备性、不完全可靠性等信号处理方法等。
2.2.4机电设备早期故障趋势预测模型构建
为实现基于智能信息系统的故障预警，需要构建机电设备早期故障趋势预测模型，构建这类模型大致有两个途径，分别是物理信息预测模型以及数据信息预测模型，通常这是两条相互独立及并行的研究途径，近年来有学者研究构建这两类趋势预测模型相融合的多信息融合新型趋势预测模型，采用这种多信息融合模型既利用了物理特性信息又融合了数值规律信息，有利于获得较理想的综合预测结果。
3基于状态监测及故障预警信息化技术的安全监测仪器研发及应用
针对多类机电系统安全保障、早期故障信息处理等需求，一些现代测试仪器研究单位及制造企业，通常与设备拥有企业合作，开展了多类型设备安全监测仪器系统、企业预知维修系统的研发，建立了面向设备群的远程网络在线监测预报中心，并不断提高相关仪器系统的信息化技术水平。为了适应具有高技术、多品种、小批量特点的系列监测仪器系统的研发，采用基于信息网络制造技术的系统集成技术，为了提升系统集成水平、集成研发效率以及扩展适用范围，采用可重构集成方法，配置模块化层次化的柔性集成架构、智能制造及多目标优化机制、信息网络互联及接口，以及相应的可重构集成研发装置和配套软件包。
4基于状态监测及故障预警信息化技术的机电设备预知维修方式
设备维修如同医生在诊断本人病情后还需要进行治疗，设备维修则是保障设备健康运行并实现其功能的重要环节。对高端、大型及关键的在役设备而言，采用传统的事后维修及定期维修方式，不但不经济而且往往避免不了事故的发生。预知维修方式是随着计算机及信息处理技术发展而产生的较科学的现代维修方式，该现代预示维修方式能够视设备实际运行情况以及故障前兆而实施动态状态监测并在故障发生前安排维修。信息化技术是实现预知维修的关键技术，机电设备状态监测及故障预警的信息化技术能够为实现先进的预知维修方式提供技术手段及实现途径。为了提高预知维修的智能化自动化水平，一些研究机构及企业构建了多传感器信息获取、数据挖掘系统及信息融合系统，建立了多信息数据库与信息分析知识库，如:案例库、图谱库、档案库(如历史信息库，包括大修停机、故障停机和抢修停机等历史维修记录)、知识库(配置相关专家系统、知识挖掘工具、知识获取系统、变精度粗糙集等)等。
典型预知维修系统的信息化单元包括:状态信息监测、多源信息融合、有用信息挖掘、故障信息获取、智能信息处理、网络信息共享、远程信息传输、测控信息反馈、设备信息管理、维修信息决策等。为提高故障预警及预知维修系统的效率及实时性，随着信息网络技术发展，在预知维修中构建云计算的信息服务架构，提升海量大数据的信息存储空间及信息处理速度，将计算任务分布在大量计算机资源池上，用户能够从中获取计算力、存储空间和信息服务;构建其他相关现代信息系统(可视化系统、物联网系统，以及人工智能、机器学习、模式识别、统计学等信息处理系统)，进行信息管理。一些现代企业将机电系统健康监测预警技术与企业设备管理相结合，建立了设备预知维修的信息管理及信息决策系统，企业设备安全保障信息技术与企业设备信息管理系统相结合的模式正在成为企业设备安全保障体系信息化建设的发展趋势。为了预知维修系统工程应用，通过提高信息化水平以降低对操作人员专业要求。如预知维修系统如何有效选择且自动选择哪一种故障预示方法是个难题，为此可以采用基于知识的专家系统进行多种故障预示方法及预警阈值的自适应选择及优化，有利于实现智能化的信息决策及控制策略。
5结语
机电设备故障预警及其安全保障技术涉及设备工程、维修管理、机电技术、信息技术、仪器技术以及人工智能等多项现代技术及工程技术交叉领域，随着该项综合技术的系统深入研究及工程应用推广，有望进一步在我国现代制造业及设备维修管理中发挥重要作用。
参考文献
[1]王国彪，何正嘉，陈雪峰.机械故障诊断基础研究“何去何从”[J].机械工程学报，2016（1）：63-72.
[2]何正嘉，蔡改改，申中杰.基于机械诊断信息的设备运行可靠性研究[J].中国工程科学，2017（1）：9-14.