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案例剖析 | 基于状态信息的电机轴承健康监测（下）
来源: | 作者:pmod6d781 | 发布时间: 2022-05-27 | 1747 次浏览 | 分享到:

   前 言

前面的两篇文章介绍了面对轴承健康监测问题时，工业工程师OT和数据工程师DT的解法以及相应的困惑。



总结起来大致是：


    


对于第一篇文章中的问题，通过单纯的工业解法，可以解决某些单独的定点问题。但严重依赖于专家经验，很难实现解法或者代码的通用性。通常会导致解一个问题写一段代码，当工况改变，代码也难以自适应，需要大量人工的调试处理。这样的运行距离理想的“智能化”相去甚远，这与工业工程师缺乏系统的数据分析与软件架构能力有关。


而第二篇文章中单纯的使用数据解法，最大的问题是通用的机器学习算法应用中，对其边界条件的输入以及适用范围的选择上出现偏差，这与数据分析师缺乏设备专门的机理知识有关。这导致算法的结果出现可用性不良和准确性不良等情况，而现场有效样本不足更放大了算法的可用性问题。给工程师的直观感觉就是“不智能”或者“不准”、“不好用”。

现在，K2数据科学DT团队与工业专家OT团队，如何将先验知识与数据科学统筹兼顾到一个可以工程化实现的路径上，实现系统的“智能”？依然用同一案例来看。

通过案例讲问题

首先，如果局限于“死”阈值的方式，最多做到多级阈值。DT可以先从99%都是正常样本的历史数据中，通过机器学习的方法将设备正常运行下的多参数进行融合处理，形成所谓的设备正常模型——这一方面避免了故障有效数据不足的问题，另一方面可以很容易通过同一套模型，基于每台机组历史的正常数据，生成符合每个设备自己DNA的动态阈值。


当动态阈值产生之后，设备的实时状态参数与动态阈值相比，会有不同的比较结果。但是动态阈值通常是低于国际标准或厂商所制定的固定阈值，此时的超越到底对设备意味着什么？需要OT和DT一同制定当实际值超越动态阈值之后的健康评价机制，例如是否需要采取非线性的惩罚机制？而DT则需要将相应的评价机制结合数据写成自动执行的代码。

DT在实践上述动态阈值的时候需要选择正确的设备状态参数。此时OT可以根据设备专业机理，帮助DT更高效的实现数据模型的构建。包括且不限于：

  • 选择合理的工况变量并进行相应识别，例如：可以通过电流、功率和负荷等数据进行启停、调节和平稳工况的识别；

  • 选择出从设备机理方面与设备健康最相关（或者是最应该相关）的参数作为设备健康指标，并且提供相应数据处理的逻辑：例如振动的瞬时值不用关注，因为已经有报警逻辑在监控；而是主要对振动幅值的趋势进行预警。


DT通过数据平滑、趋势预测和相关性分析算法，识别潜在影响动态阈值的因子，例如负荷类型和大小、室温、油温等在机组正常运行过程中对设备健康指标会造成波动的因素，避免DT在几百甚至几千个原始测点中盲目和低效地数据挖掘；同时还可以使用一些通用数据方法对OT的选择结果进行校验，最后共同讨论出合理的状态参数。
 
更重要的是模型验证，不仅仅是DT在数学上的验证，更需要OT在业务逻辑的验证。一个业务闭环的数据模型应用，一定需要模型的可解释性和可调整性——OT需要理解模型是如何工作的，设备A和设备B的模型不一样在机理上是否有合理解释？部署模型的时候，OT对试运行结果进行评估，当满足基本期待的时候，投入使用。
 
上述模型的生成其实是按照如下步骤进行：

  • OT通过机理认识，帮助DT确定了分析方向；

  • OT和DT一同确定了分析具体方式；OT帮助DT选择了模型的边界参数；

  • DT发挥专业技能规避了OT的“死阈值”问题，给出了“智能”的方法；

  • OT和DT一同形成对于超出动态阈值的评价机制；

  • DT将模型开发成工程化代码并执行；

  • OT对模型运行结果进行评价。


这个设备健康模型，目前为止已经在现场自动运行上万小时，运行效果得到相关人员的一致认可。


总结

我们认为，工业数智化平台的落地不是横向的，而是纵向的，需要将一个平台化的思维拆解成一个个具体的小问题思考。比如客户想实现全厂设备的健康管理，牵扯到成千上万的设备，很难一蹴而就。可以先将某一台电机的健康管理作为目标，一次性击穿、做透、落地，再进行横向拓展，将设备健康和诊断的目标扩展为齿轮箱、压缩机等等。这样的横向迁移与大开大合的项目比，具有更高效率。因为基本的方法、步骤、数据、模型形式、业务应用等经过实践，仅需要根据不同的设备进行小范围调整即可。

本系列文章作者

李令莱博士，毕业于清华大学自动化系，昆仑数据数据科学家，20年以上机器学习、过程建模、故障诊断及智能优化算法经验，发表学术文章约20篇，美国专利约10个。曾任职罗克韦尔自动化上海研究中心。

王勇（William），昆仑数据业务发展总监，电机电器及控制专业，此前就职于世界上最大的轴承公司斯凯孚，从事旋转设备/轴承方面的工作将近20年，期间也在英国从事过工业润滑方面的工作。著有《电机轴承故障诊断与分析》、《滚动轴承使用常识》、《电机轴承应用技术》。