面向机电产品服务系统的远程维护与故障诊断研究论文
当前工业界环境与资源矛盾日益突出，走可持续发展道路已成为世界各国共同的战略选择。要实现可持续发展的目标，必须解决产品服务过程中各阶段的环境保护问题，如产品使用阶段能源物质消耗以及生命期结束后的处理、消费者行为等。同时，亟需改变现有的社会物质消费模式。
CLEVELAND 等首先提出了“去物质化”的概念，即要在工业发展的经济中减少材料、能源的使用密度，回归到产品和服务本身。目前欧盟推动的“整合性产品政策( Integrated Product Policy，IPP) ”，是通过提升资源使用效率和减少能源消费的方式，持续改善产品生命周期的环境绩效; 而LINDHQVIST提出的“延长生产者责任( ExtendedProducer Responsibility，EPR) ”，认为通过延伸产品制造商在产品生命周期中各个部份的责任，尤其是在产品的回收、利用和最终的处置上，将可以改善整个产品生命周期对环境的影响。同时MONT提出“产品服务化( Servicizing) ”的概念，即通过提供产品功能来满足消费需求的方式，减少产品的总生产量、促使产品环境化的设计，达到去物质化的目标，进而改善产品生命周期中对环境的冲击。这三者的最终目的均在于达到去物质化的目标。
为了实现经济的可持续发展，应该急需建立新的物质消费模式，在加速机电制造系统进步的同时，促进消费行为由产品购买向功能提供转变。在这种背景下，近年来欧洲国家提出发展产品服务系统( ProductService System，PSS) 的概念。产品服务系统作为一种将现有相互分离的生产和消费结合在一起，能够加速制造业和传统服务业的改革，系统地解决环境问题的战略，从而得到了研究者的广泛关注。联合国环境开发署在2001 年的技术报告中指出:“产品服务系统将成为21 世纪制造企业可持续发展的基础，并影响着制造企业在经济与环保双方面的利益拓展”。目前绝大多数正在实施产品服务系统的公司，包括Interface、Dopont 等公司，均认为该方法可以创造企业、消费者与环境三赢的局面。同时，我国自然科学基金委员会和科技部在2008 年相继召开了“产品服务系统前沿”中青年高层论坛会议和现代制造服务业专题工作研讨会，国内对产品服务系统的研究日益受到重视。
当前，有关产品服务系统的研究正从产品生态问题转化到如何实现制造科学与服务科学的融合上。如何从产品的技术维护与服务管理来提升机电产品服务系统的质量和水平，是一个值得研究的方向。远程维护与故障诊断是通过设备故障诊断技术与计算机网络技术相结合，以信息的流动代替技术人员的流动，实现对远程运行设备进行诊断维护的一项新技术，也是产品服务系统的有力支撑。文中首先对产品服务系统的概念及实质进行了分析，并针对日益复杂和高技术化的机电设备的产品服务问题进行了探讨，从设备的远程维护与故障诊断这一视角对机电产品服务系统进行了深入和扩展，提出了一种基于行为的多智能体远程维护与诊断系统，进一步扩大完善产品服务系统的功能应用。
1 产品服务系统( PSS)
产品服务系统是指用来满足消费者需求的一套产品及服务的组合，企业以提供功能或成果的方式来取代有形的产品，供货商的目标并不是在销售产品本身，而在于提供更好的绩效或解决方案，来满足消费者的需求。MONT 则定义产品服务系统是一个由产品、服务、参与者网络及基础设施组成的系统，用于满足顾客需求并具有比传统商业模式更少的环境危害。产品服务系统的关键思想是，消费者需求的并不是产品本身，而是产品所能提供的效用，即功能提供。通过提供优质服务来满足某些以前物质产品提供的需要，可以大幅度降低能源和原材料需求。与传统的经济模式不同，产品服务系统是适应市场需求的产品与服务的组合，其最大的特点在于，将产品与服务有机地结合在一起，以共同实现某种功能，满足消费者的需要，因此区别于单一用产品来实现功能的传统观点。由于产品服务系统更大限度地利用服务来取代产品，以达到功能的实现，使得经济增长过程中的物质流减少，降低了由于物质流以及能量流所造成的环境负荷，因而具有经济和生态的双重意义。图1 是产品服务系统的今昔比较。
对于企业而言，由于产品和服务的有效结合通常会降低生产成本，PSS 系统能帮助企业提升核心竞争力，通过与用户共同分享高新技术进展并对机械设备持续不断的技术升级，实现双方的共同持续发展，最终实现市场的逐步拓展与收入增长。机电产品服务系统是由机电制造核心企业主导的、通过附加无形的产品服务到有形的产品上，来达到在产品全生命周期内设计、制造、销售和维护机电产品的工作能力、保障机电产品的环保能力等的一种系统性解决方案，其希望通过这种“机电产品设计- 制造- 服务”一体化解决方案，在经济和环境两方面均实现服务驱动的价值增值。因此，机电产品服务系统所派生出来的科学与工程技术问题是制造科学与服务科学相融合的直接产物，是新兴的服务型制造企业的发展方向。
2 面向PSS 的远程维护与故障诊断
随着现代科学技术的进步，机电设备日益向高新技术集成和智能化方向发展。这些设备的技术含量高、结构复杂，常集成了多种技术和不同厂家的重要零部件，因而故障的诊断和维修变得十分复杂。即便是经过培训，单靠自身的力量也很难判断和解决设备运行中出现的所有问题。机电设备PSS 系统需要把产品本身与配套的技术服务关联起来，形成产品、服务、信息和其他要素所组成的“产品服务一体化”。因此，机电设备的维护质量是产品服务系统的重要组成部分，影响到设备的正常工作和寿命。为了保持处于不同位置的机电设备良好的技术状态，将异地的信息技术协调起来进行实时诊断和维护是很必要的，建立远程维护与故障诊断系统是解决问题的一个很好的举措。
远程维护与故障诊断是通过设备故障诊断技术与计算机网络技术相结合，以信息的流动代替技术人员的流动，实现对远程运行设备进行诊断维护的一项新技术。远程维护与故障诊断的实现可以使机电设备的故障诊断更加灵活方便，也能共享诊断资源，实现多专家异地会诊，提高故障诊断水平。运用远程维护与故障诊断系统，能实现预知维修，及早发现故障隐患，大大提高维修的准确性和及时性，降低服务费用，提高经济效益; 同时进一步提升企业形象，增强市场竞争力。
2. 1 远程维护与故障诊断系统结构
远程维护与故障诊断系统可以作为企业PS 系统的一个子系统，实现对设备性能的坚实保障。远程维护与故障诊断系统主要由远程维护与故障诊断中心和监测工作站组成，远程维护与故障诊断中心又分为远程服务系统和故障诊断专家系统两个部分。
系统通过在用户设备现场设立监测工作站，在技术中心或科研机构建立远程维护与故障诊断中心服务器，而通过Internet 网络将地域上分散的各方联系起来，实现各类信息的传输。系统的工作原理如下: 系统将监测诊断现场和诊断中心由网络联系起来，监测现场通过网络向诊断中心发出服务请求，诊断中心根据不同的请求作出不同的响应。监测现场与诊断中心之间没有必然联系，不同的监测现场可以与同一个诊断中心建立联系，整个系统中流动的是数据，而不是技术人员，所有的诊断信息可以由网络获得。系统建立的远程维护与故障诊断中心直接体现机电产品服务系统的功能，实现产品与服务的有机结合。在这种诊断模式下，系统将管理部门―监测现场―诊断专家―设备厂商联系起来，形成一个真正开放的系统，用户可以在广域网上的任意节点对设备的运行状态进行监测并对设备出现的异常进行诊断和指导修复对策。
2. 2 远程维护与故障诊断系统特点
远程维护与故障诊断系统的一个突出优点在于方便进行设备协作诊断和维护，及时排除故障，保障设备的正常运行。其主要特点表现在以下方面:
( 1) 实现预知维修与专家指导。可及早发现故障隐患，减少设备停机时间，防止突发事故，提高生产率; 同时对设备进行状态管理，实现事后维修、计划维修和预知维修的有机融合。
( 2) 实现对专业维修资源的共享，发挥制造商、设计单位技术力量强大的优势，充分利用远程维护与故障诊断中心各种技术资源，使复杂疑难的设备故障能够得到有效、及时的维修，降低维修成本。
( 3) 远程服务系统提供了多种类型的信息。例如在线的过程/机器传感数据，故障/性能下降的'历史数据等。企业可以方便地对设备使用情况进行质量跟踪，发现薄弱环节，不断提高设备质量。
( 4) 系统具有自学习功能。知识库内容能通过静、动态知识获取和知识库的维护不断地进行丰富和完善。
2. 3 基于行为的多智能体远程维护与诊断系统
目前很多远程维护诊断系统已经应用于现代制造过程的各个领域。但是，随着制造系统的不断发展，这些应用的远程维护诊断与实际的设备诊断需求逐渐不相适应，主要表现在: ( 1) 单个诊断专家的问题求解能力有限，难以满足复杂设备诊断的需求。( 2)对于大型复杂设备而言，基于规则的知识库系统的建立和一致性维护越来越困难。( 3) 已经存在的独立的诊断系统具有不同的知识表示方法和问题求解策略，在对设备的诊断上体现出各个不同的优势。( 4)单个系统开发商所研究的设备领域有限。
上述这些现实的问题对远程维护与诊断提出了更高的要求，依靠一种诊断方法或单一研究群体已经很难满足故障诊断的要求，因此，基于多智能体技术的协同诊断成为解决问题的一种切实可行的方案。基于多智能体技术的远程维护诊断系统是由多个智能体共同构成的一个智能体群体结构，智能体群体结构是指存在于各个智能体中的通讯和控制模式，通过定义智能体之间的权威关系，为智能体提供了一种交互框架。
根据基于行为的人工智能原理设计出基于多智能体技术的远程维护与诊断系统F 代表多诊断方法智能体诊断融合方法。与一般的远程维护诊断系统不同，基于行为的多智能体远程维护与诊断采用的是“自下向上”的推理策略。其诊断策略由以下四部分组成: 系统故障行为的分解、多智能体远程维护、多诊断智能体的诊断融合和基于多智能体的机器学习。
在基于行为的多智能体远程维护与诊断系统中，系统诊断维护的流程是在系统故障行为的基础上，从系统故障分解的根节点开始，沿树形分支建立不同层次的诊断智能体联盟，对系统的不同粒度的子行为区域进行故障诊断，得出每个子故障行为区域的诊断结果。基于多智能体技术的远程维护与诊断系统对设备故障诊断技术的发展与应用起到重要的推动作用。首先分布式的多智能体相互协作进行诊断维护使得该系统的问题求解能力大大提高; 系统功能的扩展只需通过新诊断维护智能体的加入即可实现，系统的可扩展性得到了提高; 系统分布式诊断结构以及智能体技术在诊断维护中的应用使得分布于网络中的诊断资源得到充分利用，减少了系统的重复开发，提高了诊断知识的利用率，降低了设备维护诊断的费用。基于多智能体的远程维护与诊断系统是对机电产品服务系统的重要补充，对于提高设备服务的技术水平，提高已有远程诊断系统的利用率，改善诊断精度，减少重复开发，降低诊断维护费用具有十分重要的理论和现实意义。
3 远程维护诊断系统的发展方向
目前远程维护诊断系统还面临信息集成、多传感器信息融合、诊断联盟协同诊断等问题。远程维护系统与企业管理信息系统的集成也很重要，这有助于企业迅速掌控信息并为客户提供更好的服务。
综合来讲，远程维护系统进一步的研究方向主要有:
( 1) 信息化。大量运用现代信息技术，纳入现代信息战略新体制，采用最新网络化系统模式，消除时空障碍。( 2) 敏捷化。一是实时监测、诊断和维护，敏捷地消除设备的故障隐患; 二是实现设计、制造、使用、维修各单位的联盟，大大提高维修资源利用范围和利用率。( 3) 智能化。大量引入人工智能新技术，有助于监测设备故障的快速消除，开辟设备维护的新资源——知识资源和智慧资源。
4 结论
传统的机电产品维护服务采用由维修工程师以现场维修的方式进行，存在着资源分散、响应迟缓、成本高昂、效果不佳等弊端。作为机电产品服务系统的重要补充和技术延伸，设备远程维护与诊断系统对维护机电产品的工作能力、保障机电产品的环保能力提供了一种可靠的途径，很好地满足了“机电产品设计- 制造- 服务”一体化解决方案，能够在经济和环境双方面均实现服务驱动的价值增值。
文中在分析产品服务系统的概念及实质的基础上，深入探讨了面向机电设备产品服务系统的远程维护与故障诊断系统，给出了远程维护与故障诊断系统的体系结构，同时提出了一种基于行为的多智能体远程维护与诊断系统，扩展和完善了PSS 的功能应用，为机电设备的远程维护与故障诊断提供了新的途径。通过远程维护与故障诊断系统作为产品维护服务的新模式，必将使我国机械设备的维护体系实现更大的发展。
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