论文标题：Artificial Self-Recovery Opens up a New Journey of Autonomous Health of Mechanical Equipments

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.029

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作者：潘鑫, 张皓宇, 高金吉, 王维民, 江志农, 何立东

1. 引言

随着“工业4.0”和“中国制造2025”等现代化生产技术的深度发展，高端机械装备正逐步向高参数化、数字化、网络化、智能化方向迈进[1]。高端装备不再是传统的单体设备，而是与整体生产过程紧密相连；各种设备之间相互影响、共同组成庞大系统。

一旦发生故障将导致整个生产系统的非计划停产和事故，经济损失巨大[2]；同时，在天空或太空运行的空天飞行器、空间机器人和相关装备，一旦运行过程中发生故障，根本无法停机由人去维修[3]。迄今为止，人与设备故障斗争的方式仍主要是靠“治愈”模式，即在检测到设备出现故障后，必须设备停机，由人来进行检维修操作，以恢复设备的正常运行。这种传统“故障治愈”模式维修周期较长，且维修水平受技术人员水平影响较大[4]。

高端机械设备高性能发展需求促进了人工自愈理论和自愈调控技术的发展。人工自愈理论用机械设备自我修复的“故障自愈”方法取代人工修复机械设备的“故障修复”方法，在故障早期即通过智能决策和主动控制机制，使得机器具备在线消除或抑制故障的能力[5–7]。自愈过程无需人工参与，促进了高端机械装备智能化、无人化发展，为实现“工业4.0”和“中国制造2025”提供有效技术支撑。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了人工自愈理论的基本原理、发展历程以及我国人工自愈技术与国际研究水平比较；第3节分析了人工自愈如何赋予设备自主维持健康的能力，并对自愈功能和设备进行了详细的总结；第4节介绍一个自愈调控实验，结果表明自愈系统使砂轮的不平衡振动幅值降低了91.3%，工件质量提高了40%，证明了人工自愈理论和自愈调控技术在工程应用中的价值；第5节是结论。

2. 人工自愈理论

2.1 人工自愈概念的提出

机器故障自愈原理由高金吉院士2003年在“智能维修国际学术会议”上首次提出[8]。该理论起源于现代工程实践和技术发展的需求。从本质上讲，它是一种用于实现机器“无故障状态”的科学理论，集成了状态监测、诊断、人工智能、主动和自适应控制、智能结构和嵌入式技术，在机器故障初期即通过智能决策和主动控制等方式使机器具备自行在线消除或抑制故障的能力。

高金吉不仅在国内外首次提出了人工自愈理论，同时率领团队于2006年和2011年先后承担了两项国家自然基金重点项目，在国内外率先开展机器故障自愈调控技术相关研究，并在压缩机轴位移故障自愈、透平机组失稳故障自愈、高档机床自动平衡和航空发动机不平衡振动控制等领域取得了实际应用[9–11]。其中，不平衡振动自愈调控系统在外圆磨床上成功应用，在不需要人为干预的情况下，有效地将磨床振动抑制到亚微米级。同时，经磨床加工的工件表面质量提高了25%~40%。这表明人工自愈理论和自愈调控技术可以保证各行业机械设备的高效稳定运行。

2011年，中国工程院在《中国中长期发展科技战略研究》综合报告中指出：高端绿色装备工程科技重点任务之一，是大型/特种装备运行过程的故障与可靠性预测、安全保障和故障自愈技术[12]。中国工业和信息化部在《“工业互联网+安全生产”行动计划（2021—2023年）》中指出：要深化智能化管控应用，加快故障自愈等工业解决方案的推广[13]。由此说明，“自愈”理念已得到了中国工程界的高度肯定，为高端机械装备工业发展提供了新的技术途径。

在高金吉率先将人工自愈理论成功应用于高档机械和压缩机的同时，其他学者也在不同领域开展人工自愈理论和技术的研究。例如，中国机械工业集团陈学东团队[14–15]研究了将人工自愈理论应用于压力容器维修的可行性，结合数字化和网络化技术，提出了一种基于实际维修案例的压力容器自愈维修方法。哈尔滨工业大学刘宏团队[16]研究了航天器和空间机器人工作环境特殊性所带来的挑战。海军工程大学何琳团队[17–18]针对如何减少大型船舶船体振动的问题，结合人工自愈理论，提出了一种基于结构自适应和姿态控制的智能隔振装置。武汉理工大学严新平团队[19–20]分析建立了振动对轴承润滑性能的影响，开展轴承润滑自愈调控相关技术研究。浙江工业大学高增梁团队[21–22]对塔设备等过程设备先进结构设计和抗振方法进行了研究。

2021—2022年，在中国工程院、中国机械工业学会等相关机构的指导下，北京化工大学连续举办了第一届、第二届机器人工自愈与自主健康学术论坛，邀请了9位院士和20多位国内专家做学术报告，线上参与人数达4万余人次，介绍了不同领域的自愈调控技术和高端机械装备的现状，极大地丰富了人工自愈理论的后续发展。人工自愈理论的典型应用如图1所示。

图1. 人工自愈理论的典型应用。

2.2 国外自愈研究进展

美国等制造强国亦正在开展自愈相关研究。以美国为例，美国航空航天局（NASA）2007年开启了名为“Integrated Resilient Aircraft Control”（综合自愈合飞行控制）的研究计划，以增强飞控系统的自愈合和能力[23]；2012年美国国家科学基金会开启了名为“Failure-Resistant System”（故障自愈合系统）的研究计划，旨在把自愈合控制系统的概念进一步推广[24]；美国伊利诺伊大学研究人员2013年研制出可在高温下固化的自修复橡胶增韧环氧胶黏剂，增加了航天器结构的自主修复和断裂韧性的自恢复能力[25]；Casavola等[26] 2015年将故障诊断与容错控制纳入飞行器自愈控制的统一框架，其目的是提高飞行控制系统的自恢复能力。不难看出，美国学者提出的自愈系统是以确保系统性能和功能为主，还没有明确提出机械装备系统通过自愈控制自行在线消除或抑制故障，也没有提出装备自主健康的概念。

上述文献分析表明，美国研究人员提出的自愈理论仅针对飞机飞控系统的结构或功能维护而设计，应用范围仍较窄[27–28]。人工自愈理论在工程上有较广的应用范围，涉及航天器、压力容器、高档机械等技术。人工自愈理论主要聚焦主动和自动调节，如通过自愈调控执行器等，以找到抑制故障的最佳处理策略。部分自适应控制具有不可控和不可逆的不足，而通过主动调节，调节过程更具可控性和有效性。机械设备通过自愈调控在线消除或抑制故障，以实现自主健康。

3. 人工自愈赋能装备自主健康

人类是由各种器官、系统组成的个体，机器是由各种零件、装置组成的设备。人类与其所创造的机器在本质上是有共性的，并且人与疾病斗争、机器与故障斗争方面也有很多相同或相近之处。人体的疾病诊断，需要确定生病部位，合理用药；机器的故障诊断，同样需要通过实时监测掌握机器的工况和状态，一旦发现异常，则对其原因、部位和危险程度进行识别和评价，提出必要的对策。“故障诊断”的思源，是从对人体的“疾病诊断”而得的。

世界卫生组织提出，21世纪的医学不应该继续以疾病为主要研究领域, 应当以人类的健康为主要研究方向。医学诊断的最终目的是为保护机体的健康，做到提前预知身体不适，提前预防，正确用药，尽量避免身体损伤；显而易见，机械故障诊断研究方向也应是提前预知故障，及时进行自愈调控、自我修复，避免故障或异常状态的发生，这也是装备自主健康的理念。应借鉴先进的医学科学理念，以自愈化和装备自主健康为研究主攻方向。将机械故障诊断的目的从单纯指导人去排除故障，逐渐过渡到机械自我预知故障并自我修复，真正做到自愈，实现装备自主健康。故障诊断为建立机器的自愈功能提供依据，将机器的优育即预防及消除故障，向优生即机器具有自愈功能，实现自主健康过渡，如图2所示。

图2. 人工自愈理论示意图。

人工自愈研究领域很广泛，包括自修复技术、代偿技术、自保护技术和故障自愈调控技术等。机器的自愈原理和故障自愈调控系统是仿生机械学研究的新方向。人工自愈是在故障机理和风险分析的基础上，仿生设计并赋予机器自发作用的、维持健康状态的能力，使机器储存、补充和调动自愈力以维持机体的健康状态。这种理论与方法是在设备诊断与预知维修技术基础上，研究如何使装备系统在运行中“自行”抑制或消除故障，或对缺陷进行自修复，而不是停机由人来排除故障，即具备自愈功能，确保机器自主健康。其部分故障及对应自愈力列表如表1所示。

表1 自愈功能分类及机制

4. 高端机械装备不平衡振动自愈调控实例

笔者及所在团队近年来一直致力于高端装备故障自愈调控技术研究，并在砂轮振动自愈、压缩机轴位移故障自愈、透平机组失稳故障自愈等领域取得了一系列成果。下面以高档磨床砂轮不平衡振动故障为例，介绍笔者团队研发的不平衡振动自愈调控系统在磨床上的应用，并展示实际工程应用效果[10]。

自愈调控系统工作原理如图3（a）所示[36]：利用振动加速度传感器、光电转速传感器等实时测量砂轮的振动、转速信号以及其他相应信号，并将上述信号同步输入数采模块；数采模块对信号进行实时的数据处理，向后输入控制模块；控制模块接收到砂轮的不平衡振动参数后，基于不平衡振动靶向控制方法，快速定位砂轮的初始不平衡量，并形成控制指令，指示调控系统执行装置动作，执行装置逐渐改变自身质量分布，产生可抵消系统初始不平衡量的矢量，使得转子的不平衡振动幅值逐渐下降。最终产生的补偿矢量已近似与转子的初始不平衡矢量大小相等、方向相反，振动达到较低水平，自愈调控过程结束。经过在如图3（b）所示的实际高端外圆磨床应用，磨床振动水平降低91.3%，加工工件质量提升40%，有效验证了不平衡振动自愈调控系统的有效性，同时证明“人工自愈”理论在工程应用方面的可行性。

图3. 不平衡振动自愈调控系统。（a）系统组成；（b）实际应用。UA和UB分别为配重盘A和B的质量补偿。

根据最新的文献内容，国内其他高校仍处于理论研究或实验室试验阶段，尚未有自愈调控技术实际应用的报道[37–38]。

5. 结论

人工自愈理论在促进机械装备智能化、自愈化进程上具有重要作用，且在高档机床自动平衡、航空发动机不平衡振动控制等领域已取得了实际应用，并收获了相应成果。本研究利用人工自愈理论，使砂轮不平衡振动幅值在线降低91.3%，工件质量提高40%，证明了自愈调控技术在工程应用中的价值。

然而，目前的自愈调控技术主要依靠外加执行机构来辅助排除故障，相当于在原有结构上增加了辅助元件。因此，实际使用过程中，需要与现有设备结构相结合，考虑执行机构是否有合适安装位置，限制了自愈机制的应用。

人工自愈理论的发展将侧重于将自愈调控系统纳入设备设计和制造的早期阶段。具有自愈调控系统的新一代设备可以在任何故障发生之前自行解决大多数故障。机械装备复杂系统的自愈调控不但要研究参数适应，而且要研究结构适应，是崭新的变革性技术。这要比控制系统的自愈控制涉及的面更广，问题更深入复杂，工程应用更难，但工程需求更广泛迫切，应用成效会更显著。因此，开展人工自愈及装备自主健康技术研究，是预防事故和减免维修的减灾增效工程，其推广应用必将大幅度提升生产力水平，创造巨大经济效益，助力新一轮科技革命。

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引用本文：Xin Pan, Haoyu Zhang, Jinji Gao, Weimin Wang, Zhinong Jiang, Lidong He. Artificial Self-Recovery Opens up a New Journey of Autonomous Health of Mechanical Equipments. Engineering, 2024, 37(6): 22–27 https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.029

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