对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法及系统。方法包括：基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型；采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型；根据所述退化过程模型和所述联合分布模型对工程设备的寿命进行预测。采用本发明专利技术能够充分考虑运行状态切换的影响，有效解决寿命周期内存在状态切换的设备寿命预测的难题，切实提高预测精度，为维修决策提供了必要的理论基础，具有较强的工程应用价值。

Method and System for Life Prediction of Engineering Equipment with Switching Operating State

【技术实现步骤摘要】
对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法及系统
本专利技术涉及可靠性工程领域，特别是涉及对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法及系统。
技术介绍
随着工程设计、生产、组装、维修等技术的发展进步，工程中一些关键设备的可靠性得到了很大的提高，相应设备的寿命也大大延长。通常这类高可靠性、长寿命的设备的产量不高，并且价格昂贵。因此，应用传统的基于寿命数据的预测方法往往代价巨大。随着监测技术的迅速发展，状态监测数据(又叫退化数据)在可靠性评估中的应用越来越广泛，并且状态监测数据包含着更多的设备退化信息。因此，采用退化数据的寿命预测方法比采用寿命数据的方法更加受到专家学者的青睐。设备的性能退化往往是由于其内部状态和外在工作环境共同作用的结果，并且往往表现出随机动态性。其中内部状态与使用材料有关，而外部工作环境则包括温度、适度、电磁环境、气压、振动等可能影响设备性能的因素。剩余寿命预测的结果是对设备进行检修、替换、部件订购等管理活动制定决策的基础，因此准确预测设备剩余寿命是最大化设备可靠性、最优化设备管理活动和最小化设备运行费用的关键。而要得到准确的剩余寿命预测结果，则应尽可能地将所有可能影响设备性能退化的因素考虑到所建立的退化模型中。本专利技术着眼于解决一类特殊的存在运行状态切换的设备的剩余寿命预测问题。这类设备的退化过程直接受到运行状态切换过程的影响，并且这种影响共包括两个方面：一是设备在不同的运行状态具有不同的退化速率，这一假设已在退化建模中广泛使用，如日常生活中电动车的锂-铁电池会由于工作日持续的充放电而造成电容减小，因此在工作状态下退化速率较快，而在不工作状态下退化较慢；又如惯性导航设备中贮存状态和工作状态交替切换的陀螺仪，其在通电工作状态较之静止状态承受着更大的环境应力和内部磨损，因此其工作状态退化速率大于贮存状态下的退化速率。二是由于运行状态的切换可能造成设备性能退化的波动性，这种退化的波动性在可控设备中尤为常见，且往往表现为相应指标出现随机跳变。当可控设备突然从某一运行状态变为另一种状态时，设备通常会经历一定的波动才能达到稳定状态，这种波动往往会造成设备性能退化过程的波动，例如造成设备退化量的突然增大或减小。然而，当前研究中缺乏综合考虑由于运行状态切换造成退化率变化和退化水平跳变方面的研究。显然设备的性能退化过程是依赖于设备的运行状态的，例如设备在不同状态下的运行时间以及运行状态的切换次数都会给设备的退化轨迹带来很大影响。并且由于设备运行任务和运行时间的随机性，设备在各个运行状态下的逗留时间也是随机的。此外，即使设备一直处于某一运行状态，该设备的性能退化也是具有一定的随机性的。现存的大多数研究不同工作环境下设备剩余寿命预测的方法都是基于蒙特卡洛仿真或者数值计算的方法，这类方法往往计算量巨大，实时性不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法及系统，能够充分考虑运行状态切换对设备退化过程的影响，实现设备剩余寿命的实时预测。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法，包括：基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型；采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型；根据所述退化过程模型和所述联合分布模型对工程设备的寿命进行预测。可选的，所述基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型，具体包括：基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型其中，Yk为设备在第k次运行状态切换时给设备的退化量造成的随机跳变，N(t)为截止时刻t运行状态切换的总次数，X(t)为没有考虑运动切换的工程设备的退化模型；其中，μ(τ；θ)为漂移系数，表示设备随时间的退化率；σB为扩散系数，表征退化的动态不确定性；B(t)为标准布朗运动。可选的，所述采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型，具体包括：采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型pn(t)＝fn(t)-fn+1(t),其中，pn(t)为状态切换次数和各状态持续时间的联合分布，fn(t)对应于Jn≤t的概率密度函数；fn(t)的表达式为：其中，λ为设备在工作状态的平均停留时间，γ为设备在贮存状态的平均停留时间，n表示运行状态切换的次数，参数和ρi可通过下式计算：可选的，所述根据所述退化过程模型和所述联合分布模型对工程设备的寿命进行预测，具体包括：根据所述退化过程模型和所述联合分布模型，得到工程设备的寿命预测模型其中，n为从初始状态到失效时切换的次数，为考虑状态切换对退化量影响时寿命的概率密度函数，为给定状态切换对退化量影响时寿命的概率密度函数，是相对于的期望，Pn(t)是pn(t)的累积概率函数，w为失效阈值，为转换后的失效阈值；根据所述寿命预测模型对工程设备的寿命进行预测。一种对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的系统，包括：退化过程模型建立模块，用于基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型；联合分布模型建立模块，用于采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型；预测模块，用于根据所述退化过程模型和所述联合分布模型对工程设备的寿命进行预测。可选的，所述退化过程模型建立模块，具体包括：退化过程模型建立单元，用于基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型其中，Yk为设备在第k次运行状态切换时给设备的退化量造成的随机跳变，N(t)为截止时刻t运行状态切换的总次数，X(t)为没有考虑运动切换的工程设备的退化模型；其中，μ(τ；θ)为漂移系数，表示设备随时间的退化率；σB为扩散系数，表征退化的动态不确定性；B(t)为标准布朗运动。可选的，所述联合分布模型建立模块，具体包括：联合分布模型建立单元，用于采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型pn(t)＝fn(t)-fn+1(t),其中，pn(t)为状态切换次数和各状态持续时间的联合分布，fn(t)对应于Jn≤t的概率密度函数；fn(t)的表达式为：其中，λ为设备在工作状态的平均停留时间，γ为设备在贮存状态的平均停留时间，n表示运行状态切换的次数，参数和ρi可通过下式计算：可选的，所述预测模块，具体包括：模块建立单元，用于根据所述退化过程模型和所述联合分布模型，得到工程设备的寿命预测模型其中，n为从初始状态到失效时切换的次数，为考虑状态切换对退化量影响时寿命的概率密度函数，为给定状态切换对退化量影响时寿命的概率密度函数，是相对于的期望，Pn(t)是pn(t)的累积概率函数，w为失效阈值，为转换后的失效阈值；预测单元，用于根据所述寿命预测模型对工程设备的寿命进行预测。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供一种对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法，充分考虑了运行状态切换的影响，有效解决了寿命周期内存在状态切换的设备寿命预测的难题，切实提高了预测精度，为维修决策提供了必要的理论基础，具有较强的工程应用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法，其特征在于，包括：基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型；采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型；根据所述退化过程模型和所述联合分布模型对工程设备的寿命进行预测。

【技术特征摘要】
1.一种对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法，其特征在于，包括：基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型；采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型；根据所述退化过程模型和所述联合分布模型对工程设备的寿命进行预测。2.根据权利要求1所述的对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法，其特征在于，所述基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型，具体包括：基于扩散过程分阶段进行工程设备的退化过程建模，得到退化过程模型其中，Yk为设备在第k次运行状态切换时给设备的退化量造成的随机跳变，N(t)为截止时刻t运行状态切换的总次数，X(t)为没有考虑运动切换的工程设备的退化模型；其中，μ(τ；θ)为漂移系数，表示设备随时间的退化率；σB为扩散系数，表征退化的动态不确定性；B(t)为标准布朗运动。3.根据权利要求1所述的对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法，其特征在于，所述采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型，具体包括：采用连续时间马尔科夫链对运行状态切换过程进行建模，得到联合分布模型pn(t)＝fn(t)-fn+1(t),其中，pn(t)为状态切换次数和各状态持续时间的联合分布，fn(t)对应于Jn≤t的概率密度函数；fn(t)的表达式为：其中，λ为设备在工作状态的平均停留时间，γ为设备在贮存状态的平均停留时间，n表示运行状态切换的次数，参数和ρi可通过下式计算：4.根据权利要求1所述的对存在运行状态切换的工程设备寿命预测的方法，其特征在于，所述根据所述退化过程模型和所述联合分布模型对工程设备的寿命进行预测，具体包括：根据所述退化过程模型和所述联合分布模型，得到工程设备的寿命预测模型其中，n为从初始状态到失效时切换的次数，为考虑状态切换对退化量影响时寿命的概率密度函数，为给定状态切换对退化量影响时寿命的概率密度函数，是相对于的期望，Pn(t)是pn(t)的累积概率函数，w为失效阈值，为转换后的失效阈值；根据所述寿命预测模型对工程设备的寿命进行预测。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：胡昌华，裴洪，司小胜，张正新，庞哲楠，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61