基于Box-Cox变换与随机系数回归模型的非线性退化设备剩余寿命预测方法

准确预测退化设备的剩余寿命可以为设备维护管理提供重要信息支撑，进而避免设备运行中发生计划外失效、减少设备运行维护成本。针对工程实际设备广泛存在的非线性退化现象，提出了基于Box-Cox变换与随机系数回归模型的非线性退化设备剩余寿命预测方法。首先，采用Box-Cox变换对非线性退化数据进行线性化处理，在此基础上通过随机系数回归模型构建退化模型，并运用Bayesian理论与蒙特卡洛-期望最大化算法在线更新模型参数；然后，基于随机系数回归模型的特性，推导出剩余寿命的分布函数以及其点估计值；最后，通过数值仿真和锂电池实际退化数据验证所提方法的有效性。     

多传感器监测飞机部件非线性退化评估

飞机部件一般采用多传感器进行状态监控,针对退化过程具有非线性特征的民机典型部件剩余寿命（RUL）预测及评估问题,首先建立了部件性能参数的一般非线性Wiener退化过程,推导出基于多传感器监测数据的剩余寿命预测框架和概率密度函数,随后利用状态空间模型进行隐退化状态估计并同时利用最大期望算法（EM）实现参数递推估计,最后形成了飞机部件多传感器监测下的剩余寿命非线性退化评估方法。通过数值仿真案例和民航发动机剩余寿命预测案例,对比线性退化模型和基于单一传感器监测数据的非线性退化模型,验证了所提方法在提高剩余寿命预测精度的有效性,可为飞机及其部件的剩余使用寿命预测和视情维护决策提供技术支撑。     

多源传感监测线性退化设备数模联动的剩余寿命预测方法

随着先进传感与监测技术的快速发展,实时获取随机退化设备的多源传感监测数据已成为现实,如何有效融合多源传感监测数据以实现随机退化设备剩余寿命的精准预测成为剩余寿命预测领域的研究前沿。针对多源传感监测的线性随机退化设备,提出了一种考虑随机失效阈值的数模联动剩余寿命预测新方法。该方法在离线训练过程中,基于多源传感历史数据提取的复合健康指标及据此线性随机退化建模预测的寿命,构建综合寿命预测值与设备实际寿命的均方误差及寿命预测方差的优化目标函数,形成复合健康指标提取与随机退化建模的反馈闭环,对多源传感器融合系数和复合健康指标对应的随机失效阈值分布参数进行优化调整,以实现复合健康指标提取与随机退化建模的自动匹配,即数模联动。在线预测时,根据提出的数模联动方法,融合实际运行设备的多源传感监测数据以获取复合健康指标,然后采用随机模型对其演变过程进行建模。同时,为使模型实时反映设备当前状况,提出了一种退化模型参数的贝叶斯更新方法,在此基础上基于首达时间得到了考虑设备失效阈值随机性的剩余寿命概率分布。最后,基于航空发动机的多源传感监测数据,验证了所提方法在改善复合健康指标特性和提高剩余寿命预测准确性方面的...     

基于非线性Wiener过程航空发动机性能退化预测

针对线性随机过程航空发动机剩余使用寿命预测精度不高的问题,提出一种漂移系数为指数形式的非线性Wiener过程发动机性能退化建模,进而预测航空发动机的剩余寿命。基于直接监测发动机性能退化数据,构建发动机性能退化模型,根据Wiener过程首达阈值时间的数学性质,推导出剩余寿命的概率分布。通过极大似然估计构建退化模型中未知参数的似然函数,利用遗传算法得到发动机总体模型参数的离线估计值。考虑到不同发动机个体间的差异性,采用贝叶斯公式,结合发动机的实时监测数据与总体模型参数的先验分布对模型中随机参数进行实时更新,从而对个体发动机的剩余寿命实时预测。最后,选择商用航空发动机仿真数据集(C-MAPSS)进行实验,结果表明：针对个体发动机基于非线性随机过程方法,实时更新非线性Wiener方法能够提高航空发动机循环中期剩余寿命预测的准确性,提供更加可靠的预防性维修决策。     

基于随机Wiener过程的航空发动机剩余寿命预测

针对目前剩余寿命(RL)预测方法没有综合考虑发动机个体性能退化的差异性和多阶段性的问题,提出了基于多阶段性能退化模型预测航空发动机剩余寿命的方法。首先,该方法采用多阶段Wiener过程对航空发动机进行退化建模,并假设退化模型参数服从随机分布来描述发动机个体的差异性。然后,根据历史性能退化数据与历史失效时间数据,利用期望最大化算法对模型参数的先验分布进行估计。当获得单台发动机的实时退化数据后,使用Bayesian方法对模型参数进行更新,从而实时更新航空发动机的RL分布,最终实现对单台航空发动机的RL预测。实验结果表明,该方法预测精度较高,能为航空发动机维修计划的制定提供依据。     

基于Wiener过程的航空燃油泵寿命预测

基于数据驱动的寿命预测是目前故障预测与健康管理(PHM)技术寿命预测环节的主流方法。通过对燃油泵出口压力数据进行分析,建立了基于随机效应维纳(Wiener)过程状态退化模型,采用贝叶斯(Bayes)方法对模型进行在线更新,应用最大期望(EM)算法实现模型的超参数估计,得到燃油泵剩余寿命在线预测信息。结果显示,其预测均值路径与实际退化情况基本吻合,寿命预测区间控制在40.62~20.57h,在接近寿命阈值阶段其预测不确定率保持在10%左右。本文所采用的分析方法与仿真得出的结果对于基于PHM技术下的维修保障活动具有一定的指导意义。     

基于EM-KF算法的直升机主减速器剩余寿命预测方法

为解决间接状态监测数据下直升机主减速器剩余寿命预测难以估算的难题,提出了一种卡尔曼滤波和期望最大化算法相结合的剩余寿命预测方法.该方法可以根据不断更新振动信号特征值迅速且有效地估计出模型参数,进而预测不同运行时间主减速器的剩余寿命分布,最后对主减速器试验数据进行了案例分析.结果表明:该方法能够有效估计主减速器的剩余寿命分布,通过与主减速器剩余寿命准确值对比发现,剩余寿命准确值绝大多数落于剩余寿命预测值的95%置信区间内,表明该方法具有好的准确性,进而避免故障的发生.      

多重应力下滚动轴承剩余寿命预测

为了实现多重应力下滚动轴承的剩余寿命预测，有效利用不用应力下的退化数据，提出了一种基于加速模型和贝叶斯（Bayesian）理论的滚动轴承剩余寿命预测方法。通过拟合优度检验和威布尔（Weibull）概率图检验法对滚动轴承试验中的数据进行有效性分析。利用switching Kalman filters(SKF)判断滚动轴承各时刻的退化状态。当滚动轴承进入加速退化时，用指数模型拟合轴承退化过程，利用广义线性对数模型表示退化模型参数与应力的关系，根据修正后的轴承实时退化数据利用贝叶斯算法更新模型参数，得到滚动轴承剩余寿命的概率密度函数，从而实现滚动轴承剩余寿命预测。采用XJTU-SY轴承数据集进行验证，预测结果的均方根误差在20 min以内，证明该方法能够有效预测滚动轴承的剩余寿命。     

基于性能非线性退化统计模型的发动机剩余寿命预测

针对航空发动机在性能退化过程中普遍存在的非线性和不确定性问题,提出一种基于非线性退化数据的统计模型和剩 余寿命预测方法。通过对发动机性能真实退化轨道的分析,采用统计回归的建模方法建立发动机退化轨道模型,利用发动机的历 史数据,通过最小二乘估计求解模型中的未知参数;根据贝叶斯准则,以发动机实时监测数据与参数的先验分布对模型中的参数 进行实时更新,以发动机性能退化量首次达到红线值作为失效依据,采用蒙特卡洛仿真的方法得到发动机剩余寿命分布,实现了 对个体发动机剩余寿命的预测;通过试验数据进行发动机剩余寿命的预测,验证了该方法的准确性。结果表明：根据发动机退化 数据结合退化模型得到的个体发动机剩余寿命实时预测值末端均方根误差为0.02588,可以辅助指导维修决策。     

融合多传感器数据的发动机剩余寿命预测方法

针对基于单一传感器数据的剩余寿命预测方法存在数据利用率低和预测精度不高的问题，论文提出了一种融合多传感器数据的发动机剩余寿命预测方法。首先将多个传感器数据融合成一个复合健康指标来表征发动机的退化性能，采用线性维纳过程对复合健康指标进行退化建模，通过极大似然估计方法确定模型参数，进而得到发动机的预测寿命。为了确定融合系数，提出了一种利用真实寿命与预测寿命的预测均方误差最小化的方法。融合系数确定后，基于训练发动机历史寿命数据，确定出模型参数的离线估计值；然后利用Bayesian公式，同时结合发动机的实时监测数据与参数的先验分布对模型参数进行实时更新，接着在首达时间的意义下推导出剩余寿命的概率分布，进而实现了发动机的剩余寿命在线预测。最后，选择商用模块化航空推进系统仿真数据集进行数值仿真实验，结果表明：相较于基于单一传感器的方法，论文所提方法能够提高剩余寿命预测的准确性，其剩余寿命预测的相对均方误差降低了2%左右。     

基于信度规则库的惯性平台健康状态参数在线估计

 实时准确的健康状态预测是规划惯性平台系统及时、经济的维修策略的关键技术。由于平台系统的健康状态是不能够直接观测的,假设平台系统的特征参数监测数据是可以获取到的,而且平台系统的健康状态与特征量是相关的。基于信度规则库(BRB),以平台系统的状态监测特征参数作为BRB系统的输入,以平台的健康状态作为输出结果,组建了惯性平台健康状态预测系统。为了克服现有BRB参数优化方法的不足,实现实时状态预测,基于期望最大化(EM)算法,研究了健康状态预测系统的参数在线估计算法。该算法在获取系统新的输入输出信息后,就对参数进行更新。利用本文提出的方法对惯性平台系统的健康状态实时预测问题进行了实验分析,实验结果表明：该方法可以有效地实现惯性平台系统健康状态预测模型参数实时估计;与参数离线优化方法相比,该方法不仅在预测精度上,而且在运行时间上都具有明显的优势;在工程实际中有良好的应用潜力。     

基于加速退化试验和粒子滤波的电子设备故障预测方法

针对导弹电子设备故障预测问题,提出了一种基于综合环境加速退化试验(ADT)和粒子滤波的故障预测新方法。首先,不同于传统的ADT方案,仅以单个样本为试验对象,采用步进加速的思想,将性能退化理论拓展为加速性能退化理论(APDT),建立基于电子设备寿命退化速度的加速寿命退化模型。其次,为克服环境应力等测试不确定性因素对预测精度的影响,定义了电子设备退化度的概念,将寿命预测的不确定性问题转化为设备退化度最优估计问题,利用改进粒子滤波算法求解出电子产品动态退化的最优估计值,进而实现设备的全寿命评估。最后,实例说明该方法可行、有效,并大大提高了试验的效费比。     

基于信息融合的航空发动机剩余寿命预测

利用航空发动机状态监测信息,考虑到信息本身具有的误差性和随机性等特点,采用贝叶斯线性模型融合了监测信息,实现了综合利用多源信息的进行航空发动机性能衰退评估;以性能衰退评估结果为输入变量,建立基于Gamma随机过程的可靠性评估模型,预测在指定性能可靠性水平下的剩余寿命.通过算例,分析了不同监测参数对剩余寿命预测的影响.该方法能将性能监测与可靠性分析集成到一个框架中,充分利用了多种状态监测信息,结果更加准确,更符合控制航空发动机维修决策风险的实际.      

基于退化失效与突发失效竞争的导弹剩余寿命预测

为了提高导弹剩余寿命预测结果的准确性,本文综合利用导弹的性能退化数据和突发失效时间数据,提出了基于退化失效和突发失效竞争的剩余寿命预测方法。在引入状态空间模型评估出整弹退化程度的基础上,采用Gamma过程建立退化失效模型;在假定突发失效概率与整弹性能退化程度相关的前提下,采用Weibull分布建立突发失效模型;进而建立退化失效与突发失效竞争模式下的导弹可靠度模型。案例应用证明了所提方法的有效性,对准确预测导弹剩余寿命,有效开展视情维修具有一定的工程价值。     

部分可观测信息条件下装备剩余寿命预测

 针对部分可观测信息条件下退化系统的剩余寿命(RUL)预测问题,综合利用装备的历史寿命信息和性能退化信息,采用隐马尔可夫模型(HMM)对系统进行状态评估,得到系统的转移概率矩阵和观测概率矩阵;采用Bayes方法不断更新系统状态空间的条件概率分布;利用比例故障率模型(PHM)对系统进行可靠性分析,得到系统的故障率和可靠度函数,进而得到装备的剩余寿命分布。研究表明,该方法可较准确地预测装备的剩余寿命,为保障人员提供科学的维修决策依据。     

基于气路参数融合的涡扇发动机性能退化预测

针对单参数驱动的涡扇发动机性能退化预测精度不高的问题,提出了一种基于气路参数融合的涡扇发动机性能退化预测的方法。通过监测发动机性能退化过程中多源参数,采用专家经验和核主成分分析相结合的方法,进行发动机性能参数的选择和融合,从而构建健康参数。基于非线性Wiener过程构建涡扇发动机退化模型,采用极大似然方法求得发动机退化模型的离线参数估计值;由于不同发动机性能退化的差异性,基于贝叶斯更新理念对随机参数进行实时更新,可以实现对单台发动机的性能退化实时预测。通过实例验证,采用此方法在预测末端方均根误差为0.028 3,整体预测精度提升了54.5%,可以辅助指导维修决策。      

Remaining useful life prediction based on variation coefficient consistency test of a Wiener process

High-cost equipment is often reused after maintenance, and whether the information before the maintenance can be used for the Remaining Useful Life (RUL) prediction after the maintenance is directly determined by the consistency of the degradation pattern before and after the maintenance. Aiming at this problem, an RUL prediction method based on the consistency test of a Wiener process is proposed. Firstly, the parameters of the Wiener process estimated by Maximum Likelihood Estimation (MLE) are proved to be biased, and a modified unbiased estimation method is proposed and verified by derivation and simulations. Then, the h statistic is constructed according to the reciprocal of the variation coefficient of the Wiener process, and the sampling distribution is derived. Meanwhile, a universal method for the consistency test is proposed based on the sampling distribution theorem, which is verified by simulation data and classical crack degradation data. Finally, based on the consistency test of the degradation model, a weighted fusion RUL prediction method is presented for the fuel pump of an airplane, and the validity of the presented method is verified by accurate computation results of real data, which provides a theoretical and practical guidance for engineers to predict the RUL of equipment after maintenance.