变工况条件下基于相似性的剩余使用寿命预测方法

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1、2016年6月第42卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2016V01．42NO．6http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0396变工况条件下基于相似性的剩余使用寿命预测方法李琪，高占宝+，李善营，李宝安(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083)摘要：剩余使用寿命(RUL)预测是预测

2、与健康管理(PHM)中的核心环节。提出一种变工况条件下基于相似性的RUL预测方法。结合相似性预测方法无需进行复杂的退化过程建模而能提供合理预测的优势，引入工况即设备工作时所处的环境或操作载荷等因素的影响来提升设备RUL预测准确性。对参考样本建立多工况的设备退化模型提升模型精度，在服役样本相似性度量预测中进行工况的匹配以实现在变工况下的RUL预测。方法能够更准确地描述实际工程中设备的退化过程和个体差异。依据相同准确度标准完成多组基本相似性方法和本文方法的对比实验结果表明，本文方法能够有效提高RUL预测准确度。关键词：

3、剩余使用寿命(RUL)；预测；工况；相似性；健康指标中图分类号：TP202+．1；TP206+．3文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)06—1236-08剩余使用寿命(RemainingUsefulLife，RUL)评估是故障预测与健康管理(PrognosticandHealthManagement，PHM)的关键技术之一【l‘3J。RUL预测方法可分为基于模型和数据驱动2类卜⋯。基于模型的方法关联设备物理模型与剩余寿命评估方法完成预测，而数据驱动方法基于与设备退化相关的监测信号运用数学方法完成预

4、测。当设备退化机理难以直接获取时，建立准确的设备模型极其困难或成本极高，这时数据驱动方法成为了一种简单经济的解决方案。同时相较基于模型的方法，数据驱动方法具有更高的通用价值。区别于传统数据驱动方法建立系统退化过程的全局模型，基于相似性的寿命预测方法，利用参考样本建立基于个体的退化模型，然后用每个退化模型的局部估计加权平均给出最终的预测结果，这种方法更符合复杂系统多退化模式的特点[7-8]。相似性方法的基本假设是：如果服役样本与参考样本具有相似的退化性能，它们就会有相似的RUL¨1。其中服役样本是正在运行且尚未失效的

5、样本，参考样本是与服役样本相同型号，运行在相同工况下且已经失效的历史样本。工况是指设备运行所处的环境或操作条件等。在实际设备的初始到失效的运行过程中，设备不可能完全处于相同工况条件，例如飞机处于起飞、爬升、巡航、降落等不同阶段或不同的外界环境时，对系统部件的退化有显著不同的影响旧j。因此忽略工况影响的传统相似性寿命评估不能满足实际系统运行的评估需求，同时真实实验中获得大量相同工况下的参考样本成本巨大。那么相似性预测方法是否能利用变工况模式下的参考样本进行预测、将工况因素加入到剩余寿命预测中是否能提升预测的准确度，这

6、是本文主要研究的2个问题。已有的基于相似性方法虽在相似性基础架构¨’9J、相似性度量方法¨0

7、、预测收稿13期：2015-06-17；录用日期：2015-07-17；网络出版时间：2015-10—1416：15网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151014．1615．009．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(YwF．14．ZDHXY-16)$通讯作者：Tel．：010—82338693E-mail：gaozhanbao@buaa．edu．cnBl

8、甩格式：李琪．高占宝．李善营，等．变I况条件下基f相似性的剩余使甩寿命预测方法【】3．北京航空航天大学学报．2016．42(6)：1236-1243．LIQ，GAOZB，LISY，eta1．Similarity-basedremainingusefullifepredictionmethodundervaryingoperationalconditionsfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(6)：1236—1243(i

9、nChinese)．第6期李琪，等：变工况条件下基于相似性的剩余使用寿命预测方法1237效果检验⋯1等方面进行了深入研究，但目前尚未将变工况问题纳入其中。本文对基本相似性方法进行了如下改进：①建立区分工况的退化模型，以描述不同工况对退化的差异化影响；②在预测中，依据服役样本实时的工况，运用参考样本对应的工况模型进行工况的匹配预测，从而模拟变工况对退化的差异化