基于组合优化相关向量机的航空发动机性能参数概率预测方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252013V01．34No．92110-2121ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：ffhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn基于组合优化相关向量机的航空发动机性能参数概率预测方法范庚，马登武*海军航空工程学院兵器科学与技术系，山东烟台264001摘要：针对航空发动机性能参数预测过程中存在的不确定因素，提出一种基于组合优化相关向量机(CORVM)的概率预测方法。首先，通过正交小波变换将性能参数序列分解为具有不

2、同特征尺度的随机分量和趋势分量，并分别建立各分量的相关向量机(RVM)回归预测模型。然后，以留一交叉验证误差最小作为优化目标，采用量子粒子群优化(QPSO)算法实现RVM核参数和嵌入维数的白适应优化选择。最后，组合各RVM回归预测模型得到最终预测均值及方差，进而得到预测值的概率分布。通过航空发动机排气温度变化量和滑油金属含量预测实例验证了方法的有效性，实验结果表明：该方法能够有效避免传统点预测方法可能导致的不可靠结果，并具有比单一模型更高的预测精度。关键词：概率预测；航空发动机；性能参数；相关向量机；正交小波变换中图分类号：V263．6；TP

3、206+．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)09—2110—12航空发动机工作在高温、高速、高载荷的环境中，是飞机系统故障率最高的子系统，其状态好坏直接影响飞机飞行的安全性和可靠性。通过对可反映航空发动机性能的重要参数进行趋势分析，可实现对航空发动机的故障预测，从而有效实施视情维修u。4]。航空发动机性能参数预测过程存在多种不确定因素：首先，航空发动机是一个复杂的非线性系统，因而表征航空发动机性能的参数通常是复杂的、非线性、非平稳且带有随机波动的时间序列[31；其次，航空发动机性能参数的测量结果通常含有噪声H]；而且，预

4、测方法本身的参数估计也存在不确定性。目前，航空发动机性能参数预测方法主要有自回归滑动平均(AutoregressiveMov—ingAverage，ARMA)模型法[3’5]、人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork，ANN)法E6‘71和支持向量机(SupportVectorMachine，SVM)法[4沽103等。对于复杂的非线性非平稳时间序列，使用单一模型将难以对其进行准确预测，如果将原始数据分解为不同特征尺度的随机分量和趋势分量，并针对各分量特点选取不同的模型参数或建立不同的预测模型进行预测，则组合模型的预测性能优

5、于单一模型的预测性能口“卜12]。经验模态分解和小波变换是目前常用的两种信号分析方法。文献V3]在利用小波变换对原始数据进行分解的基础上，根据各子序列的特点分别选用ARMA和求和自回归滑动平均(AutoregressiveIntegratedMovingAverage，ARIMA)模型进行预测。文献[12]提出一种支持向量经验模态分解方法，利用该方法将原始时间序列分解为多个固有模态函数(随机分量)和一个余量(趋势分量)，并分别建立预测模型进行预测。收稿日期：2012·11—19；退修B期：2013-05．13；录用日期：2013—06—04；

6、网络出版时间：2013．06．1317：01网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V20130613．1701．007htmI基金项目：省部级项目*通讯作者．Tel．：0535．6637702E—mail：mdw0020201@163．com引用格式

7、FanG．MaDW．Probabilisticpredictionmethodforaeroengineperformanceparametersbasedoncombinedoptimumrelevancevectormachine．ActaAeronaut

8、icaetAstronauticaSinica．2013。34(9)：2110-2121÷范庚．马登武．基于组合侥化相关向量杌的航空发秽机性能参数概率预期!

9、方法．航空学报，2013，34(9)：2110-2121范庚等：基于组合优化相关向量机的航空发动机性能参数概率预测方法以上方法都属于确定性的点预测方法，即只能给出确切的预测值，而无法给出该值的概率分布，忽略了不确定性导致的预测风险问题。相关向量机(RelevanceVectorMachine，RVM)是美国学者Tipping提出的一种基于稀疏贝叶斯框架的机器学习算法[13

10、。RVM通过引

11、入概率模型处理预测中的不确定性问题，具有很强的噪声处理能力和概率式输出的独特优势n4‘1引。针对航空发动机性能参数预测过程中存在的不确定因素，本文提出一种组合优化相