基于随机Wiener过程的航空发动机剩余寿命预测

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaFeb．252015VoI．36No．2564-574ISSN1000—6893CN11—1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于随机Wiener过程的航空发动机剩余寿命预测刘君强*，谢吉伟，左洪福，张马兰南京航空航天大学民航学院，南京211106摘要：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

2、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。关键词：wiener过程；剩余寿命；信息融合；期望最大化算法；Bayesian方法中图分类号：V267+．4文献标识码：A文章编号：10

3、00一6893(2015)02一0564—11剩余寿命(RL)预测是故障预测与健康管理中的一项关键技术[1‘3]，它能对航空发动机进行准确的RL预测，减少维修费用、降低发生风险的概率，从而为航空发动机的维修计划制定提供依据。由于航空发动机具有长寿命、高可靠性的特点，难以在短时间内得到足够数量的失效时间数据，因此，传统的概率统计方法并不适用于对航空发动机的RL进行预测。航空发动机是典型的基于性能失效的复杂机械系统，目前国内外已建立多种性能退化模型来描述复杂机械系统的失效过程，如疲劳裂纹模型[4]、累积损伤模型[5]、基于随机过程的性能退化模型[6

4、‘71等。在多种随机过程中，wiener过程可以描述非单调的性能退化过程，并具有良好的计算分析能力，是目前工程领域中应用最为广泛的性能退化模型[8

5、。Nicolai等[93对碳膜电阻的阻值以及某种合成材料的强度取对数后，采用Wiener过程对其退化过程进行建模，通过加速退化试验分析产品在常应力下的可靠性水平。彭宝华等口叩采用Wiener过程对金属化膜电容器的电容值耗损量进行了建模，对电容器的可靠度进行了评估。目前，基于Wiener过程的性能退化建模仍需解决以下问题：①当历史性能退化数据较少时，如何融合其他数据对性能退化模型中的未知参数进行估计；

6、②在性能退化建模过程中，如何体现个体差异性。针对第一个问题，彭宝华等[11]提出了基于产品的历史失效时间数据和实时性能退化数据的wiener过程建模方法；王小林等[123提出了综合利用历史性能退化数据、历史失效时间数据与实时性能退化数据的wiener过程建模方法。针对第二个问题，wan一13]提出了wiener过程模型参数服从随机分布的假设，从而有效描述个体之收稿日期：2014—03-12；退修日期：2014-09-02；录用日期：2014．11-05；网络出版时间：2014．11．1509：45网络出版地址：www．cnkinet／kcms／

7、detail／10．7527／s1000．6893．20140312．htmI基金项目：国家自然科学基金(61232002，60939003)；中国博士后科学基金(2012M1081，2013T60537)；江苏省博士后科学基金(1031107C)；中央高校基本科研业务专项资金(Ns2014066)；江苏高校哲学社会科学研究项目(2014sJD041)*通讯作者Tel．：025-84896260E-mai

8、：Iiujunqiang@nuaa．edu．cn飘角耱武IL{uJO，X

9、eJw．zuoHF．etaI．Residua¨{f戡imepr酣i

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11、onfor舱roengi舱sbas酣onw

12、enerDr口cessw油randome栉ectsrJ]．AdaAeronauticaetAstronautIcasinica．2015．36(2)：564—574．蜘君强．谢吉伟．左洪福．等．基于随机w

13、ener过程昀航空发动机莉余寿命预溯[JI．航空学报．2015。36(2)：584．574．刘君强等：基于随机wiener过程的航空发动机剩余寿命预测间的差异；Gebraeel等[141提出了可以利用Bayes—ian方法融合实时性能退化数据对Wiener过程中的随机参数进行更新。然而，在目前关

14、于Wiener过程的性能退化建模方法中，很少有关于多阶段性能退化模型的研究。对此，王小林等[1朝使用分阶段的Wiener过程对液力耦合器进行退化建模，