一种基于连续Weiner过程损伤的设备剩余寿命评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于连续Wiener过程损伤累积模型与长短期记忆网络的设备剩余寿命评估方法，属于设备可靠性评估与故障预测领域。

背景技术

目前，大部分可靠性分析采用的是传统的可靠性理论，传统的可靠性分析技术是以失效时间作为统计分析对象的，其做法是通过大量试验得到产品或其部件的失效数据，然后使用统计方法，选择最合适的统计分析模型，最后通过系统可靠性结构模型和部件寿命分布模型，得到产品的可靠性。然而，一般情况下，随着产品的使用时间增加，表征产品性能的特征参数会出现退化情况，性能退化现象是自然而大量存在的，并且由于不同设备使用条件和运行历史的不同，运行同样时间后，其性能退化情况也存在不同，因此，会出现有些设备寿命较短，有些设备寿命较长的现象。而传统的可靠性分析方法，仅考虑了“时间”这一个变量，缺乏对设备运行条件、环境、当前状态等细节信息的考虑。这种可靠性评估方法，造成对于长期运行后的设备可靠性评估存在较大误差，将状态仍然良好的设备，归为报废设备，仅仅是因为使用次数临近或超过设计可靠性极限值；或者将性能已经出现明显退化的设备，仍然评估为满足可靠性要求。当前，一些研究中借助长短期记忆网络(LSTM)具有捕捉序列数据变化趋势特征的能力，将其用于设备的剩余寿命预测当中，对于存在明显性能退化的设备，其预测结果较为准确。然而，对于设备退化早期，由于设备性能退化并不明显，且存在着随机性的波动，因此，预测结果并不准确，误差较大。另一方面，对于连续损伤累积下的退化失效问题，考虑产品实际退化过程与增长规律存在一定的差异，一般来说，随着时间的增长，各产品个体间性能值差距会越来越大，成喇叭口状态。对于这种连续退化过程，可采用基于Weiner过程退化模型在缺乏或没有寿命数据的情况下预测设备的平均故障时间，即可以基于设备退化的早期数据，预测设备的故障时间，但连续Weiner过程损伤模型和传统可靠性分析方法相同，缺乏对设备性能退化情况的具体情况信息，因此在设备性能退化末期，模型误差较大，甚至存在超出模型预测范围的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：一种基于连续Weiner过程损伤的设备剩余寿命评估方法，以解决上述现有技术中存在的设备剩余寿命评估误差较大的问题。

本发明采取的技术方案为：一种基于连续Weiner过程损伤的设备剩余寿命评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤S10：对n台设备进行全全寿命周期监测，并通过滑窗将监测数据分为多个监测批次，并对各设备前两批数据与最后一批数据进行性能退化量的标注；

步骤S20：建立通用的长短期记忆网络(LSTM)，将各设备收尾批监测数据及相应的性能退化量标签值，输入长短期记忆网络(LSTM)进行训练；

步骤S30：将所述的训练好的长短期记忆网络LSTM输入所有设备的全寿命监测数据，得到的输出作为设备全寿命周期里的性能退化指标。然后选取可适合一次函数拟合的区间，求解区间中性能退化指标的最大值作为失效阈值；

步骤S40：针对所述的适合一次函数拟合的区间的性能退化指标数据，采用改进最小二乘拟合方法，解算连续Weiner过程的均值和方差参数估计值；

步骤S50：针对所述的连续Weiner过程的均值以及设备性能失效阈值，采用失效概率密度损伤累积算法，得到设备从健康到故障失效的预测时间；

步骤S60：根据所述的任意时刻的设备状态性能退化指标，采用所述的连续Weiner失效概率密度损伤累积算法，计算i时刻设备的平均故障时间，同时当作设备的可靠性指标；

步骤S70，通过统计获得样品设备在各寿命长度L下的故障概率先验概率分布，然后计算设备在各剩余寿命条件下，可靠性指标和性能指标的联合条件概率分布函数；

步骤S80：根据一台正在运行的设备的当前监测信息，输入训练好的长短期记忆网络，得到性能退化指标，然后根据可靠性评估算法计算样品可靠性评估指标，再通过贝叶斯公式，计算各寿命条件下的后验概率，最终得到样品剩余寿命的期望值。

在本发明的一种示例实施例中，将所述的训练好的长短期记忆网络LSTM输入所有设备的全寿命监测数据，得到的输出作为设备全寿命周期里的性能退化指标。然后选取可适合一次函数拟合的区间，求解区间中性能退化指标的最大值作为失效阈值，采用改进最小二乘拟合方法，估计设备性能退化指标基于连续Weiner过程的均值和方差参数包括：

DHI

其中DHI

在本发明的一种示例实施例中，针对所述的连续Weiner过程的均值以及设备性能失效阈值，采用失效概率密度损伤累积算法，得到设备从健康到故障失效的预测时间包括：

其中MTBF(DHI

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的任意时刻的设备状态性能退化指标，采用所述的连续Weiner失效概率密度损伤累积算法，计算i时刻设备的平均故障时间包括：

MTBF

其中DHI

在本发明的一种示例实施例中，通过统计获得样品设备在各寿命长度L下的故障概率先验概率分布，然后计算设备在各剩余寿命条件下，可靠性指标和性能指标的联合条件概率分布函数包括：

其中

在本发明的一种示例实施例中，根据一台正在运行的设备的当前监测信息，输入训练好的长短期记忆网络，得到性能退化指标，然后根据可靠性评估算法计算样品可靠性评估指标，再通过贝叶斯公式，计算各寿命条件下的后验概率，最终得到样品剩余寿命的期望值包括：

MTBF

其中DHI

本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明基于长短期记忆网络(LSTM)，提取设备性能退化指标，并在此基础上，采用连续Weiner过程损伤模型，捕捉设备退化早期的可靠性变化信息。最后，通过贝叶斯信息融合技术，将可靠性与性能评估结果在剩余寿命这一指标上得以融合，形成可靠性与性能一体化评估方法。该方法融合了连续Weiner过程损伤模型和LSTM对早期和晚期剩余寿命预测的结果，从而可以更准确的评估各阶段设备的可靠性或剩余寿命。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于连续Weiner过程损伤的设备剩余寿命评估方法的架构图；

图2是一种基于连续Weiner过程损伤的设备剩余寿命评估方法的应用流程图；

图3是本发明实施例所提供方法的各样本设备性能退化指标趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1与附图2，对本发明进一步详细说明。

实施例1：一种基于连续Weiner过程损伤的设备剩余寿命评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：初始化n台样品设备全寿命周期监测数据，通过滑窗将数据分为多个监测批次。取各设备前两批数据，并标注其性能退化量为0.01～0.05的随机数，取各设备的最后一批数据，标注其性能退化量为0.9～0.91的随机数，倒数第二批数据，标注其性能退化量为0.89～0.9之间的随机数；

步骤二：建立通用的长短期记忆网络(LSTM)，将各设备收尾批监测数据及相应的性能退化量标签值，输入长短期记忆网络(LSTM)进行训练；

步骤三：将所述的训练好的长短期记忆网络LSTM输入所有设备的全寿命监测数据，得到的输出作为设备全寿命周期里的性能退化指标。然后选取可适合一次函数拟合的区间，求解区间中性能退化指标的最大值作为失效阈值；

具体的，首先将各设备全寿命监测数据用模型进行预测，对于一台设备全寿命周期的预测结果，即为该设备全寿命周期里的性能退化指标，记作DHI

其次，画出所有样品设备全寿命周期中性能退化指标，选择性能退化指标均值和方差可通过一次函数拟合的区间，并选取基于区间中性能退化指标的最大值，定义为失效阈值DHI

DHI

其中m

步骤四：针对所述的适合一次函数拟合的区间的性能退化指标数据，采用改进最小二乘拟合方法，解算连续Weiner过程的均值和方差参数估计值；

具体的，基于连续Weiner过程的均值

其中DHI

步骤五：针对所述的连续Weiner过程的均值以及设备性能失效阈值，采用失效概率密度损伤累积算法，得到设备从健康到故障失效的预测时间。

具体的，首先将均值和方差参数估计值

其次再通过从0到正无穷积分，得到设备的失效时间期望值MTBF(DHI

步骤六：根据所述的任意时刻的设备状态性能退化指标，采用所述的连续Weiner失效概率密度损伤累积算法，计算i时刻设备的平均故障时间，同时当作设备的可靠性指标。

具体的，首先根据第j台设备i时刻的性能退化指标DHI

其次，根据所述的设备从性能退化指标为0的健康状态退化到故障失效阈值DHI

MTBF

同时i时刻设备的平均故障时间MTBF

步骤七，通过统计获得样品设备在各寿命长度L下的故障概率先验概率分布，然后计算设备在各剩余寿命条件下，可靠性指标和性能指标的联合条件概率分布函数；

具体的，首先通过统计获得样品设备在各寿命长度L下的故障概率先验概率分布P(L)。

然后，根据所述的设备i时刻的可靠性指标，计算设备在剩余寿命RUL＝l条件下，可靠性指标和性能指标的均值

最后，通过下面方式计算样品在各剩余寿命条件下，可靠性指标和性能指标的联合条件概率分布函数：

其中，L

步骤八：根据一台正在运行的设备的当前监测信息，输入训练好的长短期记忆网络，得到性能退化指标，然后根据可靠性评估算法计算样品可靠性评估指标，再通过贝叶斯公式，计算各寿命条件下的后验概率，最终得到样品剩余寿命的期望值。

具体的，首先对正在运行的设备进行全寿命监测，并将得到的监测信息，输入训练好的LSTM网络，得到性能退化评估值，记作DHI

然后，将性能退化评估值带入可靠性评估模型，按照下面方法计算设备的可靠性评估指标MTBF

MTBF

再次，通过贝叶斯公式，计算在MTBF

最后，根据设备后验概率分布P(RUL＝l|MTBF

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。