專利名稱：基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)品的剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，適用于機(jī)電產(chǎn)品、電子產(chǎn)品的壽命評(píng)估，具體是一種基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)無(wú)論在學(xué)術(shù)研究還是工業(yè)應(yīng)用都變得越來(lái)越廣泛。PHM方法允許在系統(tǒng)的實(shí)際的壽命周期條件下對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估和進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，以預(yù)測(cè)故障將要發(fā)生的時(shí)間與地點(diǎn)，從而消除系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。PHM過(guò)程中對(duì)在線數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和學(xué)習(xí)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)的方法有很多。粒子濾波由于其具有良好的邏輯推理性而成為了其中非常重要的一種方法。
粒子濾波是一種基于序貫蒙特卡羅方法和遞推貝葉斯估計(jì)的統(tǒng)計(jì)濾波方法。它依據(jù)大數(shù)定理采用序貫蒙特卡羅方法來(lái)求解貝葉斯估計(jì)中的積分問(wèn)題，其核心內(nèi)容包含三方面動(dòng)態(tài)空間模型、貝葉斯估計(jì)理論和序貫蒙特卡羅抽樣。
動(dòng)態(tài)空間模型是指一個(gè)隨時(shí)間相關(guān)隨機(jī)系統(tǒng)，可以用兩個(gè)模型來(lái)描述，一個(gè)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程 =f(xk-1 Vlri)，一個(gè)為觀測(cè)方程\ = h(xk, nk)。其中 是代表系統(tǒng)在時(shí)間 k的狀態(tài)變量的理論值，Xk^1是代表系統(tǒng)在時(shí)間k-Ι的狀態(tài)變量的理論值^k為系統(tǒng)在時(shí)間 k的觀測(cè)值，Vk^1為k-Ι時(shí)刻過(guò)程噪聲；nk為k時(shí)刻觀測(cè)噪聲。
貝葉斯估計(jì)理論是一種基于貝葉斯條件概率的估計(jì)理論。貝葉斯估計(jì)理論將未知量X看作是一個(gè)隨機(jī)變量，并引入它的先驗(yàn)分布P(X)。在沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)可以利用的情況下，只能根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)對(duì)X作出判斷，進(jìn)而估計(jì)X的分布。這樣建立起來(lái)的分布即為關(guān)于X的先驗(yàn)分布P(X)；但是如果獲得了觀測(cè)數(shù)據(jù)ζ，ζ為后驗(yàn)信息，則可以根據(jù)以下公式對(duì)未知參數(shù)X的分布進(jìn)行修訂，P (X I ζ)為基于后驗(yàn)信息ζ的X的概率分布，簡(jiǎn)稱為X的后驗(yàn)分布，
權(quán)利要求
1. 一種基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，假設(shè)產(chǎn)品的加速退化試驗(yàn)中，滿足下面條件(a)產(chǎn)品的性能退化過(guò)程是隨機(jī)過(guò)程；(b)產(chǎn)品的性能退化過(guò)程具有一階馬爾科夫性； 該剩余壽命預(yù)測(cè)方法具體包括如下步驟步驟一、獲取加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，包括應(yīng)力水平數(shù)、總的樣本數(shù)、每個(gè)應(yīng)力水平下的產(chǎn)品的性能監(jiān)測(cè)值的采集次數(shù)和數(shù)據(jù)采集間隔，并進(jìn)行預(yù)處理，具體是如果同一個(gè)應(yīng)力水平下的樣本量大于1，則對(duì)處于同一個(gè)應(yīng)力水平下的樣本的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)求均值；步驟二、利用加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立產(chǎn)品的性能退化方程 Yi (k) = y0+d(Si)g(k)+e(1)其中，YiGO為第i個(gè)應(yīng)力水平下產(chǎn)品在k時(shí)刻的所有樣本的性能參數(shù)值的均值；Cl(Si) 為加速模型；g(k)為關(guān)于時(shí)間k的函數(shù)，采用線性、冪指數(shù)、對(duì)數(shù)和指數(shù)四種模型擬合； %為產(chǎn)品所有的退化初值的均值，ε為隨機(jī)誤差項(xiàng)，假設(shè)ε為布朗運(yùn)動(dòng)，服從分布Ν(0， O2Ak), σ為退化過(guò)程中的擴(kuò)散系數(shù)，Ak為數(shù)據(jù)采集間隔；步驟三、根據(jù)性能退化方程建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程& = f(xk_1,vk_1)和觀測(cè)方程\ = h(xk, nk)；其中，Xk代表產(chǎn)品在k時(shí)刻的狀態(tài)值；Xlri代表產(chǎn)品在k-Ι時(shí)刻的狀態(tài)值；Zk為產(chǎn)品在 k時(shí)刻的觀測(cè)值，是通過(guò)儀器觀測(cè)得到的性能值；Vlri為k-Ι時(shí)刻的過(guò)程噪聲；nk為k時(shí)刻的觀測(cè)噪聲；f =Xk^1 — xk, h :xk — yk為有界非線性映射；所述的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程通過(guò)將k時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)值與k-Ι時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)值做差得到；步驟四、根據(jù)以上三步驟獲取的結(jié)果作為先驗(yàn)信息，進(jìn)行粒子濾波初始粒子抽樣，具體是產(chǎn)品在粒子濾波的O時(shí)刻，產(chǎn)品的狀態(tài)服從高斯分布Ν(%，ο 2Ak)，從高斯分布N(ytl， O2Ak)中利用序貫蒙特卡羅抽樣產(chǎn)生粒子群，Χ丨為O時(shí)刻第i個(gè)粒子的狀態(tài)值，Ns 為抽樣產(chǎn)生的粒子的總數(shù)，各粒子權(quán)值均為1/NS ； 步驟五、粒子權(quán)值的更新和歸一，具體是 首先，根據(jù)式( 更新k時(shí)刻的粒子權(quán)值<=<—#“ =/ = IA…TVs(2)其中，<為k時(shí)刻第i個(gè)粒子的權(quán)值，# k-Ι時(shí)刻第i個(gè)粒子的權(quán)值，巧為k時(shí)刻第 i個(gè)粒子的狀態(tài)的估計(jì)值，;1 為基于$的Zk的概率分布，MO為k時(shí)刻第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值，/7( -為噪聲項(xiàng)；然后，對(duì)更新后的粒子權(quán)值進(jìn)行歸一化處理=</Σ< ；i=l步驟六、粒子重采樣，得到新的粒子集合= 1,2,···乂}，<+1為k+Ι時(shí)刻第i個(gè)粒子的狀態(tài)值；步驟七、采用式C3)確定k時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)的最小均方估計(jì)& ΛNs⑶步驟八、根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測(cè)方程預(yù)測(cè)下一時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)，并且通過(guò)持續(xù)收集在線數(shù)據(jù)，不斷地更新和修正狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測(cè)方程中的參數(shù)；步驟九、重復(fù)上面的步驟五至步驟八直至通過(guò)抽樣產(chǎn)生的粒子具有足夠的精確性，然后開(kāi)始進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)；所述的抽樣產(chǎn)生的粒子具有足夠的精確性，是指通過(guò)抽樣產(chǎn)生的粒子與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的產(chǎn)品的狀態(tài)值非常接近并且保持穩(wěn)定；步驟十、確定產(chǎn)品狀態(tài)能夠接受的置信度，具體是k+l時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)變量服從正態(tài)分布N (u，R)，u = xk+d(S0) Δ k，R = 2 ο 2 Δ k，設(shè)k+1時(shí)刻以P。的概率接受當(dāng)前產(chǎn)品的狀態(tài)，則有Pr (u-q ( xk+1 ( u+q) = P0(4)根據(jù)式(4)得到q，則[u_q，u+q]為k+1時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)能夠接受的置信區(qū)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述的產(chǎn)品為超輻射發(fā)光二極管，加速退化試驗(yàn)的應(yīng)力為溫度，選用Arrermius模型作為超輻射發(fā)光二極管的加速模型(KTi) = Gxp(A-EaZ(K^Ti))j i = 1,2,…，m，Ti為第i個(gè)應(yīng)力水平下的溫度，A為待估計(jì)參數(shù)，fe為激活能，κ為波爾茲曼常數(shù)，則超輻射發(fā)光二極管的性能退化方程為YiGO= ε+exp (A-Ea/( κ ^Ti)) 'k+y0, i = l,2, ...，m(5)其中，ε N(0，O2At), At為數(shù)據(jù)采集間隔，y(l為溫度為Ttl時(shí)的退化初值，y(l通過(guò)對(duì)所有樣本的初始性能監(jiān)測(cè)值求均值得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述的超輻射發(fā)光二極管的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為~ N(xk + (Τ0)Α 2,Α ισ^2)(6)其中，xk為超輻射發(fā)光二極管在k時(shí)刻的狀態(tài)值，xk+1為超輻射發(fā)光二極管在k+Ι時(shí)刻的狀態(tài)值，d(Ttl)為超輻射發(fā)光二極管在正常溫度應(yīng)力Ttl = 25°C時(shí)的加速模型值，At1為對(duì)超輻射發(fā)光二極管在內(nèi)場(chǎng)加速退化試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)采集間隔，為對(duì)超輻射發(fā)光二極管在外場(chǎng)加速退化試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)采集間隔，σ為超輻射發(fā)光二極管在加速退化試驗(yàn)過(guò)程中的擴(kuò)散系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述的超輻射發(fā)光二極管在步驟九中采用均方誤差RMSE來(lái)判斷抽樣產(chǎn)生的粒子是否具有足夠的精確性，具體均方誤差RMSE為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法， 其特征在于，步驟九中所述的進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)具體是預(yù)測(cè)t+k+Ι時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài) ^ =珂/(Om)] = ￡[χ；!]，根據(jù)所得到的產(chǎn)品的狀態(tài)預(yù)測(cè)值判斷該產(chǎn)品在t+k+i 時(shí)刻是否出現(xiàn)故障，若出現(xiàn)故障，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間值就是該產(chǎn)品的壽命，根據(jù)所得到的壽命值能夠得到產(chǎn)品當(dāng)前的剩余壽命；其中
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于加速退化數(shù)據(jù)的粒子濾波剩余壽命預(yù)測(cè)方法，適用于機(jī)電產(chǎn)品、電子產(chǎn)品的壽命評(píng)估。該方法首先獲取內(nèi)場(chǎng)加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，并建立性能退化方程，通過(guò)性能退化方程建立產(chǎn)品的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，將內(nèi)場(chǎng)加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)和少量外場(chǎng)數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)信息，進(jìn)行粒子濾波初始粒子抽樣，并隨時(shí)間對(duì)粒子權(quán)值進(jìn)行更新和歸一化粒子重采樣，確定當(dāng)前時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)的最小均方估計(jì)，根據(jù)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程預(yù)測(cè)下一刻時(shí)刻產(chǎn)品的狀態(tài)，最后對(duì)產(chǎn)品的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)并確定預(yù)測(cè)結(jié)果的置信度。本發(fā)明方法避免單純利用內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)而忽略外場(chǎng)使用數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)所造成的偏差，極大的減小了外場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集時(shí)間，更具有工程使用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102542155SQ20111040034
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者何賓, 姜同敏, 孫富強(qiáng), 李曉陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)