一種針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳感器選擇方法。在本方法中，以對同種故障模式下的退化特性分析為基礎(chǔ)，對退化模式一致性、初始狀態(tài)不定性、退化整體單調(diào)性、失效狀態(tài)一致性四個主要特性進行了分析與描述，并依此特性分析基礎(chǔ)為依據(jù)，設(shè)計了基于退化特性分析的健康與失效狀態(tài)計算、狀態(tài)轉(zhuǎn)移量計算、失效狀態(tài)方差量計算、一致失效區(qū)間率計算，最后，以一致失效區(qū)間率作為主要參考量，采用兩種方法對傳感器信號靈活地進行選擇。
【專利說明】
一種針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳感器選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高可靠性、安全性和有效性，設(shè)備維護在許多領(lǐng)域已受到越來越多的關(guān)注， 尤其在安全相關(guān)或停機與故障成本高的復(fù)雜設(shè)備領(lǐng)域，如航空航天、發(fā)電站、大型工業(yè)設(shè)備 等。目前，常規(guī)的后勤維修體系在進行故障維修決策時通常是事后維修（Corrective Maintenance，CM)體系或者定期維護(Time-based Maintenance，TBM)體系，即在裝備故障 或失效發(fā)生后進行維修或者事先確定一個與裝備實際退化狀況無關(guān)的時間段為周期來進 行裝備維護。這樣就很少考慮裝備的實際健康狀態(tài)，一般采用傳統(tǒng)儀器儀表進行系統(tǒng)檢測 獲得數(shù)據(jù)而后由人工進行故障判斷的方法，不僅效率較低，可靠性差，而且很難發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè) 備潛在的輕微故障。因此有了預(yù)測維護(Prediction Maintenance)理念的提出，主要表現(xiàn) 為提出了預(yù)測與健康管理(Prognostic and Health Management,PHM)技術(shù)。這種技術(shù)是通 過在設(shè)備上安裝一系列能夠采集與設(shè)備健康狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳感器進行狀態(tài)監(jiān)控，然后通 過故障診斷、故障預(yù)測技術(shù)來獲取設(shè)備的健康狀態(tài)信息及預(yù)測可用的剩余壽命，最后通過 這些信息來進行決策與管理，進而從全壽命周期維護的角度進行設(shè)備的維護。
[0003] 在處理狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)過程中，不同的故障模式可能會與不同的傳感器相關(guān)聯(lián)，而 在處理一種故障模式時，目前的做法往往是使用全部的傳感器數(shù)據(jù)，這樣就會造成兩個大 的問題。一是不相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)不僅不能提供有效信息，而且隨著所占數(shù)據(jù)比例的提升 有很大可能對期望結(jié)果造成較大的負面影響，從而降低整個系統(tǒng)信息流的有效性甚至促使 整個系統(tǒng)提供錯誤決斷，造成重大安全問題與財產(chǎn)損失。二是不相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)作為有 毒數(shù)據(jù)，會大大拖累整個系統(tǒng)的處理數(shù)據(jù)能力，浪費系統(tǒng)存儲與計算資源，降低了系統(tǒng)的有 效性。由于在預(yù)測與健康管理領(lǐng)域，所需要的狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)通常為設(shè)備的退化數(shù)據(jù)，所以針 對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法在整個系統(tǒng)實現(xiàn)中有非常重要的地位。
[0004] 對于上述問題，唯一的解決途徑便是在處理某種故障模式時，把相關(guān)的傳感器數(shù) 據(jù)精確地挑選出來，然后進行后續(xù)處理。目前關(guān)于此問題的研究十分有限，主要包括三種思 路。一是人工觀察方法，根據(jù)某種特性來人工進行選擇，優(yōu)點是簡單且結(jié)果較為準確，缺點 是需要專業(yè)人員，處理速度慢，為定性分析，結(jié)果可靠性差。二是窮舉搜索法，通過把傳感器 進行組合窮舉，設(shè)計評價指標來挑選較好的傳感器組合，優(yōu)點是結(jié)果準確，可靠性較好，缺 點是評價指標設(shè)計困難，計算量巨大，花費時間長，性價比較低。三是定量分析法，通過分析 來從某一角度設(shè)計性能指標與閾值，最后比較來進行選擇，優(yōu)點是處理速度快，可靠性好， 缺點是結(jié)果準確性隨方法不同而差距明顯，能夠充分利用專業(yè)知識。
[0005] 因此，在保證系統(tǒng)存儲和計算資源用量小的情況下，精確可靠地找到與當(dāng)前故障 模式相關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)據(jù)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的是針對具備退化性質(zhì)的傳感器數(shù)據(jù)，解決當(dāng)前缺乏有效傳感器 信號選擇的問題，提供在某一故障模式下有效傳感器信號選擇方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳 感器選擇方法，其特征在于包括如下步驟:S1、針對選定的退化模式，針對各單元傳感器，計 算健康與失效狀態(tài);S2、計算狀態(tài)平均轉(zhuǎn)移量和失效狀態(tài)方差量;S3、計算一致失效區(qū)間率； S4、根據(jù)一致失效率區(qū)間進行傳感器選擇。
[0008] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提出了一種針對某種故障模式下退化數(shù)據(jù)的傳感器信 號選擇方法。本方法以分析設(shè)備單元的退化特性為基礎(chǔ)和依據(jù)，因此充分利用了設(shè)備單元 的退化知識，確保了選擇結(jié)果的正確性和可靠性；同時基于方差等計算簡單的參數(shù)構(gòu)建了 一個能夠反映傳感器信號與故障模式關(guān)聯(lián)程度的指標，所以對存儲和計算資源占用少，速 度快;最后以此指標為參考進行傳感器信號的靈活選擇，給予了選擇方法更好的靈活性、實 用性和拓展性。所以，本發(fā)明中提出的方法具備結(jié)果準確、可靠性高、計算量小的特點。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明傳感器選擇方法的流程圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明傳感器選擇方法實施例的傳感器信號樣例集合圖；
[0011] 圖3-1、3-2是本發(fā)明傳感器選擇方法實施例的傳感器信號典型樣例圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明傳感器選擇方法實施例的一致失效區(qū)間率結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 本實話例的針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳感器選擇方法，包括:選定退化模式下 的數(shù)據(jù)集描述，選定退化模式下的退化特性分析，基于退化特性分析的健康與失效狀態(tài)計 算、狀態(tài)轉(zhuǎn)移量計算、失效狀態(tài)方差量計算、一致失效區(qū)間率計算，設(shè)定區(qū)間率閾值或選擇 比例，根據(jù)閾值或比例進行傳感器選擇。其中，所述退化特性分析包括退化模式一致性、初 始狀態(tài)不定性、退化整體單調(diào)性、失效狀態(tài)一致性四個主要特性的分析;所述退化模式一致 性為其他三個特性的基礎(chǔ)，也是計算一致失效區(qū)間率的基礎(chǔ)，所述初始狀態(tài)不定性與失效 狀態(tài)一致性是計算健康與失效狀態(tài)的基礎(chǔ)，所述失效狀態(tài)一致性是計算失效狀態(tài)方差量的 基礎(chǔ)，所述退化整體單調(diào)性是計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移量的基礎(chǔ);其中，所述退化特性是計算各個數(shù)字 量的依據(jù)，所述各個數(shù)字量是進行傳感器選擇的前提。
[0014] 其中：
[0015] 所述某種退化模式下的數(shù)據(jù)集描述如下，
[0016] 給定數(shù)據(jù)集
[0017] D= {Uniti | i = 1，2, ? ? ?，n} (1)
[0018]數(shù)據(jù)集D包含n個在同種退化模式下的相同型號的設(shè)備單元Unit，每個單元具備相 同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于其中任意單元
[0019] Uniti= {Sensor」11 j = l，2, ? ? ?，m} (2)
[0020] 每一個設(shè)備單兀Uni ti都包含m個傳感器信號Sensor j1，對于每一傳感器信號
[0021] ^ (sflp - ⑶
[0022] 對于第i個設(shè)備單元的任意傳感器Sensor/，每一個傳感器信號都包含與所屬單元 相關(guān)聯(lián)的長度為9:的時間序列數(shù)據(jù)發(fā)這些以時間序列形式存在的傳感器數(shù)據(jù)記錄了所屬 單元在同種操作模式下從未知的健康狀態(tài)一直運行到失效狀態(tài)的過程。
[0023] 所述退化模式一致性具體指布置在相同采集點的傳感器采集到的設(shè)備單元退化 信號在形態(tài)上是相似的;所述初始狀態(tài)不定性具體指設(shè)備在開始運行階段有不同程度的初 始磨損和不同內(nèi)部材料應(yīng)力結(jié)構(gòu)，雖然這些磨損等是未知的，但都被認為是正常或健康狀 態(tài);所述退化整體單調(diào)性具體指傳感器信號的全局趨勢是存在且單向的；所述失效狀態(tài)一 致性具體指當(dāng)設(shè)備單元退化至失效狀態(tài)時，能夠反映設(shè)備健康狀態(tài)的傳感器信號應(yīng)該收斂 至某一個恒定值或一個小區(qū)間內(nèi)，這個恒定值或區(qū)間可以被認為是失效閾值。
[0024] 所述健康與失效狀態(tài)計算，對于每一個傳感器的健康狀態(tài)與失效狀態(tài)計算如下，
⑷
[0026] 其中，Shealth是每個傳感器前幾個數(shù)據(jù)的平均值，Sfallure是每個傳感器末尾幾個數(shù) 據(jù)的平均值，取平均值的原因在于降低噪聲干擾，而失效數(shù)據(jù)取平均個數(shù)小于健康數(shù)據(jù)取 平均個數(shù)的原因是末尾比起始退化趨勢明顯很多，數(shù)據(jù)個數(shù)較多無法反應(yīng)末尾真實失效狀 〇
[0027] 所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移量計算如下，
(5) ㈤
[0030] 其中表示第i個單元第j個傳感器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移量，、表示第j個傳感器的平均狀 態(tài)轉(zhuǎn)移量。此處的平均是按單元平均的；文中所述n個設(shè)備單元是同一種型號的設(shè)備，其上 布置的傳感器個數(shù)、類型均相同，所以所有單元的第j個傳感器所測物理量是相同的，因此 對其進行平均就是對所測得的相同物理量進行平均。
[0031] 所述失效狀態(tài)方差量計算如下，
⑵ (8)
[0034]其中，表示第j個傳感器末尾量的均值，V」表示第j個傳感器的失效狀態(tài)方差量。 [0035]所述一致失效區(qū)間率計算如下， (9)
[0037] 其中，化是第j個傳感器的一致失效區(qū)間率，為了防止分母為零，我們給分母加上 一個值很小的正數(shù)el，一般取值1(T4。
[0038] 所述設(shè)定區(qū)間率閾值并依此進行傳感器選擇，具體實現(xiàn)形式如下，
[0039] SensorSet= {Sensor」| e〇<R」<e} (10)
[0040] 其中，SensorSet是最終要選擇的傳感器信號集合，e是所設(shè)定的區(qū)間率閾值，e〇是 一個很小的正整數(shù)，一般取值1(T 5,目的是將& = 〇的傳感器信號濾掉。
[0041] 所述設(shè)定選擇比例并依此進行傳感器選擇的具體實現(xiàn)為：
[0042] 1)剔除為區(qū)間率(一致失效區(qū)間率也簡稱為"區(qū)間率"）為零的傳感器，將剩余傳感 器按區(qū)間率從小到大排列；
[0043] 2)對所有傳感器的區(qū)間率累加求和，計算各個傳感器區(qū)間率所占比例；
[0044] 3)從區(qū)間率較小的比例開始累加直至比例累加值達到所設(shè)定的值；
[0045] 4)比例累加值所包含的傳感器信號即為所要選擇的傳感器信號。
[0046] 以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的， 而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0047] 參閱圖1，在一種實施例中，一種針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳感器選擇方法，包 括:XX型號發(fā)動機的高壓壓縮機退化模式下的數(shù)據(jù)集描述，某種退化模式下的退化特性分 析，基于退化特性分析的健康與失效狀態(tài)計算、狀態(tài)轉(zhuǎn)移量計算、失效狀態(tài)方差量計算、一 致失效區(qū)間率計算，設(shè)定區(qū)間率閾值或選擇比例，根據(jù)閾值或比例進行傳感器選擇。其中， 所述退化特性分析包括退化模式一致性、初始狀態(tài)不定性、退化整體單調(diào)性、失效狀態(tài)一致 性四個主要特性的分析;所述退化模式一致性為其他三個特性的基礎(chǔ)，也是計算一致失效 區(qū)間率的基礎(chǔ)，所述初始狀態(tài)不定性與失效狀態(tài)一致性是計算健康與失效狀態(tài)的基礎(chǔ)，所 述失效狀態(tài)一致性是計算失效狀態(tài)方差量的基礎(chǔ)，所述退化整體單調(diào)性是計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移量 的基礎(chǔ);其中，所述退化特性是計算各個數(shù)字量的依據(jù)，所述各個數(shù)字量是進行傳感器選擇 的前提。圖1中，橢圓框中的文字為對流程的說明，不屬于流程的組成部分。
[0048] 在優(yōu)選實例中，所給數(shù)據(jù)集包含100個同種故障模式下的設(shè)備單元，每個設(shè)備單元 包含21個傳感器信號，不同的設(shè)備單元擁有不同的壽命長度。所以，在式（1)和（2)中n = 100，m = 21，對于式(3)中的qi，則有單元數(shù)n=100個值。
[0049] 參閱圖2,所示是數(shù)據(jù)集中所有單元21個傳感器信號數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量比較多，無 法清晰展示數(shù)據(jù)，所以只是展示數(shù)據(jù)大體趨勢，圖中線個坐標下面的數(shù)字編號1-21是傳感 器編號。參閱圖3-1、3-2,是數(shù)據(jù)集中典型的兩個傳感器檢測的100個設(shè)備單元的退化信號， 傳感器編號分別為12和14(圖3-1為圖2中傳感器編號12的放大版，同樣圖3-2為圖2中傳感 器編號14的放大版，由于點比較多空間又小，所以顯示有所差異），通過此圖可以較為清晰 地觀察傳感器檢測的退化數(shù)據(jù)的基本特點。其中，12號傳感器比較符合所分析的四個退化 特性：即傳感器在起始點的值不同，散布幅度較大，代表初始狀態(tài)不定;傳感器在末尾點的 值則較為一致，為恒定值或收斂至小區(qū)間內(nèi)，代表失效狀態(tài)一致;整體呈現(xiàn)單向的趨勢，代 表整體單調(diào);不同單元的退化數(shù)據(jù)在形態(tài)上較為相似，代表退化模式一致。而14號傳感器則 不符合失效狀態(tài)一致性的退化特性，即傳感器在末尾點的值是發(fā)散的，不為恒定值或沒有 收斂至小區(qū)間內(nèi)。
[0050]在優(yōu)選實施例中，根據(jù)式(4)、（5)、（6)、（7)、（8)和(9)，可計算出21個傳感器所對 應(yīng)的一致失效區(qū)間率，具體的值如表格1所示。
[0051 ] 參閱圖4，代表了 一致失效區(qū)間率的大小分布，橫軸代表21個傳感器的編號，縱軸 代表計算出的各個傳感器的R值，即一致區(qū)間率?？梢灾庇^看到傳感器的一致失效區(qū)間率分 布，有明顯的大小分布，較易區(qū)分，通常來說，一致失效區(qū)間率越小說明此傳感器與此種退 化模式關(guān)聯(lián)程度越高。
[0052] 表格1傳感器所對應(yīng)的一致失效K間率
[0054] 在優(yōu)選實例中，在計算得到一致失效區(qū)間率后，有兩種方法可以進行傳感器選擇。 如果采用第一種閾值法，假設(shè)設(shè)定閾值為e =0.25，則傳感器選擇結(jié)果如下所示 S_s.orS發(fā)f. 獅rs |喊 < 乾 < 態(tài).! ,
[0055] 1 J '、 U U -^ 2,3^42.1]
[0056] 如果采用第二種方法，假設(shè)設(shè)定比例為5%，則先進行步驟1)和2)，結(jié)果如表格2所 示
[0057] 表格2傳感器排序后所對應(yīng)比例
[0059] 對上述比例從小到大累加可知，到2號時累加比例為4.6 9 %，到17號時為5.7 6 %， 所以傳感器選擇結(jié)果如下所示。
[0060] ^ ^ - (12) -{S0Hs〇fjlj - 1,12^15,20,21]
[0061]以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認 定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型， 而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳感器選擇方法，其特征在于包括如下步驟： 50、 對設(shè)備單元進行退化特性分析； 51、 針對選定的退化模式，針對各單元傳感器，計算健康與失效狀態(tài)； 52、 計算狀態(tài)平均轉(zhuǎn)移量和失效狀態(tài)方差量； 53、 計算一致失效區(qū)間率； 54、 根據(jù)一致失效率區(qū)間進行傳感器選擇。2. 如權(quán)利要求1所述的針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳感器選擇方法，其特征在于:步驟 S4中，進行傳感器選擇的方法是如下方法之一： S4-1、設(shè)定區(qū)間率闊值，根據(jù)闊值進行傳感器選擇； S4-2、選擇區(qū)間率比例，根據(jù)比例進行傳感器選擇。3. 如權(quán)利要求1所述的針對退化數(shù)據(jù)的基于方差的傳感器選擇方法，其特征在于:所述 退化特性分析包括退化模式一致性、初始狀態(tài)不定性、退化整體單調(diào)性、失效狀態(tài)一致性的 分析。4. 如權(quán)利要求3所述的針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法，其特征在于，所述退化模式一 致性具體指布置在相同采集點的傳感器采集到的設(shè)備單元退化信號在形態(tài)上是相似的;所 述初始狀態(tài)不定性具體指設(shè)備在開始運行階段有不同程度的初始磨損和不同內(nèi)部材料應(yīng) 力結(jié)構(gòu)，雖然運些磨損等是未知的，但都被認為是正?；蚪】禒顟B(tài);所述退化整體單調(diào)性具 體指傳感器信號的全局趨勢是存在且單向的;所述失效狀態(tài)一致性具體指當(dāng)設(shè)備單元退化 至失效狀態(tài)時，能夠反映設(shè)備健康狀態(tài)的傳感器信號應(yīng)該收斂至某一個恒定值或一個小區(qū) 間內(nèi)，運個恒定值或區(qū)間可W被認為是失效闊值。5. 如權(quán)利要求1所述的針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法，其特征在于，所述健康與失效 狀態(tài)計算，對于每一個傳感器的健康狀態(tài)與失效狀態(tài)計算如下，其中，奸是指傳感器P的數(shù)捉，Sheal化是巧個巧感器麗n個數(shù)捉的干均值，Sfailure是每個 傳感器末尾幾個數(shù)據(jù)的平均值，取平均值的原因在于降低噪聲干擾，而失效數(shù)據(jù)取平均個 數(shù)小于健康數(shù)據(jù)取平均個數(shù)的原因是末尾比起始退化趨勢明顯很多，數(shù)據(jù)個數(shù)較多無法反 應(yīng)末尾真實失效狀態(tài)。6. 如權(quán)利要求1所述的針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法，其特征在于，所述狀態(tài)平均轉(zhuǎn) 移量計算如下，其中，/?表示第i個單元第j個傳感器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移量，Aj表示第j個傳感器的平均狀態(tài)轉(zhuǎn) 移量。7. 如權(quán)利要求1所述的針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法，其特征在于，所述失效狀態(tài)方 差量計算如下，其中，、表示第j個傳感器末尾量的均值，Vj表示第j個傳感器的失效狀態(tài)方差量。8. 如權(quán)利要求1所述的針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法，其特征在于，所述一致失效區(qū) 間率計算如下，其中，的是第j個傳感器的一致失效區(qū)間率，為了防止分母為零，我們給分母加上一個值 很小的正數(shù)El，一般取值1(T4。9. 如權(quán)利要求2所述的針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法，其特征在于，所述設(shè)定區(qū)間率 闊值并依此進行傳感器選擇，具體實現(xiàn)形式如下， SensorSet= {Sensorj | e〇<Rj<e} 其中，SensorSet是最終要選擇的傳感器信號集合，e是所設(shè)定的區(qū)間率闊值，eO是一個 很小的正整數(shù)，一般取值1(T5,目的是將咕=〇的傳感器信號濾掉。10. 如權(quán)利要求2所述的針對退化數(shù)據(jù)的傳感器選擇方法，其特征在于，所述設(shè)定選擇 比例并依此進行傳感器選擇的具體實現(xiàn)為， 1) 剔除為區(qū)間率為零的傳感器，將剩余傳感器按區(qū)間率從小到大排列； 2) 對所有傳感器的區(qū)間率累加求和，計算各個傳感器區(qū)間率所占比例； 3) 從區(qū)間率較小的比例開始累加直至比例累加值達到所設(shè)定的值； 4) 比例累加值所包含的傳感器信號即為所要選擇的傳感器信號。
【文檔編號】G06F17/50GK105912789SQ201610232071
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】梁斌, 趙澤奇, 但樂, 蘆維寧, 楊春春, 王學(xué)謙
【申請人】清華大學(xué)深圳研究生院