專利名稱：一種基于故障特性分析的監(jiān)測參數(shù)選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及面向預(yù)測與健康管理的可測性工程領(lǐng)域的監(jiān)測參數(shù)選擇方法，尤其是一種考慮故障傳播特性和故障演化特性的監(jiān)測參數(shù)選擇方法。
背景技術(shù)：
預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)利用盡可能少的傳感器采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助各種智能推理算法(如物理模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等)診斷、預(yù)測故障，評估系統(tǒng)健康狀態(tài)，并結(jié)合各種可用資源和約束條件觸發(fā)最佳維修決策。PHM對于提高系統(tǒng)安全性、可靠性、維修性和經(jīng)濟可承受性，降低全壽命周期費用，實現(xiàn)自主維修、預(yù)知維修具有重要意義。顯然，信息感知與測試是實現(xiàn)PHM的前提和基礎(chǔ)，應(yīng)用和研究也表明PHM能力一方面依賴于信息的處理與決策，另ー方面更依賴于信息的獲取，信息感知與測試是否全面、準確直接影響PHM性能。另ー方面，傳統(tǒng)的系統(tǒng)研制后附加測試與監(jiān)控手段的方式日益受限，近年來，基于并行思想的可測性技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注?？蓽y性(Testability)也稱測試性，是指“產(chǎn)品能及時準確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并有效地隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性”。因此，在系統(tǒng)設(shè)計階段確定合適的監(jiān)測參數(shù)，進而并行開展可測性設(shè)計(傳感器選擇、布局和優(yōu)化)被認為是提高PHM能力的根本途徑。復(fù)雜裝備監(jiān)測參數(shù)眾多，出于經(jīng)濟性和可行性考慮，不可能也不必要對所有監(jiān)測參數(shù)進行測試。監(jiān)測參數(shù)過多，導(dǎo)致測試成本高、信息冗余度大、背景噪聲強；監(jiān)測參數(shù)過少，不能有效表征故障征兆，跟蹤故障演化，導(dǎo)致狀態(tài)信息缺乏。此外，在裝備設(shè)計階段，監(jiān)測參數(shù)的選擇會影響測試資源的配置，最終影響可測性并行設(shè)計。目前，監(jiān)測參數(shù)選擇方法主要有模型法、機理法和準則法等。I)模型法通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，根據(jù)系統(tǒng)的可觀和可控性要求通過優(yōu)化算法(反向蟻群算法)確定最優(yōu)監(jiān)測參數(shù)(Ma Haiping et al,《Oppositional ant colonyoptimization algorithm and its application to fault monitoring)) Proceedings oithe 29th Chinese Control Conference, Beijing, China,2010 :3895-3898) 2)機理法基于故障模式、機理和影響分析(Failure Modes, Mechanisms andEffects Analysis, FMMEA)，計算分析風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(Risk Priority Number, RPN)高的故障模式，再根據(jù)故障模式機理、征兆和監(jiān)測參數(shù)之間的映射關(guān)系確定監(jiān)測參數(shù)(SachinKumar et a I, ((Parameter selection for health monitoring of electronic products))Microelectronics Reliability,2010,50(2) :161-168)。3)準則法通過領(lǐng)域?qū)＜掖_定監(jiān)測參數(shù)選擇準則，再根據(jù)準則對待選參數(shù)進行評價，最后根據(jù)給定的取舍閾值確定系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)(楊雪等，《基于AHP的液體火箭發(fā)動機地面試驗監(jiān)測參數(shù)的選取方法研究》，航空動力學(xué)報，2006，21 (3) =615-620)?；谙到y(tǒng)模型的方法需要較為詳細的系統(tǒng)知識，而在裝備設(shè)計階段很難獲取較為詳細的系統(tǒng)知識。機理法中RPN的計算僅考慮了故障的發(fā)生概率和嚴酷度，沒有考慮故障的傳播性；而在確定監(jiān)測參數(shù)時，沒有綜合分析故障機理、故障模型與故障征兆和監(jiān)測參數(shù)之間的映射關(guān)系，更沒有考慮測試資源對監(jiān)測參數(shù)選擇的影響。準則法僅從數(shù)學(xué)理論上保證結(jié)果的最優(yōu)性，沒有對故障模式發(fā)生的機理、模型等物理因素進行分析，不適用于工程實際。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種面向PHM的監(jiān)測參數(shù)確定方法，使最終得到的監(jiān)測參數(shù)不僅考慮到產(chǎn)品故障的演化特性，同時也考慮了產(chǎn)品故障的傳播特性。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明主要采取以下措施(I)根據(jù)系統(tǒng)故障屬性(嚴酷度、故障率、傳播強度)確定 待分析故障模式集；(2)針對待分析故障模式集，進行擴展故障模式、機理和影響分析(Failure Modes, Mechanisms and Effects Analysis, FMMEA) ； (3)根據(jù)擴展FMMEA結(jié)果確定系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)集。第一步考慮了系統(tǒng)故障的傳播性，而第二步考慮了系統(tǒng)故障的演化性，因此所確定系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)集更符合工程實際。具體技術(shù)方案如下第I步，確定系統(tǒng)待分析故障模式集Faly。I. I根據(jù)裝備全壽命周期任務(wù)剖面和功能分析確定系統(tǒng)所有可能故障模式集合
Fall°I. 2從集合Fall中選擇ー個故障模式進行分析，首先判定も是否為關(guān)鍵故障，若是，直接存入Faly ;否則，轉(zhuǎn)入1.3。I. 3繼續(xù)判定も是否為高故障率故障，若是，直接存入Faly ;否則，轉(zhuǎn)入I. 4。I. 4計算故障的傳播強度，若故障傳播強度值大于系統(tǒng)規(guī)定閾值，把故障も直接存入Faly ;否則，選擇下ー個故障らj幸i，重復(fù)步驟I. 2-1. 4直到Fall為空集。故障傳播強度的系統(tǒng)規(guī)定閾值根據(jù)具體対象，由系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＜掖_定。故障傳播強度計算方法如下I)基于有向圖建立系統(tǒng)故障傳播模型,其中有向圖的節(jié)點表不故障模式,故障模式基本屬性有故障模式發(fā)生先驗概率F_Pix)b ;故障模式處于某種狀態(tài)的可信程度F_Belief ，故障模式狀態(tài)用模糊集合{正常，輕微，一般，嚴重，致命}表示。有向邊表示故障傳播關(guān)系，有向邊基本屬性有故障傳播概率E_Prob，表示有向邊前置節(jié)點故障引發(fā)后置節(jié)點故障的可能性；有向邊置信度E_Belief，表示如果有向邊的前置節(jié)點處于非正常狀態(tài)情況下，引發(fā)后置節(jié)點狀態(tài)變化的可信程度。設(shè)有向邊ep為節(jié)點Vi的前置有向邊,有向邊e,為Vi的后置有向邊,則有
fF — Beliefiyi) = E — Belief(e )xF_Probivi)<(I)
[E — Beliefieq ) = F_ Belief (vt) x ￡ _ Prob(eq)定義I從節(jié)點Vi到Vj存在有向邊ek，若F_Belief (Vj)不小于故障分析中設(shè)定的閾值(閾值與路徑長度相關(guān))，則認為節(jié)點Vi的故障可以通過有向邊ek傳播到節(jié)點2)計算故障模式的單步傳播強度，設(shè)某節(jié)點Vi表示故障も,故障經(jīng)過N步傳播后終止。在第k步傳播過程中，設(shè)Flrl表示第k-1步傳播將傳播到的故障節(jié)點個數(shù) ’輕示Fk^1中在第k步傳播過程中，第j個節(jié)點處對應(yīng)的故障傳播路線的條數(shù)，の/表示Flri中在第k步傳播過程中，第j個節(jié)點的第I條路線被選擇的可能性，用O和I表示，當(dāng)故障可以通過該路線傳播時，の/=1，否則，の/=O。則故障も的第k步傳播強度為
權(quán)利要求
1. 一種基于故障特性分析的監(jiān)測參數(shù)選擇方法，其特征在于，具體技術(shù)方案如下第I步，確定系統(tǒng)待分析故障模式集/;1. 1根據(jù)裝備全壽命周期任務(wù)剖面和功能分析確定系統(tǒng)所有可能故障模式集合/;1. 2從集合/^中選擇ー個故障模式進行分析，首先判定/；.是否為關(guān)鍵故障，若是，直 接存入/^,;否則，轉(zhuǎn)入1.3 ;1. 3繼續(xù)判定/;.是否為高故障率故障，若是，直接存入/;否則，轉(zhuǎn)入I. 4 ；1.4計算故障/；.的傳播強度，若故障傳播強度值大于系統(tǒng)規(guī)定閾值，把故障/；.直接存 KFaly ;否則，選擇下ー個故障j幸ム重復(fù)步驟I. 2-1. 4直到/^7為空集；第2步,針對待分析故障模式集/7進行擴展故障模式、機理和影響分析(Failure Modes, Mechanisms and Effects Analysis, FMMEA),擴展FMMEA具體分析過程為從待分 析故障模式集/中選擇ー個故障模式進行分析，首先分析其故障機理、故障模型、故障原 因和故障影響，其中故障機理分析是基礎(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，綜合分析故障征兆；最后，分析故 障征兆與監(jiān)測參數(shù)間的映射關(guān)系；還要分析測試資源可用性對監(jiān)測參數(shù)的影響；第3步，根據(jù)擴展故障模式、機理和影響分析結(jié)果確定系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)集；根據(jù)故障征兆與監(jiān)測參數(shù)間的映射關(guān)系和測試資源可用性對監(jiān)測參數(shù)的影響確定合 理的監(jiān)測參數(shù)集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于故障特性分析的監(jiān)測參數(shù)選擇方法，其特征在干， 故障傳播強度的系統(tǒng)規(guī)定閾值根據(jù)具體對象，由系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＜掖_定。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于故障特性分析的監(jiān)測參數(shù)選擇方法，其特征在干， 故障傳播強度計算方法如下1)基于有向圖建立系統(tǒng)故障傳播模型，其中有向圖的節(jié)點表示故障模式，故障模式基 本屬性有故障模式發(fā)生先驗概率/^;故障模式處于某種狀態(tài)的可信程度/^故 障模式狀態(tài)用模糊集合表不；有向邊表不故障傳播關(guān)系，有向邊基本屬性有故障傳播概率 萬_/￥ぬ，表示有向邊前置節(jié)點故障引發(fā)后置節(jié)點故障的可能性；有向邊置信度表示如果有向邊的前置節(jié)點處于非正常狀態(tài)情況下，引發(fā)后置節(jié)點狀態(tài)變化的可信程度；設(shè)有向邊為節(jié)點Vj的前置有向邊,有向邊為Vj的后置有向邊,則有
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于故障特性分析的監(jiān)測參數(shù)選擇方法。本發(fā)明主要采取以下措施(1)根據(jù)系統(tǒng)故障屬性(嚴酷度、故障率、傳播強度)確定待分析故障模式集；(2)針對待分析故障模式集，進行擴展故障模式、機理和影響分析(Failure Modes，Mechanisms and Effects Analysis，F(xiàn)MMEA)；(3)根據(jù)擴展FMMEA結(jié)果確定系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)集。在已有監(jiān)測參數(shù)確定方法的基礎(chǔ)上，考慮了系統(tǒng)故障傳播特性和故障演化特性，使得最終得到的監(jiān)測參數(shù)更具工程實用性。
文檔編號G05B23/02GK102662389SQ20121007553
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者劉冠軍, 呂克洪, 張勇, 徐玉國, 楊述明, 楊鵬, 沈親沐, 王剛, 王超, 譚曉棟, 趙晨旭, 鄧冠前, 邱靜, 陳希祥 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)