基于狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)品壽命預(yù)測與預(yù)測維護(hù)規(guī)劃方法研究.pdf

1、基于狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)是近來逐漸興起的研究課題，具有重要實(shí)用意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以基于狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)為背景，本文結(jié)合理論研究、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)研究，開展目前報(bào)道較少，但決定維護(hù)策略有效性的預(yù)測(prognostics)技術(shù)主要方法的研究。
　　 首先，本文開展兩類壽命預(yù)測方法的研究。
　　 以“基于相似性的壽命預(yù)測方法”為主題，開展兩項(xiàng)研究:1）提出一個(gè)泛化的相似性測度，據(jù)此相似性測度，衡量在役設(shè)備與參照設(shè)備間的相似性時(shí)，在役設(shè)備

2、當(dāng)前的狀態(tài)監(jiān)測變量較其過往的狀態(tài)監(jiān)測變量，權(quán)重更高;2）提出一個(gè)同時(shí)利用失效與非失效歷史樣本的基于相似性的剩余壽命預(yù)測框架，在此框架內(nèi)提出兩種估計(jì)未失效歷史樣本壽命，進(jìn)而利用其衰退過程信息的方案（記作方案A與方案B）。一項(xiàng)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)與一個(gè)基于SMT無鉛焊點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的案例研究表明，采用泛化的相似性測度的基于相似性的壽命預(yù)測方法能給出統(tǒng)計(jì)意義上更精確的剩余壽命預(yù)測。一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在存在有限失效歷史樣本與存在大量失效歷史樣

3、本的情況下，基于方案A的框架始終優(yōu)于對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)方法。此外，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示基于方案B的框架在失效歷史樣本有限情況下并不有效，但隨著可獲得的失效歷史樣本增多其表現(xiàn)迅速提升。
　　 以“基于比例風(fēng)險(xiǎn)模型的設(shè)備壽命預(yù)測”為主題，開展兩項(xiàng)研究:1）針對(duì)許多設(shè)備衰退過程可分為穩(wěn)態(tài)區(qū)間和非穩(wěn)態(tài)區(qū)間的事實(shí)，提出二區(qū)間比例風(fēng)險(xiǎn)模型;2）針對(duì)經(jīng)典比例風(fēng)險(xiǎn)模型只適用于不可修系統(tǒng)的事實(shí)，提出拓展比例風(fēng)險(xiǎn)模型，用于接受“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)的可修系統(tǒng)的壽

4、命預(yù)測。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:1）對(duì)于衰退過程可分為穩(wěn)態(tài)區(qū)間和非穩(wěn)態(tài)區(qū)間的系統(tǒng)，在接近系統(tǒng)失效時(shí)，二區(qū)間比例風(fēng)險(xiǎn)模型相對(duì)于傳統(tǒng)比例風(fēng)險(xiǎn)模型，可給出統(tǒng)計(jì)意義上更精確、更可靠的剩余壽命預(yù)測;2)對(duì)于接受“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)的可修系統(tǒng)，在系統(tǒng)接受預(yù)防維護(hù)后并接近失效時(shí)，拓展比例風(fēng)險(xiǎn)模型相對(duì)于傳統(tǒng)比例風(fēng)險(xiǎn)模型，可給出統(tǒng)計(jì)意義上更精確、更可靠的剩余壽命預(yù)測。
　　 其次，本文開展三項(xiàng)設(shè)備預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的研究。
　　 相對(duì)于傳統(tǒng)

5、的“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)規(guī)劃模型，提出一個(gè)考慮“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)的單部件系統(tǒng)預(yù)測維護(hù)(USPdM)規(guī)劃模型，對(duì)接受連續(xù)監(jiān)測的系統(tǒng)在線地計(jì)算、更新最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時(shí)序?；阢@頭磨損實(shí)驗(yàn)的案例研究表明，1）USPdM模型所建議的預(yù)防維護(hù)時(shí)序與系統(tǒng)的狀態(tài)變化情況相一致;2）USPdM模型能迅速反應(yīng)系統(tǒng)的快速衰退，并給出預(yù)防維護(hù)時(shí)序。
　　 實(shí)際中，將嚴(yán)重衰退的系統(tǒng)修復(fù)至一理想狀態(tài)往往比將輕微衰退的系統(tǒng)修復(fù)至同樣狀態(tài)花費(fèi)更多的時(shí)間?；谶@樣

6、的事實(shí)，提出一個(gè)考慮“衰退程度相關(guān)維修性”的單部件系統(tǒng)預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型。該模型中，預(yù)防維護(hù)的維修性與預(yù)防維護(hù)前系統(tǒng)所累積的衰退程度相關(guān)，并以新近提出的比例維護(hù)模型進(jìn)行建模。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于一批預(yù)防維護(hù)維修性與系統(tǒng)累積衰退相關(guān)的系統(tǒng)，忽視這一效應(yīng)將導(dǎo)致次優(yōu)的預(yù)防維護(hù)時(shí)序。此外，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明考慮“衰退程度相關(guān)”維護(hù)性的預(yù)測維護(hù)策略對(duì)于相應(yīng)的預(yù)防維護(hù)策略的優(yōu)勢(shì)。
　　 提出一個(gè)預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的模塊化結(jié)構(gòu)。基于這種模

7、塊化得處理方式，將傳統(tǒng)的預(yù)防/基于狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)規(guī)劃模型與基于部件在線衰退指標(biāo)估計(jì)的失效概率相結(jié)合便可得到相應(yīng)的預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型，而兩者均已有大量研究成果?；陬A(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的模塊化結(jié)構(gòu)，給出了一個(gè)多部件串聯(lián)系統(tǒng)的預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型。而后，開展了一仿真實(shí)驗(yàn)比較預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時(shí)序與對(duì)應(yīng)的預(yù)防維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時(shí)序的表現(xiàn)，并探究兩模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時(shí)序的不同特性。算例的結(jié)果表明預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型中的最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時(shí)序能更

8、有效地節(jié)省維護(hù)費(fèi)用并減少部件失效。算例的結(jié)果也突出了預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時(shí)序針對(duì)個(gè)體、動(dòng)態(tài)更新的特點(diǎn)，這與預(yù)防維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時(shí)序適用全體、靜態(tài)不變的特點(diǎn)不同。
　　 而后，本文研究壽命預(yù)測方法與維護(hù)規(guī)劃模型的結(jié)合方案，兩者的結(jié)合方案文獻(xiàn)中未見報(bào)道。
　　 提出“統(tǒng)計(jì)規(guī)劃與個(gè)體提升(SPⅡ)”維護(hù)策略。SPⅡ維護(hù)策略同時(shí)汲取了1）傳統(tǒng)的預(yù)防維護(hù)策略能進(jìn)行長期規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)，和2）壽命預(yù)測方法能提升個(gè)體表現(xiàn)

9、的優(yōu)點(diǎn)。SPⅡ維護(hù)策略通過對(duì)一部分系統(tǒng)（而非全部系統(tǒng)）合理地使用預(yù)測維護(hù)技術(shù)（如:壽命預(yù)測方法），可以期望高于傳統(tǒng)預(yù)防維護(hù)策略的表現(xiàn)。而后者能首先提供一個(gè)基準(zhǔn)表現(xiàn)以在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行或生產(chǎn)前實(shí)施長期規(guī)劃。
　　 提出一個(gè)結(jié)合壽命預(yù)測方法與預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的維護(hù)框架。在該預(yù)測維護(hù)框架中，只有在壽命預(yù)測方法顯示系統(tǒng)已接近失效時(shí)才開始進(jìn)行維護(hù)規(guī)劃。提出一個(gè)壽命裕度參數(shù)以保證絕大多數(shù)系統(tǒng)在維護(hù)規(guī)劃開始前不失效?；诘湫碗S機(jī)衰退信號(hào)模型的仿真

10、實(shí)驗(yàn)演示了該維護(hù)框架的執(zhí)行流程。在仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)系統(tǒng)衰退過程噪聲水平較低時(shí)，與傳統(tǒng)的從系統(tǒng)開始運(yùn)行便開始維護(hù)規(guī)劃的預(yù)測維護(hù)框架相比，提出的維護(hù)框架在預(yù)防系統(tǒng)失效方面與前者表現(xiàn)非常相似，同時(shí)又能減少預(yù)防維護(hù)的次數(shù)，因而更具經(jīng)濟(jì)性。
　　 最后，本文開展兩項(xiàng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用案例研究。
　　 基于BGA封裝在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境中的實(shí)測狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)與事件數(shù)據(jù)，介紹了從衰退過程分析至確定預(yù)防維護(hù)時(shí)間的全過程，定量地比較了一個(gè)引入狀態(tài)監(jiān)

11、測技術(shù)的預(yù)防替換策略、一個(gè)傳統(tǒng)的基于BGA封裝全壽命周期長度分布的預(yù)防替換策略，以及一個(gè)預(yù)測維護(hù)策略。在此基礎(chǔ)上，分析了狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)帶來維護(hù)性能提升的原因。分析結(jié)果顯示，維護(hù)策略的表現(xiàn)與確定預(yù)防維護(hù)時(shí)間時(shí)對(duì)產(chǎn)品壽命預(yù)測的精確與可靠程度存在關(guān)聯(lián)。由于基于狀態(tài)變量的衰退模型給出了最精確、可靠的BGA封裝的壽命預(yù)測，預(yù)測維護(hù)策略的維護(hù)表現(xiàn)最優(yōu)。
　　 提出一種基于分布式遙測量的衛(wèi)星有效載荷在軌可靠性預(yù)計(jì)方案（包含了電路篩選，遙測量分類