工程系统服役质量指数和性能评价指标体系：文献综述

为了对工程系统的运行和维修实施有效的管理,需要对系统关键性能指标进行定量评价和监控。通常,系统全局性能由一个多层级结构的指标体系所描述。层级结构的底层是一列可直接观测的参数或变量,中间层是合成的指标,顶层是服役质量指数或类似的术语(如健康指数)。为明确服役质量指数和性能评价指标体系的含义和用途,完成一个关于质量指数和指标体系的文献综述,并讨论与之相关的研究课题。研究发现,质量指数是一个或多个用于描述系统健康状态的全局的、综合的性能指标,导出质量指数的方法是多准则分析;指标体系和质量指数的主要用途包括性能评估、监控或监管、问题追踪和运维决策。不同于在线监控和故障诊断,基于质量指数的性能监测与追踪通常是周期地完成的,适合于复杂工程系统的整体性能监控和中长期管理。文中所述评的方法和典型案例对复杂工程系统的监管和运维管理具有借鉴作用和参考价值。     

基于综合赋权法的齿轮箱运行状态评估

为科学合理地评估齿轮箱运行状态,提出一种基于博弈论综合赋权的运行状态评价模型。该模型首先从润滑油各个主要监测指标出发,建立齿轮箱运行状态评估指标体系;然后运用改进的层次分析法和熵权法对评价指标进行主客观赋权,并采用博弈论思想得到最优综合权重;最后构建齿轮箱运行状态模糊综合评判模型。运用该模型对某型装甲车底盘系统齿轮箱运行状态进行评估。结果表明：该模型的计算方法简便,求得的综合权重精确,其评价结果与实际运行情况基本一致,能够为视情维修提供理论依据。     

基于模糊数据融合的控制棒包壳管磨损状态评估

核电站反应堆控制棒组件在服役期间与导向架摩擦造成包壳管外表面磨损,对反应堆的安全运行造成极大隐患,严重时甚至可能引起核安全事故。利用控制棒包壳管超声和涡流检测信息提取信号特征值对其磨损状态进行评估,因单一特征信号反映的控制棒包壳管状态信息存在局限性,采用模糊数据融合方法对超声、涡流检测特征信号进行融合,获得更加全面、准确的包壳管磨损状态。实验结果表明,基于模糊数据融合的包壳管磨损状态评估比单一传感器对包壳管磨损状态评估更为可靠。     

基于综合劣化值的钻井服役柴油机油健康状态评估方法

针对GB/T 7607—2010标准对于钻井服役柴油机油健康状态评估可参考性不强的问题，参照PHM理论中健康状态评估技术建立服役柴油机油健康状态评估的综合劣化值模型；根据对监测数据的统计和实验室经验对综合劣化值与服役柴油机油健康状态对应关系进行分级，按照指标的单调性、相关性、预测性这三项原则选取服役柴油机油健康状态评估指标，给出各类指标数值归一化的方法；基于熵权法确定各项指标的权重，建立服役柴油机油综合劣化值计算公式，计算各样品数据的综合劣化值。通过不同综合劣化值样品的红外图谱中抗氧剂特征峰的比较，验证了方法的可靠性。     

基于DCCA-NSEn的系统耦合网络建模与评估

针对流程工业生产系统监测点多,各监测点间具有相关性的特点,提出了一种基于去趋势交叉分析-网络结构熵(detrended cross-correlation analysis-net structure entropy,简称DCCA-NSEn)的复杂机电系统多变量耦合网络建模与状态评估的方法。该方法利用DCCA算法计算多变量两两之间的相关性,构建反映多变量耦合关系的加权网络模型,对监测序列进行滑移求解,得到系统耦合关系网络动态演化模型。利用NSEn方法分析耦合关系网络的结构熵,根据熵随时间的变化趋势对复杂机电系统的服役演化状态进行评估。笔者选取某压缩机组的真实生产数据进行DCCA-NSEn方法验证,然后用耦合去趋势波动分析(coupling detrended fluctuation analysis,简称CDFA)方法对同一组生产数据进行多变量分析,对两方法的分析结果进行对比。结果表明:与DCCA方法相比,本方法具有多变量同时监测评估的优势;与同样是多变量分析的CDFA方法相比,本方法具有评估效果稳定,对系统的异常状态检测效果更明显的优势。     

基于多参数融合的风机健康状态评估

风电场中风机在运行过程中会产生海量数据,这些数据蕴含着大量风机关键部件的运行状态信息,通过对这些数据进行融合并采用科学比对分析能有效评估风机健康状态,提高风机的运行效率。通过CMS系统获取某双馈机组发电机非驱动端轴承振动数据,结合专家经验对数据进行分析并与理论值进行对比,判定轴承存在外圈故障;通过SCADA系统获得风机的状态数据,对状态数据进行分析获得一种基于SCADA数据的模糊综合判定模型;提出一种将CMS数据与SCADA数据相融合的风机健康状态综合评估方法,为提高风机健康评估准确性提供有效参考。     

矿渣粉磨健康状态识别模型及系统设计

提出一种基于数据挖掘的装备健康状态识别模型,实现对矿渣粉磨系统的运行健康预测。首先,利用一种多算法综合的特征筛选方法对工况数据进行挖掘分析,确定影响设备运行健康状态的评估指标参数;其次,以健康运行状态评估指标为对象,开展系统运行工况状态聚类挖掘,分析历史样本运行数据中的健康工况模式分布,以此为依据定义工况的运行状态类别,建立健康工况模式库;然后,将实时运行数据与健康工况模式库比对,利用自回归积分滑动平均算法(auto-regressive integrated moving average,简称ARIMA)训练预测评估模型,对健康评估指标参数的变化趋势进行预测,获取系统健康状态评估结果;最后,基于上述模型开发了矿渣粉磨健康状态识别系统软件,并应用于某生产现场,验证了该模型及系统的有效性和实用性。     

多方法融合辅助产品创新资源挖掘与分析

针对现有产品设计过程中可用资源对创新设计方案支撑不充分问题,提出一种多方法融合辅助产品创新资源挖掘与分析方法。首先,从产品功能角度确定系统问题,提出基于因果分析的直接可用资源挖掘过程。其次,基于根原因的功能转化,提出基于效应和效应链的扩展可用资源挖掘过程。最后,面向创新设计方案构建将上述过程集成,形成多方法融合辅助产品创新资源挖掘与分析过程模型,并以清分扎把机为例,验证了该过程模型的有效性。     

基于多变量的往复压缩机支撑环可靠性评估研究

支撑环是往复压缩机的关键部件及主要易损件,其可靠性必然会影响整个设备的稳定性和利用率。为了有效的识别支撑环的磨损状态,减少维修的不确定性,保证其长周期安全运行,提出一种基于多维信息的支撑环多变量可靠性评估方法。采用距离评估技术优选支撑环运行状态的敏感特征指标,构造多重协变量函数,结合历史更换记录和运行状态信息,建立支撑环比例协变量可靠性评估模型。利用该模型对某石化企业往复压缩机支撑环磨损监测数据进行评估,通过特征优选构造支撑环多重响应协变量函数,将重要运行状态信息引入到可靠性分析当中,准确地实现对支撑环的可靠性评估。     

考虑多失效模式的复杂系统运行可靠性评估

为准确评估复杂系统的运行可靠性,针对复杂系统的失效规律和特点,提出考虑多失效模式的运行可靠性评估方法。采用贝叶斯线性模型融合状态监测信息,评估退化水平,建立基于Gamma随机过程的退化失效可靠性评估模型;针对突发失效样本量小的特点,采用贝叶斯方法,建立基于Weibull分布的突发失效可靠性评估模型。以退化失效可靠性评估和突发失效可靠性评估为基础,应用贝叶斯模型平均技术建立复杂系统的运行可靠性评估模型,定量分析退化失效和突发失效对复杂系统运行可靠性的影响,并采用马尔科夫链-蒙特卡洛方法求解模型。以某型航空发动机为例,说明了该方法的应用过程,验证了该方法的有效性。     

基于贝叶斯网络的复杂产品设计过程知识挖掘方法

为了综合分析复杂产品开发过程中影响决策的各种设计元素之间的因果关系,提出一种产品开发过程因果知识模型PDCKM,通过网络结构表达出设计变量及变量间的因果关联,用条件概率对变量因果关系强度进行定量描述。通过融合设计人员先验知识和已有产品设计数据,进行模型拓扑结构和参数学习,实现复杂产品设计过程中隐性因果关系挖掘。     

基于多传感器信息融合和多粒度级联森林模型的液压泵健康状态评估

液压泵健康状态评估对工程设备的运行状态监测有极其重要的意义,现有基于振动信号分析的方法数据来源单一、可靠性低,为此,提出了一种基于多传感器信息融合和多粒度级联森林模型的液压泵健康状态评估方法。通过试验系统采集了不同工作时间下液压泵的压力、温度、流量等信号,分别提取信号的时域特征组成初步特征。使用多个分类器获取初步特征的类别概率向量,将其与随机森林模型选出来的重要特征进行拼接形成最终特征,并使用多粒度级联森林模型进行健康状态评估。试验结果表明,所提方法在仅有5%训练比例的情况下分类精确率仍可达99.5%,可以有效提高液压泵健康状态评估的准确度。     

继电保护装置运行状态量化评估方法研究

针对电力系统中继电保护装置等二次设备的运行状态难以开展量化评估等问题,在构建继电保护装置状态评价参量模型的基础上,利用劣化度计算模型和权重计算模型对状态参量运行信息进行评价和计算,形成一种继电保护装置状态量化评估方法。实例证明,应用该方法得到的量化评估结果可以良好地反映继电保护装置当前的运行工况以及运行状态的变化规律,可以为继电保护装置的状态检修、风险量化评估等工作提供数据支撑。     

飞机装配工艺装备保障状态的多层次综合评价方法

设备保障状态是对设备运行的当前状态及其对装配任务影响程度的综合反映,完成设备保障状态的综合评估,将为制定有效的保障措施并为保障装配任务的顺利进行提供重要的参考依据。参照行业标准与装配制造信息化应用现状,建立基于分类特征文本的故障分类与判别准则,完成装配工艺装备的信息划分与数据组织,进而形成统计分析样本数据。建立保障状态的综合评价指标体系,利用有效的树立统计分析方法完成关键指标的量化评价。建立综合评价模型,完成局部指标的信息综合,实现设备保障状态的整体量化评定。对连续分布的量化指标数据进行分类分析与判别分析,完成统计结果的分类整合与聚集,实现高层次的信息组织与语义解读。实验结果表明,利用该方法可获取丰富的多层次评估结果,并为开展后续的工程分析提供良好的信息支持。     

基于失效率的双重劣化系统订购替换策略

随着中国制造2025战略的逐步实施,对于产品的安全服役和有效感知变得越来越重要,特别是对于一些高端装备关键系统的劣化失效状态预测和系统备件的有效订购替换是保障安全运行、提升服务质量、降低维修成本的关键。为此,分析了双重劣化系统的特点,提出了一种基于失效率阈值的系统订购替换策略模型,该系统的劣化机理由内部老化和随机退化共同刻画。所提出的策略是当失效率达到某个阈值并且有可用的替换备件时,替换的动作才会触发,该策略采用失效率阈值作为决策变量。基于提出的订购替换策略和可用度阈值约束,存在一个唯一的使期望费用率最小化的最优失效率阈值。最后,用实例验证了所提订购替换策略的有效性,并对关键参数进行了灵敏度分析。     

机车关键系统全寿命周期评估研究

通过对机车关键系统车运用及检修数据的梳理分析以及对长期服役机车整车和主要系统部件的运用分析研究,评估机车关键系统的实际服役状态,统筹策划结合不同里程高级修时对关键部件进行试验研究或长期跟踪测试,掌握部件的长期服役性能随时间、里程增加的变化规律,依次为理论依据优化修程修制。     

基于变权重主元分析的航天电源系统诊断方法研究

针对航天器电源系统部件耦合性强且工作状态变化引起系统故障诊断准确度低的问题,提出采用一种将变量权重与主元分析相结合的变权重分层主元分析方法(VW-HPCA)用于航天电源系统的故障诊断。变权重分层主元分析方法,采用"全局+多分块"分层主元分析结构,融合基于系统故障传播知识的权重分配矩阵,其中,全局主元模型用于辨识电源系统不同的工作状态,实现工作状态的聚类;分块主元模型则用于对不同工作状态下的故障进行快速诊断。该方法的优点在于融合了系统故障传播方向的知识,利用权重分配将强耦合的变量进行"解耦",从而降低"污染效应",避免了在变量强耦合系统中,非故障相关变量被判断为故障变量,导致故障辨识的准确度降低的问题。基于航天器电源系统综合模拟平台,分别在不同工作状态下,基于阶跃、缓变以及随机类型的不同故障条件,对方法的有效性进行了验证,结果表明,变权重分层主元分析方法可以有效提高主元分析方法在航天器电源系统中的诊断准确率。     

基于马氏距离与组距估计的复杂系统健康评估

为充分了解复杂系统在工作过程中的健康状态,保证系统安全的运行,依据健康监测参数对系统进行实时健康评估是非常必要的。针对系统健康状态的综合评估问题,提出一种基于距离度量来构建系统健康指数的复杂系统健康评估方法。通过监测多个性能参数的时间序列,利用距离度量来降维,转化为单一的数据来评判系统的健康状态;然后,为了更好地去除时间序列中的扰动,对数据的分布进行研究,以马氏距离与直方图法相结合的办法构建出系统健康指数;最后通过NASA提供的PHM08数据,对所给出的航空发动机的主要监测数据进行健康评估,其结果表明该方法能对复杂系统进行有效的综合健康评估。     

基于磨损间隙下碰撞能耗模型的发动机曲轴服役-再制造状态分析方法

由于机电产品服役环境中存在各类负载,增加了其关键零部件(如曲轴)的状态不确定性,极大阻碍了机电产品定期维护及其关键零部件(如曲轴)的服役维护及末端再制造。针对这一问题,基于曲轴连杆部件的动力学分析,构建磨损间隙下曲轴连杆部件碰撞能量消耗模型。同时结合在线监测技术,基于台架实验获取发动机服役状态监测数据,并利用小波包分析方法提取相关监测特征参数,分析其与碰撞运动能量消耗之间的映射关系,提出了磨损间隙下曲轴连杆状态监测特征参数的演化规律模型。该能量消耗模型及特征参数可用于发动机曲轴服役状态监测及失效预测过程,为发动机维护及再制造提供技术支撑。     

基于因果模型的耗能机电产品性能匹配方法研究

针对耗能机电产品性能匹配问题,提出基于因果模型的性能匹配方法。能量是机电产品性能实现的关键因素,通过构建设计变量、能量和性能之间的三层因果模型,计算设计变量对性能的影响程度,通过对影响程度性能高的设计变量匹配优化实现产品性能优化。最后采用家用电冰箱性能匹配设计的案例论证了基于因果模型的耗能产品性能设计方法的有效性。