基于数据驱动的故障预测模型框架研究
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《基于数据驱动的锂离子动力电池组RUL预测研究》篇一一、引言随着电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的快速发展,锂离子动力电池组已成为其关键部件。
然而,电池的可靠性和寿命是限制电动汽车广泛应用和发展的主要因素之一。
因此,准确预测锂离子动力电池组的剩余使用寿命(RUL)对于电池管理系统的优化和电动汽车的维护具有重大意义。
本文基于数据驱动的方法,对锂离子动力电池组的RUL预测进行研究。
二、锂离子动力电池组及其性能指标锂离子动力电池组以其高能量密度、长寿命、环保等优点在电动汽车中得到广泛应用。
其性能主要受到容量衰减、内阻变化和温度变化等因素的影响。
电池的RUL是评估其剩余寿命的重要指标,而预测其RUL有助于合理安排电池的维护和更换。
三、数据驱动的RUL预测方法1. 数据采集与预处理为了对锂离子动力电池组的RUL进行准确预测,我们首先需要对电池进行充放电循环实验,收集包括电池电压、电流、温度、容量等在内的多维度数据。
对数据进行清洗和预处理,消除噪声和异常值的影响。
2. 特征提取与选择通过数据分析技术,提取出影响电池RUL的关键特征,如电池的充放电循环次数、电压、内阻等。
选择合适的特征对RUL预测具有重要意义。
3. 模型构建与训练基于提取的特征,我们构建了基于机器学习的RUL预测模型。
模型采用深度学习的方法,如循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)等,以处理具有时间序列特性的电池数据。
通过大量实验数据对模型进行训练和优化。
四、实验与分析1. 实验设计为了验证基于数据驱动的RUL预测方法的有效性,我们设计了多组对比实验。
实验中,我们将不同方法(如传统预测方法、机器学习方法等)与我们的方法进行比较。
2. 结果分析通过实验结果的分析,我们发现基于数据驱动的RUL预测方法在锂离子动力电池组中具有较高的预测精度和可靠性。
我们的方法能够准确捕捉电池性能的变化趋势,有效预测电池的RUL。
同时,我们还发现深度学习模型在处理具有时间序列特性的电池数据时具有较好的性能。
基于统计过程控制(SPC)的故障预测技术统计过程控制(StatisticalPI’OCes8Control,SPC)是一种有效的数据统计方法,将SPC理论和计算机技术相结合,对机械制造、产品加工等生产过程的产品进行质量管理,以改进生产技术,提高产品质量,具有对生产过程预防和监控的能力。
统计过程控制技术运用休哈特(W.A.Shewhart)的过程控制理论即控制图来判断设备是否处于稳定可靠状态,根据控制图上的特征值点分布状况,分析对象系统特性的趋势,并采取预防措施确保对象系统特性始终处于统计控制状态,从而达到改进与保证质量的目的。
属于基于数据的故障预测中的一种。
预置损伤标尺方法又称为“基于保险和预警装置的方法”,是通过在实际产品中增加保险或预警装置来提供故障的早期预警。
性能状态检测方法又称为“基于故障预兆监控与推理的方法”、“数据驱动方法”,是利用可以测量的产品性能或者状态变量的变化趋势、故障征兆等进行故障的预测。
环境应力检测方法又称为“基于失效物理模型的方法”,是基于产品的失效物理模型,对产品的环境应力和工作应力进行监测和累计损伤计算,进而推断出产品的剩余寿命。
2.3.1 基于失效寿命数据的故障预测失效寿命数据包括失效时间、无故障数据和截尾数据。
根据失效寿命数据的分类,KM 估计对三类数据的处理过程如下:①观测到故障的失效寿命数据,在故障发生前可靠度为1,在故障发生后可靠度为0。
其表达式为:②未观测到故障的样本数据,可靠度估计恒为1,即r( t) = 1。
③截尾数据。
在截尾之前可靠度为1,截尾后采用KM 估计。
其表达式为:2.3.3 基于多输出支持向量机( SVM) 的故障预测构造的多输出SVM 故障预测模型如图 4 所示。
故障预测模型的输入为样本的性能退化数据序列( 每个样本序列均以时间先后为序排列) ,输出为对应样本的可靠度。
故障预测模型的工作原理就是,通过训练多输出SVM 来拟合性能退化数据和可靠度间的非线性关系,用训练好的SVM 预测组件将来时刻的可靠度。
电气设备故障诊断与预测维护技术研究摘要: 本文旨在介绍电气设备健康状态监测与评估的重要性和方法。
首先,我们概述了预测维护的三种常见方法:基于历史数据的预测模型、基于物联网的远程监测与预测以及基于数据驱动的预测维护。
然后,详细探讨了电气设备健康状态监测与评估的内容,包括实时监测、数据分析、健康评估和提前维护。
最后,强调了这些方法对于提高电气设备可靠性、降低故障风险和延长设备寿命的重要性。
关键词:电气设备;故障诊断技术;预测维护技术引言:电气设备在现代社会中扮演着至关重要的角色,它们用于各个领域的能源供应、工业生产和日常生活。
然而,由于长时间运行、恶劣环境和不可预测的因素,电气设备可能出现故障和损坏,给人们的生产和安全带来严重影响。
因此,了解设备的健康状况、预测潜在故障以及采取适当的维护措施变得至关重要。
一、电气设备故障诊断技术1.1故障诊断方法概述故障诊断是电气设备维护和运行过程中的重要任务,旨在及时发现和准确判断设备故障,并采取相应的修复措施。
本部分将概述三种常见的故障诊断方法:(1)基于传统测量技术的故障诊断:这种方法依赖于传感器和测量仪器获取设备的物理参数数据,如电流、电压、温度等。
通过对这些数据进行实时监测和分析,可以检测异常信号并判断设备是否存在故障。
例如,当电流超出正常范围、电压波动较大或温度升高时,可能表明存在电气设备的故障。
(2)基于信号处理的故障诊断:这种方法将信号处理技术应用于故障诊断,通过对设备信号的采集、滤波、频谱分析等处理,提取出故障特征信息。
例如,对电气设备信号进行频谱分析,可以识别出频率异常或谐波成分的存在,从而推断设备可能存在故障。
(3)基于人工智能的故障诊断:这种方法利用人工智能技术,如机器学习、神经网络和模式识别等,从大量数据中学习设备的正常运行状态,并构建故障诊断模型。
通过输入实时监测数据,模型能够判断设备是否发生故障,并推测具体的故障类型。
人工智能的优势在于能够处理复杂的非线性关系和提高诊断准确性。
AI技术在故障诊断与预测中的应用探索一、引言在现代科技发展的浪潮中,人工智能(Artificial Intelligence, AI)技术正以惊人的速度推动着各行各业的创新与进步。
其中,AI技术在故障诊断与预测方面的应用探索尤为引人注目。
传统的故障诊断和预测方法往往依赖于人工经验和规则,在效率、准确性和可靠性方面存在一定的局限性。
而引入AI技术后,基于大数据分析和机器学习算法的智能系统使得故障诊断与预测更加高效且更精确。
本文将就AI技术在故障诊断与预测领域的应用进行探索,并分析其优势、挑战及未来发展前景。
二、AI技术在故障诊断中的应用1.1 传统方法存在问题传统的故障诊断方法通常依赖于专家经验和规则,并且需要进行繁琐复杂的手动操作。
这种方式存在以下问题:(1)主观因素较高:依赖专家主观判断,容易受到个体经验和情绪等影响;(2)处理速度慢:需要消耗大量时间和精力进行人工排查和诊断;(3)准确度有限:由于复杂性和不确定性,传统方法在特定领域的故障诊断准确率相对较低。
1.2 AI技术优势引入AI技术改变了传统故障诊断的方式,带来了以下优势:(1)基于大数据分析:AI系统可以通过对历史数据进行深入学习和分析,从而更好地理解设备运行状态、特征和异常情况;(2)智能化处理速度快:AI系统能够在短时间内自动进行大规模数据处理、模式识别和故障检测;(3)提高准确性:通过机器学习算法的训练与迭代过程,AI系统能够提高故障诊断和预测的准确度,并且具备自主学习和适应环境变化的能力。
三、AI技术在故障预测中的应用2.1 数据驱动的预测模型AI技术基于大数据分析能够建立起可靠的故障预测模型。
通过分析设备历史数据,利用机器学习算法构建起各种模型,如神经网络、支持向量机等,可以实现对故障的提前预测。
2.2 异常检测与故障分类AI技术能够通过分析大量设备运行数据,识别出异常情况并进行预警。
数据驱动的方法可以帮助系统更加准确地检测出设备中潜在的故障因素,并快速分类和定位问题。
动力电池的故障诊断方法与故障模式精确预测随着电动车的普及,动力电池作为其重要组成部分,也备受关注。
然而,动力电池存在一定的故障风险,因此掌握故障诊断方法和故障模式的精确预测对于保障电池的性能和安全至关重要。
本文将介绍一些常见的动力电池故障诊断方法,并探讨故障模式的精确预测技术。
一、故障诊断方法1. 终端电压检测法:终端电压检测法是一种简单有效的故障诊断方法。
通过监测电池终端电压的变化,可以判断电池的工作状态和容量衰减情况。
当出现电压异常或不稳定的情况时,可能存在故障。
2. 内阻测量法:内阻测量法是一种常用的故障诊断方法。
通过测量电池内部电阻的大小,可以判断电池的性能和健康状况。
当电池内阻过大或不均匀分布时,可能存在故障。
3. 温度监测法:温度监测法是一种常见的动力电池故障诊断方法。
通过监测电池温度的变化,可以判断电池充放电过程中是否存在过热或过冷现象。
当电池温度异常升高或降低时,可能存在故障。
4. SOC估算法:SOC(State of Charge)估算法是一种基于电池电荷状态的故障诊断方法。
通过估算电池的充放电状态,可以判断电池的健康状况和容量衰减情况。
当估算的SOC与实际SOC存在较大差异时,可能存在故障。
二、故障模式精确预测技术1. 数据驱动的预测方法:数据驱动的预测方法通过收集大量的动力电池工作数据,并利用机器学习和数据挖掘技术来建立故障模式的预测模型。
通过分析历史数据中的故障模式和特征,可以预测未来电池可能出现的故障模式,为故障预防和维护提供指导。
2. 物理模型的预测方法:物理模型的预测方法基于对动力电池内部物理过程的建模和仿真,通过模拟不同的工作条件和故障情况,预测电池的故障模式。
这种方法具有较高的精确度和实时性,但对于模型的建立和参数的确定要求较高。
3. 统计分析的预测方法:统计分析的预测方法通过对大量电池故障数据的统计和分析,寻找故障模式之间的关系和规律,并建立故障发生的概率模型。
《复杂装备故障预测与健康管理关键技术研究》篇一一、引言随着现代工业技术的飞速发展,复杂装备在各个领域的应用越来越广泛。
这些装备通常具有高精度、高效率、高复杂性的特点,一旦出现故障,往往会造成巨大的经济损失和安全风险。
因此,对复杂装备进行故障预测与健康管理(PHM)的研究显得尤为重要。
本文旨在探讨复杂装备故障预测与健康管理的关键技术,以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、复杂装备故障预测技术研究1. 数据采集与预处理数据是故障预测的基础。
在复杂装备中,数据来源多样,包括传感器数据、设备运行参数、维护记录等。
为了进行有效的故障预测,首先需要对这些数据进行采集和预处理。
预处理包括数据清洗、格式化、标准化等步骤,以确保数据的准确性和可靠性。
2. 故障特征提取与识别通过对采集的数据进行特征提取和识别,可以获取设备的运行状态和潜在的故障信息。
常用的方法包括基于信号处理的特征提取、基于机器学习的模式识别等。
这些方法可以帮助我们及时发现设备的异常状态和潜在的故障模式。
3. 预测模型构建与优化基于提取的故障特征,可以构建预测模型。
这些模型可以是对设备运行状态的预测,也可以是设备故障发生时间的预测。
在模型构建过程中,需要考虑模型的准确性、实时性以及鲁棒性等因素。
同时,为了进一步提高模型的预测性能,还需要对模型进行优化和调整。
三、健康管理技术研究1. 健康状态评估通过对设备的运行数据进行分析和评估,可以得出设备的健康状态。
评估方法包括基于物理模型的评估、基于数据驱动的评估等。
这些方法可以帮助我们了解设备的运行状态和潜在的故障风险。
2. 维护策略制定基于设备的健康状态评估结果,可以制定相应的维护策略。
维护策略包括预防性维护、修复性维护等。
通过合理的维护策略,可以延长设备的使用寿命和提高设备的可靠性。
3. 健康管理系统的实现与应用为了实现健康管理的自动化和智能化,需要开发健康管理系统。
该系统应具备数据采集、数据处理、健康状态评估、维护策略制定等功能。
数据驱动的预测性维护技术研究在当今的工业领域,设备的稳定运行对于企业的生产效率和经济效益至关重要。
传统的维护方式往往是基于固定的时间间隔进行定期维护,或者在设备出现故障后进行紧急维修。
然而,这些方法存在着诸多不足,比如定期维护可能导致过度维护,增加不必要的成本;而故障后的紧急维修则可能导致生产中断,带来巨大的损失。
为了解决这些问题,数据驱动的预测性维护技术应运而生。
预测性维护技术的核心在于利用设备运行过程中产生的大量数据,通过分析和挖掘这些数据中的潜在信息,提前预测设备可能出现的故障,并在故障发生之前采取相应的维护措施。
这种技术的优势在于能够有效地减少设备停机时间,提高设备的可靠性和可用性,降低维护成本,同时延长设备的使用寿命。
要实现数据驱动的预测性维护,首先需要获取大量的设备运行数据。
这些数据可以包括设备的温度、压力、振动、电流、电压等各种参数,以及设备的运行时间、工作环境等相关信息。
数据的采集通常通过传感器、监测系统等设备来实现。
为了确保数据的准确性和可靠性,还需要对采集到的数据进行预处理,去除噪声、异常值等干扰因素。
在获取到高质量的数据后,接下来的关键步骤是数据分析。
数据分析的方法多种多样,常见的有统计学方法、机器学习算法和深度学习算法等。
统计学方法如回归分析、时间序列分析等,可以帮助我们发现数据中的趋势和规律;机器学习算法如决策树、支持向量机、随机森林等,则能够自动从数据中学习特征,建立预测模型;深度学习算法如卷积神经网络、循环神经网络等,在处理复杂的时间序列数据方面具有出色的表现。
以振动数据为例,设备在正常运行和出现故障时,其振动特征往往会发生明显的变化。
通过对振动数据的分析,可以提取出振动频率、振幅、相位等特征,并利用这些特征来构建预测模型。
例如,使用支持向量机算法,可以将提取到的振动特征作为输入,设备的健康状态(正常或故障)作为输出,训练出一个能够准确判断设备健康状态的模型。
除了数据分析,特征工程也是预测性维护中的重要环节。
仿真数据驱动的长期服役电梯导轨故障迁移诊断方法CATALOGUE目录•引言•电梯导轨故障仿真模型构建•仿真数据驱动的故障迁移模式挖掘•基于迁移学习的故障诊断模型构建•长期服役电梯导轨故障迁移诊断策略•结论与展望研究背景与意义01随着高层建筑的发展,电梯成为人们日常生活中不可或缺的运输工具。
02长期服役电梯导轨的故障问题成为影响电梯安全运行的重要因素。
03基于仿真数据驱动的故障诊断方法能够提高电梯导轨故障诊断的准确性和效率。
03信号处理方法对特征提取和模式识别的要求较高,且易受噪声干扰。
01现有的电梯导轨故障诊断方法主要基于物理模型和信号处理方法。
02物理模型方法难以准确地模拟电梯导轨的实际工作状态。
研究现状与不足研究内容与方法研究内容本文旨在研究基于仿真数据驱动的长期服役电梯导轨故障迁移诊断方法,以提高故障诊断的准确性和效率。
研究方法首先,建立电梯导轨的仿真模型,模拟不同故障状态下的导轨运行状态。
然后,利用仿真数据训练神经网络模型,实现故障迁移诊断。
最后,通过实验验证所提方法的可行性和有效性。
电梯导轨结构与工作原理电梯导轨的基本结构电梯导轨主要由轨道、导轨支架和导靴等组成,导轨的形状和尺寸是按照标准设计的,以确保电梯的安全运行。
电梯导轨的工作原理电梯导轨在电梯运行过程中,主要承受电梯的垂直载荷并保证电梯的稳定性。
导靴与导轨之间存在一定的间隙,以保证电梯运行的平滑性。
由于长期使用或维护不当,导轨可能会出现弯曲、扭曲等变形现象,导致电梯运行不稳定。
导轨变形导靴磨损支架松动导靴与导轨之间的摩擦会导致导靴磨损,严重时会影响电梯的平稳性和安全性。
支架安装不牢固或长期振动会导致支架松动,进而影响导轨的稳定性。
030201电梯导轨故障类型与原因分析通过建立电梯导轨的物理模型,模拟不同故障情况下的电梯运行状态,为故障诊断提供依据。
基于数据驱动的仿真利用历史数据和机器学习算法,构建电梯导轨故障的预测模型,实现对未来故障的预测和诊断。
数据中心的故障预测采用时间序列和故障树分析一、引言如今云计算已经成为流行,因为提高可用性,节能和点播服务。
云计算的主思想是巩固大资源量和虚拟化他们。
这样的设施,内部计算机系统通常被称为数据中心。
基于云计算的数据中心,包括处理器,内存单元,磁盘驱动器,网络设备以及各种类型的感应器可以支持多种应用程序和用户。
任何系统运行的应用程序与这些异质性和密集工作量有时可能容易受到不同种类的故障,在这种“硬件故障”是单一最大原因系统故障。
因此,本研究强调硬件故障的处理。
通过回顾文献,主动故障处理策略最近已广泛研究。
故障预测和作业迁移结合使用,以管理硬件故障的影响,并增加系统可在用户的角度来看的精度预测模型,从而起到对这一战略的重要作用。
从我们的研究,预测模型可分为2类:神经网络和时间序列分析。
每个类是适合于数据的某些特性和系统环境。
在基于神经网络模型,支持向量机(支援向量机)和ANN(人工神经网络)是最流行的技术,因为它们可以提供一个很好的解决方案对非线性数据的短期预测。
人工神经网络采用神经网络的算法来训练的节点。
输入数据集流入输入层和在每个节点的每个隐含层由训练数据调整,直到误差是最小化或可行的解决方案为止。
然后,可以输出从输出层获得的。
沿着同样的想法,支持向量机是一种基于分类和回归者的技术使用训练数据集映射数据,建立预测模型。
然而,这两种模式可以停留在当地最小值作为其初始状态是随机的,模型是缓慢的本质上收敛。
许多的研究工作,然后使用创建的混合动力车型PSO(粒子群优化),CPSO (混沌粒子群优化算法),或ACO(蚁群优化),以估计参数的支持向量机和人工神经网络。
另一个有趣在这个算法类的工作使用贝叶斯模型和决策树分类。
本文提出使用贝叶斯作为一种无监督的学习方法来表征正常状态,并检测云不规则行为计算系统。
之后的异常进行验证,决定然后介绍了树分类是有监督学习预测未来故障发生在系统中。
该的监督学习算法的主要缺点是事实上模型往往缓慢收敛,并且是不适合实时预测。
智能装备故障预测与健康管理系统研究黄忠山;田凌【摘要】针对智能装备预测性维护存在的智能化和网络化程度不高、物理模型建模困难等问题,研究了数据驱动的智能装备远程故障预测与健康管理系统(PHM)的实施框架、关键技术和系统开发方法.具体阐述了数据驱动PHM系统的运行模式,在此基础上分析了PHM系统的软件架构和关键技术,首先利用EEMD对原始信号进行降噪和重构,将重构后的信号作为输入建立基于RBF神经网络的故障诊断模型;然后采用动态神经网络建立基于时间序列的故障预测模型,并建立基于故障阈值的故障报警机制;最后利用混合编程和网络化开发技术开发了数据驱动的远程PHM 系统.实际应用结果表明,该系统能以较高效率完成故障诊断、故障预测等核心功能,具有良好的实用性.【期刊名称】《图学学报》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】7页(P855-861)【关键词】智能装备;PHM;数据驱动;智能化;网络化【作者】黄忠山;田凌【作者单位】清华大学机械工程系,北京 100084;精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室,北京 100084;清华大学机械工程系,北京 100084;精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室,北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TP206智能装备是具有预测、感知、分析、推理、决策、控制功能的各类装备的统称,是在装备数控化基础上提出的一种更先进、更能提高生产效率和制造精度的装备类型,如高端数控机床、工业机器人等,其发展的关键技术包括故障诊断、健康维护技术等[1]。
故障预测与健康管理技术(prognostics and health management, PHM)[2]是未来智能装备系统保障维护的发展方向。
随着智能装备越发复杂化,建立复杂智能装备的部件或系统的数学或物理模型十分困难。
因此,相比于物理解析模型,利用部件或系统全生命周期中各阶段的历史数据进行建模,将更加有利于PHM功能的实现[3]。
高速铁路列车故障检测与预测技术研究1. 引言随着高速铁路的迅猛发展,列车运行的安全性和可靠性成为越来越重要的关注点。
为了提高高速铁路列车的运行效率和满足日益增长的出行需求,故障检测与预测技术的研究显得尤为重要。
本文将探讨针对高速铁路列车的故障检测与预测技术,并介绍相关研究和技术。
2. 高速铁路列车故障检测技术2.1 故障检测方法高速铁路列车的故障检测技术有多种方法,其中包括传统的基于规则的方法和基于数据驱动的方法。
传统的基于规则的方法使用领域专家的知识和经验进行故障检测,通过预设的规则和模型来识别故障。
但是,这种方法在处理复杂的故障时存在诸多限制,且对领域专家的依赖性较高。
相比之下,基于数据驱动的故障检测方法更加灵活和准确。
它使用机器学习和数据挖掘技术,通过分析大量的历史数据,从中学习和发现列车故障的模式和规律。
这种方法能够有效地避免了专家规则的主观性和复杂性,提高了故障检测的准确性和可扩展性。
2.2 故障检测技术应用高速铁路列车的关键部件和系统,如轮轴、电动机和制动系统等,都可以通过故障检测技术进行监测。
以下是一些具体的应用场景:2.2.1 轮轴故障检测轮轴故障是高速铁路列车中常见的故障之一,其发生可能会导致列车脱轨事故。
通过采集轮轴的振动信号和加速度信号,并使用机器学习算法对这些信号进行分析,可以实现对轮轴故障的检测和预测。
2.2.2 电动机故障检测高速铁路列车的电动机是重要的动力来源,其故障可能会导致列车无法正常运行。
通过监测电动机的电流、温度和振动等参数,并应用机器学习算法进行分析,可以实现对电动机故障的及时发现和预测。
2.2.3 制动系统故障检测高速铁路列车的制动系统是确保列车安全运行的重要组成部分。
故障的制动系统可能导致列车无法停车或制动效果不佳,增加了列车事故的风险。
通过监测制动系统的压力、温度和制动盘的磨损等参数,并应用机器学习算法进行分析,可以实现对制动系统故障的检测和预测。
3. 高速铁路列车故障预测技术故障预测是对高速铁路列车故障进行提前预测和预防的关键技术。
模型驱动数据驱动方法随着人工智能技术的飞速发展,模型驱动和数据驱动成为了解决现实问题的两种重要方法。
模型驱动是指通过建立数学模型来解决问题,而数据驱动则是通过大量的数据来挖掘问题的规律和模式。
本文将对模型驱动和数据驱动方法进行详细介绍,并探讨它们的优势和应用领域。
一、模型驱动方法模型驱动方法是指通过建立数学模型来描述和解决问题的方法。
这些模型可以是基于物理原理的,也可以是基于统计学的。
模型驱动方法的优势在于可以通过建立合适的模型来揭示问题的本质和规律。
例如,对于物理系统,可以通过建立微分方程或者动力学模型来描述其运行过程;对于金融市场,可以通过建立随机变量和随机过程来描述其波动性。
模型驱动方法在实际应用中有着广泛的应用。
例如,在科学研究中,研究人员可以通过建立合适的物理模型来解释实验结果,并预测未知的现象。
在工程领域,可以通过建立数学模型来优化设计方案,提高产品的性能和可靠性。
在经济领域,可以通过建立经济模型来研究市场的供需关系和价格变动。
二、数据驱动方法数据驱动方法是指通过大量的数据来挖掘问题的规律和模式。
这些数据可以是结构化的,也可以是非结构化的。
数据驱动方法的优势在于可以利用大数据分析的技术来揭示问题的隐含规律。
例如,通过机器学习算法可以从海量的数据中学习到问题的模式,并做出准确的预测。
数据驱动方法在现实问题中有着广泛的应用。
例如,在医疗领域,可以通过分析大量的医疗数据来预测疾病的发生和发展趋势,帮助医生做出准确的诊断和治疗方案。
在金融领域,可以通过分析市场的历史数据来预测股票价格的变动,指导投资者的决策。
在交通领域,可以通过分析交通数据来优化交通流量,提高道路的通行效率。
三、模型驱动和数据驱动的比较模型驱动方法和数据驱动方法在解决问题时各有优势。
模型驱动方法通过建立数学模型来描述和解决问题,可以揭示问题的本质和规律。
但是,模型的建立需要对问题有一定的了解,并且需要具备一定的数学建模能力。
2013年3月 第34卷第3期
计算机工程与设计
COMPUTER ENGINEERING AND DESIGN Mar.2Ol3
Vo1.34 No.3
基于数据驱动的故障预测模型框架研究 韩 东 ,杨震。,许葆华 (1.军械工程学院导弹工程系,河北石家庄050003;2.总装备部通用装备 保障部军械器材供应站,北京100720) 摘要:为解决基于数据驱动的故障预测缺乏统一的预测框架的问题,提高故障预测精度,提出了一种通用的故障预测模 型和框架。总结分析了单项故障预测方法的优缺点和故障预测研究现状,研究了基于数据驱动的故障预测的一般过程,将 融合单元的概念应用到故障预测领域,用以描述预测过程中设备状态的数据变化,建立了基于数据驱动的故障预测模型, 从而得到了一种统一的故障预测框架,为基于数据驱动的故障预测研究提供借鉴。 关键词:故障预测;融合单元;信息融合;预测框架;预测与健康管理 中图法分类号:TP206 文献标识号:A 文章编号:1000—7024(2013)03—1054—05
Research on fault prognostics model and frame based on data—driven method HAN Dong ,YANG Zhen ,XU Bao—hua (1.Department of Missile Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China;2.Ordnance Materials Supply Station of General Equipment Support Department of PLA General Armament Department。Beijing 100720.China)
Abstract:To solve the problem that general fault forecasting frame is lacked in the data-driven fault prognostics and improve forecasting precision,a general fault forecasting model and frame are put forword.The merit and demerit of the single fault prognotics method are analyzed.The current situation and problem of the fault prognotics research are pointed out.A general fault forecasting process is studied,and fusion cell is applied into fault prognotics which can be used to characterize the equipment state’S data change,the fault forecasting model of data-driven method is put orward,SO a general fault prognotics frame is con— structed,which provides a kind of reference for the data—driven method. Key words:fault prognostics;fusion cell;information fusion;forecast frame;prognostics and health management
0引 言 预测和健康管理(prognostics and health management, PHM)系统已经逐步得到应用,如直升机健康与使用监测 系统HUMS、航天器综合健康管理IVHM、飞机状态监测 系统ACMS、发动机监测系统EMS、综合诊断预测系统 IDPS以及综合状态评估系统ICAS等[】]。 在预测与健康管理系统中,故障预测是实现这一全新 概念的核心技术I2 ]。故障预测是在了解和掌握系统的运行 状态及状态变化规律的基础上,根据一定的预测方法推测 其状态的变化趋势,估计故障的传播、发展和系统的性能 劣化趋势,是进行事故预防、实现视情维修和健康管理的 重要手段。 目前故障预测存在缺乏统一的框架、预测过程和预测 结果不确定、数据获取困难等问题,本文研究了基于数据 驱动的故障预测过程,进行了信息融合理论应用的必要性 分析,提出一种基于数据驱动的故障预测模型和一般故障 预测框架,为故障预测研究工作提供一种思路。
1基于数据驱动的故障预测方法现状分析 关于故障预测有较多的分类方法,目前尚未统一,采 用比较多的是将故障预测方法分为基于模型的故障预测方 法、基于数据驱动的故障预测方法和基于知识的故障预测 方法三类I】 。其中基于模型的故障预测方法难于获得系 统精确的数学模型,基于知识的故障预测方法更适合于定 性推理,而基于数据驱动的故障预测方法主要利用设备的
收稿日期:2012—04—16;修订日期:2012—07—16 基金项目:河北省自然科学基金项目(E2009001431) 作者简介:韩东(1972一),男,河北安新人,博士,研究方向为故障诊断与故障预测;杨震(1976一),男,湖南澧县人,工程师,研究方 向为检测与故障诊断;许葆华(1982一),男,河北泊头人,硕士,讲师,研究方向为设备监测与故障预测。E-mail:hand72@sina.com 第34卷第3期 韩东,杨震,许葆华:基于数据驱动的故障预测模型框架研究 历史工作数据、故障注人数据以及仿真实验数据[7]等,通 过各种数据分析处理算法进行趋势预测,是目前应用比较 广泛的预测方法。 1.1单项方法故障预测 基于数据驱动的故障预测的典型方法有:时间序列分 析、灰色模型预测、隐马尔可夫模型预测、神经网络预测 和支持向量机预测等。对单项故障预测方法的研究很多, 这里总结了单项故障预测方法的优缺点和适用范围,如表1 所示,不再赘述。 表1几种单项预测方法的分析 1.2混合方法故障预测 混合方法故障预测是指根据被预测对象的特性和不同 单项预测算法的适用范围和优势,而将两种以上算法结合 起来进行的预测。所以,混合方法预测可以发挥单项预测 算法的优势,同时也能弥补其不足。文献[8—9]用灰色模 型描述机械故障发展中的确定性趋势,用时间序列模型描 述机械故障中的随机趋势,建立灰色系统理论与时间序列 组合预测模型,分别对汽轮发电机组振动故障、滚动轴承 故障进行预测。文献Elo]构建基于改进BP网络的组合预 测模型,利用灰色预测方法和累积式自回归动平均模型 (ARIMA)时序预测对历史数据进行初步预测,对中长期 预测中数据趋势项和随机项进行模拟,将初步预测的结果 作为改进BP神经网络的输入,在此基础上进行训练 和预测。 1.3组合方法故障预测 组合预测的基本思想是将参与预测的单个算法预测结 果赋予一定的权重,采用加权平均的方法得到一个单一的 结果。与单项预测相比,组合预测能够综合利用多个预测 样本信息,可以有效地减少单个模型预测的随机不确定性 的影响L】 。组合预测研究近年来得到了较大关注,如文献 E12]按照预测误差平方和最小的原则计算灰色理论、BP 神经网络、遗传算法和卡尔曼预测4种单项预测算法的权 系数,然后加权建立组合预测模型,对油中溶解气体的浓 度及发展趋势进行预测。预测实例分析证明了组合预测方 法的可靠性和有效性,降低了单项预测方法的预测误差, 提高了预报能力。 1.4基于数据驱动的故障预测方法现状分析 通过阅读、分析文献,可以得出以下结论: (1)目前,故障预测研究主要在基于数据驱动的故障 预测研究方面,主要是针对特定对象系统的单项指标或参 数,如振动幅值、1vrF时间、稳压器水位等,采用单项方 法进行趋势预测,通过阈值对比来说明可能要发生的故障。 (2)由于预测本身具有不确定性,需要提高预测的精 度和稳定性。采用混合预测方法和组合预测方法的故障预 测逐步得到应用,这是故障预测技术发展的一个必然趋势。 在参与预测的单项预测方法选择和预测结果评价等方面需 要进行深入的研究。 (3)预测方法应用多,但缺乏统一的预测框架。故障 预测方法的应用往往是量体裁衣的,在专门的系统中采用 专用的预测算法进行预测,需要对整体的预测框架进行研 究,可以为预测技术的开发应用提供借鉴。
2基于数据驱动的故障预测模型 2.1基于数据驱动的故障预测过程 基于数据驱动的故障预测是一个数据采集、特征提取、 趋势预测、故障识别的过程,如图1所示。
图1基于数据驱动的故障预测过程 基于数据驱动的故障预测可以分为以下3个步骤: (1)预测样本数据准备和预测模型训练。将监测到的 设备状态数据进行分析、特征提取后形成历史数据,结合 故障注入数据或仿真数据等其它数据,构建用于故障预测 的训练样本,并进行预测模型的训练。 (2)趋势预测。将监测到的潜在故障状态信息进行分 析处理,利用第一步所建立的模型进行状态变化趋势和系 统性能劣化趋势预测,得到表征设备将来状态的特征趋势 数据。 (3)潜在故障识别。利用预测得到的特征趋势数据进 行故障模式识别,预测设备未来可能发生的故障或设备的 剩余寿命。 2.2基于数据驱动的故障预测模型 故障预测过程是一个复杂艰难的过程。在实际系统的 计算机工程与设计 2013年 建模中存在诸多干扰、参数时变和采样样本的不完全等因 素,造成所建模型必然存在一定的误差和不确定性,而且 在系统实际运行过程中也必然会受到各种不确定性因素的 干扰。因此,将信息融合理论应用到故障预测领域是预测 本身的不确定性、预测对象的复杂性层次性的必然要求。 为了表示在预测过程中设备状态的数据的变化,这里 引入信息融合中融合单元的概念。信息融合实质上是一个 多变量决策问题。融合处理过程可以表述为:根据决策任 务及其可以使用的多信息资源完成既定融合决策任务的处 理过程。融合处理过程可以经过一次或多次融合处理完成。 进行一次多变量的融合决策处理的过程称为融合单元,每 个融合单元都涉及3个最基本的组成部分:变量、融合方 法和融合结果[133。 定义融合单元M<D,F,0>,其中D表示输入变量, 通常指需要作融合决策的输入量,包括整个处理系统的输 入量、中间变换和处理结果量,也包括局部或低层融合处 理结果的输出量;F表示融合算子,是指对输入多变量实施 融合处理所采取的方法,以完成数据融合任务;O表示融合 单元的输出结果,融合结果可能是解释性的判断型变量, 如识别的结果、决策结果相应的语意说明等,也可能是实 体、目标或事件的状态估计。 定义了融合单元以后,融合单元的集合就构成了故障 预测中的数据空间、特征空间、趋势空间、故障模式空间。 (1)数据空间:是指由数据融合单元Md<Dd, , >的集合构成的空间。在数据空间,D 可以是状态监 数据空间 测数据、历史数据、故障注入数据或仿真数据,对同类数 据可以采用数据融合算子 进行数据级融合,得到数据融 合结果 。 (2)特征空问:是指由特征融合单元M<Dr,F, >的集合构成的空间。对数据空间的数据信息进行分析 处理,得到表征设备运行状态的特征集,如电量特征、振 动特征、压力特征、温度特征等,这些特征集构成了特征 空间的数据 ,可以对 采用特征融合算子 进行融 合,得到融合结果 。 (3)趋势空间:是指由趋势融合单元M<D, , o>的集合构成的空间。D是D 或0 通过预测算法得到 的特征趋势, 为趋势融合算子,Q为趋势融合结果。趋势 空间的存在是基于数据驱动的故障预测区别于基于状态监 测的故障诊断的主要标志。 (4)故障模式空间:是指由故障融合单元Ms<Dr, F,,0,>的集合构成的空间。Dr是局部融合结果或单项故 障识别结果,F,为决策融合算子,0r为决策融合结果。 这样,就得到了基于数据驱动的故障预测模型,如图2 所示。 基于数据驱动的故障预测模型包含数据空间、特征空 间、趋势空间和故障模式空间,空间之间的信息传递采用 空间映射算子进行映射。 : <Dd, ,Od>一 <Dc, ,Oc>为数据空 间到特征空间的映射。 ,:M<Dc,Fc, >一M,<Ds,Fr,Or>为特征空