【摘要】：近年來航空、航天、船舶等復(fù)雜裝備系統(tǒng)的安全性、可靠性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障則會造成巨大的損失。因此，迫切需要提高復(fù)雜裝備系統(tǒng)的可靠性、可修復(fù)性和安全性。然而，目前故障診斷領(lǐng)域的研究工作主要集中在研究系統(tǒng)的狀態(tài)評價和故障診斷方面，所關(guān)心的是系統(tǒng)“當(dāng)前”的運(yùn)行狀態(tài)，對系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理的研究則較少。這種傳統(tǒng)的“事后維修”和“計劃維修”方法，在應(yīng)對瞬息萬變的新情況時存在嚴(yán)重不足。“視情維修”和“預(yù)知維修”將故障消滅在萌芽狀態(tài)，成為未來系統(tǒng)維護(hù)保障的發(fā)展方向。 所以，近些年關(guān)于故障預(yù)測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）方面的研究成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，PHM技術(shù)代表著故障診斷技術(shù)從傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測轉(zhuǎn)變。但是，目前國內(nèi)在這方面的研究剛剛起步，研究成果較少。本文針對復(fù)雜裝備PHM技術(shù)中涉及的關(guān)鍵理論和技術(shù)開展研究，主要內(nèi)容包括： 第一，復(fù)雜裝備PHM服務(wù)模式研究。針對目前故障診斷資源缺乏有效的組織管理，資源共享率低等問題，通過分析復(fù)雜裝備的特點(diǎn)與傳統(tǒng)故障診斷模式的不足，提出一種面向服務(wù)的PHM系統(tǒng)架構(gòu)。研究了系統(tǒng)服務(wù)模式和特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)構(gòu)建過程中所需的關(guān)鍵技術(shù)及主要功能模塊，為復(fù)雜裝備領(lǐng)域開展公共PHM系統(tǒng)服務(wù)平臺研究提供一種新思路。 第二，數(shù)據(jù)降維與故障診斷技術(shù)研究。故障診斷是PHM的核心內(nèi)容，針對復(fù)雜裝備高維、非線性、早期故障難以識別等特點(diǎn)，提出一種基于非線性流形學(xué)習(xí)和混合隱馬爾科夫模型（Hidden Markov Model，HMM）的故障診斷方法�；旌螲MM模型將系統(tǒng)狀態(tài)分為正常狀態(tài)、間歇故障、中間狀態(tài)和故障狀態(tài)，以全面反映系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)。通過局部保持投影算法（Locality preserving projection，LPP）將原始高維故障數(shù)據(jù)映射至低維空間，提取數(shù)據(jù)的內(nèi)在流形特征作為特征矢量；利用混合HMM作為分類器實(shí)現(xiàn)對各狀態(tài)的分類識別。通過仿真分析，將該方法與其它方法進(jìn)行對比，結(jié)果表明，LPP-HMM方法可以有效識別早期故障特征，具有較高的故障識別率。 第三，時間序列狀態(tài)預(yù)測技術(shù)研究。故障預(yù)測是PHM的關(guān)鍵，針對漸變性故障類型，提出基于自回歸滑動平均模型(Auto-Regressive and Moving Average Model，，ARMA)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）的狀態(tài)預(yù)測方法。利用ARMA模型在捕捉時間序列線性部分的優(yōu)勢和ANN處理非線性時間序列的良好性能，建立混合預(yù)測模型。采用ARMA模型建模時間序列的線性部分，通過序列余項(xiàng)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)非線性部分建模。基于該混合模型，以某型號衛(wèi)星遙測電壓數(shù)據(jù)為例，實(shí)現(xiàn)對遙測參數(shù)的靜態(tài)模型預(yù)測和動態(tài)模型預(yù)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混合動態(tài)模型具有較高的預(yù)測精度�；诨旌夏Ｐ�，以遙測壓力數(shù)據(jù)為例實(shí)現(xiàn)了一種狀態(tài)監(jiān)測方法，實(shí)驗(yàn)表明該方法可以有效降低故障虛警率。 第四，故障知識建模及服務(wù)技術(shù)研究。故障知識管理是PHM的基礎(chǔ)，針對目前故障診斷知識資源重用率低、知識斷層嚴(yán)重等問題，提出基于領(lǐng)域本體的故障知識建模和服務(wù)技術(shù)。首先，提出靜態(tài)和動態(tài)兩類故障知識分類方法，構(gòu)建了推理知識本體和多領(lǐng)域知識本體；然后，基于推理知識本體實(shí)現(xiàn)了故障知識推理，基于多領(lǐng)域本體，實(shí)現(xiàn)了對分布式知識資源的索引、語義標(biāo)注、語義檢索及知識管理，有效獲取產(chǎn)品設(shè)計、試驗(yàn)等階段的診斷靜態(tài)知識；通過對相對固化的診斷、預(yù)測模型類知識資源進(jìn)行服務(wù)化封裝和語義標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)動態(tài)知識的檢索和調(diào)用服務(wù)，有效提高診斷知識資源的使用效率和重用率。 第五，PHM服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)�；谝陨涎芯績�(nèi)容，以航天器為例，針對其在軌運(yùn)行特點(diǎn)，研發(fā)航天器地面PHM系統(tǒng)。集故障預(yù)測、故障診斷、故障知識管理和服務(wù)于一體，為提高航天器在軌運(yùn)維保障能力和地面測試試驗(yàn)?zāi)芰μ峁┯行У募夹g(shù)支撐。 本文系統(tǒng)地分析和研究了復(fù)雜裝備PHM系統(tǒng)的服務(wù)模式及關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合航天器特點(diǎn)，開發(fā)了相應(yīng)的PHM原型系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文所提方法的可行性和有效性。通過本文研究，對提高復(fù)雜裝備診斷維護(hù)能力、降低運(yùn)維成本具有重要意義。
[Abstract]:In recent years, the safety and reliability of complex equipment systems such as aviation, space and ship have become the focus of attention. As a result of its complex structure, a large loss can be caused once a failure occurs. Therefore, it is urgent to improve the reliability, repair and safety of the complex equipment system. However, the current research work in the field of fault diagnosis is mainly focused on the state evaluation and fault diagnosis of the research system, and concerned is the running state of the system "Current", and the research on system fault prediction and health management is less. This traditional "post-post service" and "plan and repair" approach is seriously inadequate in dealing with new situations of transient change. The "visual maintenance" and the "Predict maintenance" eliminate the fault in the bud state and become the development direction of the system maintenance and guarantee in the future. Therefore, in recent years, the research on the fault prediction and health management (PHM) has become the research focus of the domestic and foreign scholars, and the PHM technology represents the fault diagnosis technology from the traditional sensor-based diagnosis to the prediction of the intelligent system. But, at present, the research in this area has just started, and the research results are more In this paper, the key theory and technology involved in the PHM technology of complex equipment are studied, and the main content package includes: first, complex equipment PHM service mode Based on the analysis of the characteristics of complex equipment and the shortcomings of the traditional fault diagnosis model, a new service-oriented PHM system is proposed. This paper studies the system service model and characteristics, analyzes the key technology and main function modules required in the system construction process, and provides a kind of public PHM system service platform research in the field of complex equipment. New ideas. Second, data reduction and failure diagnosis Fault diagnosis is the core content of PHM, which is based on nonlinear manifold learning and Hidden Markov Model (HMM). The hybrid HMM model divides the system state into the normal state, the intermittent fault, the intermediate state and the fault state, so as to fully reflect the system state. In this paper, the original high-dimensional fault data is mapped to a low-dimensional space by a local holding projection algorithm (LPP), and the inner manifold characteristic of the extracted data is taken as a feature vector, and the mixed HMM is used as a classifier to realize the pair of states. The results show that the LPP-HMM method can effectively identify the early fault features and has higher accuracy. Fault recognition rate. Third, time series The prediction of fault is the key to the PHM, and the auto-regressive and moving average model (ARMA) and the artificial neural network (ANN) are put forward. The method of state prediction is based on the advantage of the linear part of the capture time series and the good performance of the ANN processing non-linear time series by using the ARMA model. The linear part of the time series is established by the ARMA model, and the neural network model is established by the remainder of the sequence. Based on the hybrid model, a model of satellite telemetry voltage data is taken as an example to realize the static model prediction and the dynamic model prediction of the telemetry parameters. The experimental results show that the hybrid dynamic model has the characteristics of Based on the mixed model, a state monitoring method is realized by using the telemetry pressure data as an example, and the experiment shows that the method can be used effectively. Reduce the false alarm rate of the fault. Fourth, the fault knowledge Modeling and service technology research. The fault knowledge management is the foundation of the PHM, aiming at the problems of low reuse rate, serious knowledge fault and the like of the current fault diagnosis knowledge resource, and the fault knowledge management is based on the fault of the domain ontology in that first place, two types of fault knowledge classification method of static and dynamic are put forward, and the reasoning knowledge body and the multi-domain knowledge body are constructed; then, based on the reasoning knowledge body, the fault knowledge reasoning is realized, The index, the semantic annotation, the semantic retrieval and the knowledge management of the source can effectively acquire the diagnosis static knowledge in the stages of product design, test and the like; and through the service encapsulation and the semantic annotation of the relative curing diagnosis and the prediction model knowledge resources, the dynamic knowledge is realized. Knowledge search and call service to effectively improve the diagnosis knowledge resource Use efficiency and reuse rate. 5. The development of PHM service system. Based on the above research contents, taking the spacecraft as an example, for the characteristics of its on-orbit operation, the research The ground PHM system of the spacecraft is developed. The fault prediction, the fault diagnosis, the fault knowledge management and the service are integrated to improve the capability of the spacecraft in the operation and maintenance of the rail and the ground test. In this paper, the service mode and key technology of the PHM system of complex equipment are analyzed and studied systematically, and the corresponding PHM prototype system is developed and verified by combining the characteristics of the spacecraft. The feasibility and effectiveness of the method proposed in the paper. Through the research of this paper, it is necessary to improve the diagnosis and maintenance of complex equipment
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH165.3

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本文編號：2488268