機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)及預(yù)防性維修決策研究

謝志敏

（頤中（濰坊）實(shí)業(yè)有限公司，山東濰坊 262500）

1 機(jī)械系統(tǒng)預(yù)防性維修決策的研究

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用，很多機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)故障的規(guī)律和基本模式逐漸趨于復(fù)雜化。要進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，就要充分利用系統(tǒng)剩余壽命，確保機(jī)械系統(tǒng)在可靠性較強(qiáng)的基礎(chǔ)上提升可使用效率，實(shí)現(xiàn)精確化保障，不斷降低設(shè)備系統(tǒng)的維修費(fèi)用。以下是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)預(yù)防性維修決策的研究。

通常，機(jī)械系統(tǒng)的維修主要是指在保證機(jī)械系統(tǒng)處于正常執(zhí)行功能狀態(tài)下所進(jìn)行的技術(shù)和管理操作。對(duì)于已發(fā)現(xiàn)異常的機(jī)械系統(tǒng)不僅要采取維修操作，還要不斷加強(qiáng)對(duì)于維修成本、維修所需要資源的消耗、生產(chǎn)效益之間的決策研究。通過(guò)研究來(lái)確定最佳且效率最高的維修方式，保證維修的損失控制在合理范圍內(nèi)。依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的維修發(fā)生時(shí)機(jī)可對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，主要包含2 個(gè)方面。

（1）修復(fù)性維修就是日常所說(shuō)的事后維修，也就是機(jī)械系統(tǒng)在出現(xiàn)異常之后的維修，該部分工作的實(shí)際研究?jī)?nèi)容不是很多。

（2）預(yù)防性維修是較為重要的關(guān)注部分，分為計(jì)劃性維修和視情況進(jìn)行維修兩種情況。這兩種中較為理想的方式就是從機(jī)械系統(tǒng)的健康狀態(tài)檢測(cè)來(lái)進(jìn)行視情況的維修操作，以及在此情況下拓展而來(lái)的預(yù)測(cè)維修。

目前，已有的預(yù)防性維護(hù)維修會(huì)從時(shí)間和狀態(tài)兩個(gè)方面來(lái)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行維修和維護(hù)。其中，從時(shí)間角度進(jìn)行維修主要指在給定的時(shí)間期限內(nèi)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中還沒(méi)有失效的部分進(jìn)行維修和維護(hù)，從而降低系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)故障的概率，避免系統(tǒng)因失效而造成不必要損失。在機(jī)械系統(tǒng)較為復(fù)雜部分的壽命已知的情況下會(huì)采用定時(shí)維修方式。此外，從狀態(tài)角度進(jìn)行維修主要指依據(jù)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)情況信息而施行的預(yù)防性維修操作，也就是一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)存在功能障礙的提前征兆，就要對(duì)其采取合理化針對(duì)性的維護(hù)操作。但現(xiàn)今很多機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)維護(hù)方式都是采用假設(shè)已知的方式來(lái)建設(shè)退化狀態(tài)下的分布函數(shù)。該建設(shè)方式在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)存在運(yùn)行數(shù)據(jù)不足的情況，也會(huì)受到機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行周?chē)h(huán)境和負(fù)載的影響，使得退化分布存在困難，需要進(jìn)一步進(jìn)行探究。

2 機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命預(yù)測(cè)研究

一般，機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命是對(duì)設(shè)備技術(shù)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的重要表征，剩余壽命的預(yù)測(cè)是對(duì)CBM 實(shí)施的重要性依據(jù)。系統(tǒng)剩余壽命的預(yù)測(cè)會(huì)結(jié)合系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的綜合運(yùn)轉(zhuǎn)情況，將系統(tǒng)相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)當(dāng)作主要參數(shù)，借助于設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命的預(yù)測(cè)方法主要包括：基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的預(yù)測(cè)方式、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)方式、基于模型的預(yù)測(cè)方式等部分。以下是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命預(yù)測(cè)的具體研究。

2.1 從數(shù)理統(tǒng)計(jì)角度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)的研究

從數(shù)理統(tǒng)計(jì)角度預(yù)測(cè)剩余壽命的方式主要是指在具備重組的數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合已有歷史數(shù)據(jù)來(lái)擬合失效的分布，之后借助于回歸分析的基本數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命。有的研究者采用對(duì)橋梁的不同時(shí)刻檢測(cè)結(jié)果來(lái)使用回歸分析的模型，建立橋梁的結(jié)構(gòu)損傷和使用時(shí)間的關(guān)系，之后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)；還有的學(xué)者對(duì)道面狀況的指數(shù)建立預(yù)測(cè)模型，研究對(duì)象為機(jī)場(chǎng)的瀝青混凝土跑道；還有學(xué)者在進(jìn)行大數(shù)量的資料和實(shí)驗(yàn)分析之后，使用回歸分析建立混凝土與凍循環(huán)次數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，并采用該模型對(duì)高寒地區(qū)的機(jī)場(chǎng)跑道進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)。由此可得，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)角度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法并不需要傳感器，也不需要對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的故障類(lèi)型進(jìn)行確定后才可預(yù)測(cè)，該方法操作較為簡(jiǎn)單方便。但需要具有數(shù)量龐大的歷史數(shù)據(jù)作為主要的研究基礎(chǔ)，還要依據(jù)主要的變量建立函數(shù)關(guān)系，實(shí)際預(yù)測(cè)的精確化程度并不是很高，屬于機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)的粗略方法。

2.2 從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)角度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)的研究

該類(lèi)方法主要應(yīng)用于現(xiàn)今的狀態(tài)化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，主要包含的方法有神經(jīng)網(wǎng)路方法、支持向量機(jī)等一類(lèi)方法，來(lái)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，以下是對(duì)不同方法的具體研究。

（1）神經(jīng)網(wǎng)路的方法可通過(guò)對(duì)人體腦部神經(jīng)的學(xué)習(xí)及判別和推理進(jìn)行模擬，可對(duì)已有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化更新，具有相對(duì)較好的容納錯(cuò)誤性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命的預(yù)測(cè)。現(xiàn)有學(xué)者以機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基本內(nèi)容，采用動(dòng)態(tài)化的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練并建立機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)故障特征的時(shí)間變化基本模型，該研究?jī)?nèi)容的對(duì)象為軸承的剩余壽命；還有學(xué)者將機(jī)械裝備的剩余壽命和基本的檢測(cè)數(shù)據(jù)當(dāng)作預(yù)測(cè)系統(tǒng)的輸入量，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水泵軸承的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)；還有學(xué)者使用人工網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)起重機(jī)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)并實(shí)際驗(yàn)證；有的學(xué)者采用反向傳播和自組織映射方式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)球軸承的剩余壽命系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（2）20 世紀(jì)末，有研究者首次提出了支持向量機(jī)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)理論，該方法可將空間輸入部分映射到維度較高的空間。針對(duì)非線(xiàn)性問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性問(wèn)題來(lái)提升機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)的精確程度。其中，基于最小二乘法的支持向量機(jī)將最小二乘數(shù)學(xué)方法加入到SVM 中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SVM 的拓展。主要研究?jī)?nèi)容涉及以下方面，例如，為探究實(shí)驗(yàn)區(qū)水質(zhì)的腐蝕情況，有研究者使用SVM 建立了支持向量機(jī)的剩余壽命預(yù)測(cè)模型，主要研究對(duì)象為注水管道；還有學(xué)者借助于關(guān)聯(lián)向量機(jī)回歸的方式對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，證明仿真的實(shí)驗(yàn)效果要優(yōu)于傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法；還有學(xué)者提出了火炮特性預(yù)測(cè)模型，主要將量子和離子群算法應(yīng)用于模型進(jìn)行反演，證明了該方法具有很好的實(shí)用性?xún)r(jià)值。

2.3 從模型角度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)的研究

研究表明可利用數(shù)學(xué)模型對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，該部分常使用的數(shù)學(xué)模型包括比例故障模型、濾波模型、馬爾可夫模型，以下是對(duì)不同模型的具體介紹。

（1）比例故障模型最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代，該模型屬于多元線(xiàn)性回歸的基本方法，主要針對(duì)概率表征的劣化程度進(jìn)行分布，將多種因素都考慮在內(nèi)。主要研究涉及以下方面，有的學(xué)者建立威布爾比例的故障模型，以發(fā)動(dòng)機(jī)的某一軸承為研究對(duì)象進(jìn)行了維修決策的基本研究；還有的學(xué)者建立了狀態(tài)信息的故障率模型，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)；還有的學(xué)者對(duì)比例故障模型進(jìn)行了修正后借助于比例強(qiáng)度，對(duì)軸承的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，還評(píng)估了對(duì)于預(yù)防維修的影響作用。

（2）濾波模型主要建立在延遲時(shí)間的概念理論上，將所需狀態(tài)信息當(dāng)作條件，對(duì)剩余壽命分布進(jìn)行推測(cè)。該概念可把機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行分為正確及故障延遲兩個(gè)階段，可通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立不同階段的狀態(tài)分布情況。有的研究者使用粒子相關(guān)理論預(yù)測(cè)了行星載板的剩余壽命，還有通過(guò)建立概率密度函數(shù)對(duì)軸承的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，還借助于基本濾波模型推導(dǎo)極大似然估計(jì)法的預(yù)測(cè)模型等。

（3）馬爾可夫模型屬于隨機(jī)過(guò)程的預(yù)測(cè)模型，在已知系統(tǒng)的條件下建立模型，模型與系統(tǒng)的未來(lái)和過(guò)去發(fā)展并沒(méi)有太大關(guān)系。該模型建立時(shí)可將動(dòng)態(tài)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)使用起來(lái)，對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率進(jìn)行了解，之后使用蒙特卡洛方法進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，有學(xué)者將狀態(tài)指標(biāo)設(shè)置為隨機(jī)預(yù)測(cè)模型，采用馬爾可夫?qū)κЦ怕蔬M(jìn)行檢測(cè)。該模型相較于其他預(yù)測(cè)模型，精確程度較高，但實(shí)際預(yù)測(cè)過(guò)程需要工程模型的支撐，復(fù)雜程度也會(huì)相對(duì)較高，可適用于與假設(shè)系統(tǒng)相關(guān)的機(jī)械系統(tǒng)預(yù)測(cè)。

3 機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命和維修決策相關(guān)研究展望

通過(guò)對(duì)不同預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有系統(tǒng)研究具有待改進(jìn)的部分，可從以下方面進(jìn)行改善。

（1）可將多種模型進(jìn)行組合之后對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，已有機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命和維修決策預(yù)測(cè)的方法模型包含很多種類(lèi)，不同方法有其適用范圍。同時(shí)，對(duì)剩余壽命產(chǎn)生影響的因素有很多，如非線(xiàn)性、不確定性和時(shí)間變化性等，要對(duì)較為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，就要將多種模型進(jìn)行組合，針對(duì)不同層次的特征需要來(lái)強(qiáng)化對(duì)不同特征機(jī)械系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。

（2）可進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)不完備條件下機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命的預(yù)測(cè)研究。由于對(duì)機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命和維修決策研究要應(yīng)用于實(shí)踐，故對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，要將實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況考慮在內(nèi)。但實(shí)際工程會(huì)受到很多方面限制，不能得到很完整的設(shè)備信息。在進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)可采用不完備條件下的預(yù)測(cè)方式，結(jié)合實(shí)際工程情況，建立適合的模型，解決實(shí)踐應(yīng)用的情況。

（3）強(qiáng)化對(duì)RUL（residual useful life，剩余壽命）動(dòng)態(tài)化預(yù)測(cè)的研究。已知現(xiàn)階段的RUL 研究得到的預(yù)測(cè)結(jié)果都為處于靜止?fàn)顟B(tài)的數(shù)值，并沒(méi)有考慮到設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的影響因素，因此，要改變靜態(tài)預(yù)測(cè)研究，就要不斷強(qiáng)化對(duì)于RUL 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的研究，考慮到設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的影響。使用RUL 動(dòng)態(tài)化預(yù)測(cè)的方式可增強(qiáng)系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)的自動(dòng)更新能力，進(jìn)一步提升系統(tǒng)預(yù)測(cè)精確度，確保所得到的數(shù)據(jù)更加真實(shí)有效。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命預(yù)測(cè)及預(yù)防性維修決策研究具有很重要的意義和作用，不僅可以總結(jié)已有研究情況，還可通過(guò)總結(jié)進(jìn)一步強(qiáng)化不同預(yù)測(cè)方法需要改進(jìn)的方面。目前，已有的預(yù)防性維護(hù)維修會(huì)從時(shí)間和狀態(tài)兩個(gè)方面來(lái)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行維修和維護(hù)。機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命預(yù)測(cè)涉及到數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模型等不同方法和模型。要進(jìn)一步提升機(jī)械系統(tǒng)的剩余壽命預(yù)測(cè)及預(yù)防性維修決策，就要將多種模型進(jìn)行組合，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)不完備條件下機(jī)械系統(tǒng)剩余壽命的預(yù)測(cè)研究，強(qiáng)化對(duì)RUL 動(dòng)態(tài)化預(yù)測(cè)的研究等。