专利名称：一种性能数据伴随的产品寿命及其可靠性预测方法
技术领域：
本发明一种性能数据伴随的产品寿命及其可靠性预测方法，属于机械、液压、电力、电器等产品和系统性能试验以及服役运行期间的性能寿命及其可靠性评估与预测技术领域。
背景技术：
许多产品对性能寿命及其可靠性有很高要求。在产品性能试验以及服役运行期间，希望能够实时预测出未来时刻产品的性能寿命及其可靠性信息，以及时发现产品性能退化和失效隐患，避免发生恶性事故。
目前涉及产品性能寿命及其可靠性研究的方法很多，如公布日为2010年5月19日、公布号CN 101710568 A的中国专利基于多源退化数据的贝叶斯可靠性综合评估方法，公布日为2010年3月10日、公布号为CN 101666662 A的中国专利基于模糊理论的加速退化试验预测方法，公布日为2010年11月24日、公布号为CN 101894221 A的中国专利基于退化量分布非平稳时序分析的加速退化试验产品寿命预测方法；赵建印，基于性能退化数据的可靠性建模与应用研究，博士学位论文，国防科技大学，2005;马纪明，随机因素作用下动态系统性能可靠性分析方法，系统工程与电子技术，2011，4(33) =943-948 ;金光，小子样条件下航天轴承性能可靠性建模与评估，国防科技大学学报，2000，32 (I) :13-137 ；晁代宏，应用多元性能退化量评估光纤陀螺贮存的可靠性，光学精密工程，2011，19(1)35-40)，方法主要有综合贝叶斯法、模糊集合法、漂移的布朗运动法、泊松过程法、退化量分布法和蒙特卡洛法等。这些方法需要假设性能退化的某些先验信息。例如性能寿命符合确定的概率分布(威布尔分布、指数分布、正态分布、对数正态分布、二项式分布、Gamma分布、均匀分布等)，假设退化轨迹为漂移的布朗运动，根据工程经验选择某一隶属函数，采用某一确定的函数作为性能变化规律，假设性能退化轨迹为随时间变化的确定函数并添加随机过程分量或添加一个不随时间变化的误差概率分布，假设性能退化轨迹为随时间变化的确定函数的常数符合某种分布，假设退化量分布类型不随时间变化，对非平稳时间序列的研究考虑性能退化量的概率分布变化局限于已知的分布(正态分布、对数正态分布和威布尔分布等)，需要失效样本，需要假设研究对象失效(故障)或未失效(正常)的判断依据等。可以看出，现有方法没有涉及到上述先验信息未知或者不确定的产品性能寿命及其可靠性分析问题。有很多产品的某个性能寿命概率分布和性能变化/退化等信息被认为是已知的，但也有很多产品的某个性能寿命概率分布和性能变化/退化等信息是未知的和未确知的。例如，滚动轴承的疲劳寿命被认为符合威布尔分布，但滚动轴承的磨损、摩擦力矩、振动和噪声、异音、运动精度、零件断裂以及粘结等寿命的概率分布和变化/退化信息，至今仍然是未知的或未确知的。类似情况的产品很多，例如航天航空飞行器、高速运载工具、风力发电机、武器与核反应堆等，不同的性能通常具有不同的概率分布和变化规律。即使是同一性能，在新产品开发和已有产品改进时，新产品性能的变化/退化规律以及性能寿命的概率分布均可能与原始的不同。诸如此类的产品寿命及其可靠性预测具有很高的社会经济效益和重大的学术价值，但现有的可靠性分析理论与评估方法难以解决这个问题，成为一个重要的科学技术难题。
发明内容
本发明的目的是提出一种性能数据伴随的产品寿命及其可靠性预测方法，以解决先验信息未知或不确定的产品性能寿命及其可靠性分析问题。为实现上述目的，本发明性能数据伴随的产品寿命及其可靠性预测方法步骤如下(I)设定产品性能评估线在某产品性能试验或者服役运行期间，设定一个产品某性能的评估线 (2)获得当前运行信息时间序列通过测量系统检测出产品关于该性能的N个测量数据，获得产品性能在当前时刻、个时间单位的当前运行信息时间序列，用向量表示为X X = (x(l), x(2), ...,X(St),…，x(N)) ;st = 1,2, ...,N (I)式中，St是产品运行寿命时间t个时间单位的序号，x(st)是第St个测量数据，N是当前运行信息时间序列X中的数据个数。(3)获得相点群采用混沌时间序列理论，对当前运行信息时间序列X进行相空间重构，获得相点群 X (St):X(st) = (x(st),…，x(st+(k_l) τ )，, x(st+(m_l) τ )) ;st = 1, 2, ···, M ；k =1,2,…，m (2)式中，M= N-(m-l) τ 是相点个数，M = N-(m_l) τ，x(St+(m_l) τ )是延迟值，τ是延迟时间，m是嵌入维数。(4)构建未来运行信息时间序列在本步骤中,基于相点群X(St),用加权零阶局域法(u = I)、加权一阶局域法(u =2)、一阶局域法(u = 3)、改进的加权一阶局域法(u = 4)和最大李雅普诺夫指数法(u =5)等5种混沌预测方法，在有效预测时间区间T内，预测产品性能，获得产品性能的5个未来运行信息时间序列Xtl(U)。加权零阶局域法(u = I)的计算公式为
ΣΧ(Οεχρ(-Λ(^ -dmm))X(M + sw) = ^—L-;L = m + l;sw=l,2,---,Tx;Tx<T (3)
Eexp(-咐
/=1式中，w是对应于时间序号st = M+sw的预测时间；sw为预测时间w的序号；Τλ为实际预测步数；τ为有效预测时间区间值，T= !/A1, A1为用混沌时间序列理论求出的最大李雅普诺夫指数。Cl1是中心点X(M+sw-l)和第I个参考点X(I1)之间的欧氏距离，U Cl1的最小值，k是一个参数(k > I), L表示有L个参考点与中心点的欧氏距离最近。加权一阶局域法(u = 2)的计算公式为
Xt (M+sw) = awe+bwXT (M+sw_1)(4)式中，e为单位列向量，aw和bw为相点演化参数。aw和bw由式(5)的线性方程组解出
^Σ 蝴 Hk-Dr) tP,t{X(h + (卜1)Γ))2 ]卜〕
权利要求
1.一种性能数据伴随的产品寿命及其可靠性预测方法，其特征在于，该方法的步骤如下 (1)在产品性能试验以及服役运行期间，设定一个产品性能的评估线； (2)检测产品性能，获得测量数据，建立产品性能的当前运行信息时间序列； (3)对当前运行信息时间序列进行相空间重构，获得相点群； (4)基于相点群，用5种混沌预测方法，在有效预测时间区间内，预测产品性能，获得产品性能的5个未来运行信息时间序列； (5)由5个未来运行信息时间序列预测出达到性能评估线的5个性能寿命数据； (6)基于5个预测的寿命数据，通过等概率可放回再抽样处理，获得大量的性能寿命生成数据； (7)由性能寿命生成数据预测出未来产品性能寿命的概率密度函数； (8)由未来产品性能寿命的概率密度函数预测出未来产品性能寿命的可靠性函数，完成产品性能寿命及其可靠性预测。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(2)是利用混沌时间序列理论对当前运行信息时间序列进行相空间重构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(3)对当前运行信息时间序列X进行相空间重构，获得相点群X(St)X(st) = (x(st),…，x(st+(k-l) T )，…，x(st+(m-l) T )) ;st = 1,2,…，M ;k = I,2,…，m (2) 式中，M = N-(m-1) T是相点个数，M = N-(m-1) x，x(St+(m_l) x )是延迟值，t是延迟时间，m是嵌入维数。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(4)中5种混沌预测方法是加权零阶局域法(u = I)、加权一阶局域法(u = 2)、一阶局域法(u = 3)、改进的加权一阶局域法(u = 4)和最大李雅普诺夫指数法(u = 5)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述加权零阶局域法(U=I)的计算公式为
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于由五种混沌预测方法中的任一种可以求出在预测时间w时的一个预测相点X(M+sw)，预测相点X(M+sw)的最后I个数据x(M+sw+ (m-1) T就是在预测时间w时的I个预测值Xci(u, sw),则采用5种混沛预测方法就可以计算出产品性能的5个未来运行信息时间序列Xci(U) X0 (u) = {x0 (u, sw)}={xu(M+sw+ (m-1) T )} ；u = I, 2, ...,5 (8) 式中，X(l(u，sw)是采用第u个混沌预测方法在预测时间w时的预测值，xu(M+sw+(m-l)T )是采用第u个混沌预测方法在预测时间w时的预测相点X(M+sw)的最后I个数据。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于所述步骤(5)是在产品性能评估线附近选取未来运行信息时间序列的子序列，用多项式拟合子序列，得到未来运行信息函数，将产品性能评估线代入该函数，得到满足性能评估线的性能寿命方程，从该方程求出满足性能评估线的性能寿命数据。
全文摘要
本发明涉及一种性能数据伴随的产品寿命及其可靠性预测方法，首先设定一个产品性能的评估线，获得产品性能测量数据，建立当前运行信息时间序列；进行相空间重构获得相点群；预测产品性能，获得产品性能的5个未来运行信息时间序列；预测出达到性能评估线的5个性能寿命数据；获得大量的性能寿命生成数据；预测出未来产品性能寿命的概率密度函数，进而预测出其可靠性函数，完成产品性能寿命及其可靠性预测；本方法根据产品性能的当前运行信息就能够获取未来时刻产品性能寿命的概率密度函数，进而建立未来产品性能寿命与可靠性函数，有助于实时预报未来时刻产品的性能寿命及其可靠性，及时发现产品性能变化/退化和失效隐患，避免发生恶性事故。
文档编号G06Q10/04GK102682344SQ20121000362
公开日2012年9月19日 申请日期2012年1月7日 优先权日2012年1月7日
发明者卢阳, 呂陶梅, 夏新涛, 尚艳涛, 金银平, 马涛 申请人:河南科技大学