一种工况分析判定方法及系统与流程

本发明涉及一种测试性技术领域，特别是涉及一种工况分析判定方法及系统。

背景技术：

phm(prognosticandhealthmanagement，故障预测与健康管理)是综合利用现代信息技术、人工智能技术的最新研究成果而提出的一种全新的管理健康状态的解决方案，一般应具备故障检测、故障隔离、增强的诊断、性能检测、故障预测、健康管理、部件寿命追踪等能力。

系统仿真就是根据系统分析的目的，在分析系统各部分相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行定性或定量分析，以获得所需的各种信息。

正交试验是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，根据小样本的正交试验结果，推算出更多的工况结果。

目前phm系统一般通过现有物理设备的自动化控制系统、生产管理系统和新置的传感器来采集现实环境下的数据，然后再通过统计分析、大数据分析和深度学习来构建相关的故障预测和健康管理模型。实际上phm实施过程中存在关键监测量无法测量，且工况的情况复杂，无法对每一种工况组合都进行诊断与分析。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种工况分析判定方法及系统，用于解决现有技术中实际上phm实施过程中存在关键监测量无法测量，传感器无法安装的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种工况分析判定方法，所述工况分析判定方法包括以下步骤：

获取多个用于表征设备工作状况的第一类参数；

对多个所述第一类参数界定划分，获得多个第二类参数；

对多个所述第二类参数进行正交试验法处理，获得多个基准工况参数；

对多个所述基准工况参数进行系统仿真处理，获得多个系统仿真结果值；

采集所述设备的实际工作过程的多个实际工况参数；

根据所述基准工况参数以及所述系统仿真结果值，对多个所述实际工况参数与所述基准工况值进行对比，得到实际结果值；

根据所述实际工况参数和所述实际结果值对所述设备的工作状况进行判定。

可选的，所述对多个所述第一类参数界定划分，获得多个第二类参数包括以下步骤：

根据所述第一类参数的取值范围，对所述第一类参数进行取值等级划分，以获得多个所述第二类参数；或/和

根据所述第一类参数的种类，对所述第一类参数进行等级划分，以获得多个所述第二类参数。

可选的，工况分析判定方法还包括以下步骤：

取相邻的两组所述基准工况参数，判断相邻的两组所述基准工况参数对应的所述系统仿真结果值是否符合一预设条件，若符合，则重新选定所述第二类参数，再对所述第二类参数进行正交试验法处理，以获得多个所述基准工况参数。

可选的，所述预设条件至少包括所述相邻的两组所述基准工况参数对应的所述仿真结果值相同。

可选的，所述根据所述基准工况参数以及所述系统仿真结果值，对多个所述实际工况参数与所述基准工况值进行对比包括以下步骤：

判断所述实际工况参数的取值与所述基准工况参数的取值是否相同；

若是，根据所述基准工况参数对应的系统仿真结果值得到所述实际工况参数的实际结果值；

若否，根据所述基准工况参数以及系统仿真结果值，以所述基准工况参数相对所述实际工况参数的近邻度作为加权值，通过内插值算法获得所述实际工况参数的实际结果值。

本发明还提供一种工况分析判定系统，包括：

数据采集模块，用于获取多个用于表征设备工作状况的第一类参数；

数据处理模块，用于对所述第一类参数进行处理；

数据监测模块，用于采集所述设备的实际工作过程的多个实际工况参数；

决策模块，用于根据所述基准工况参数以及所述系统仿真结果值，对多个所述实际工况参数与所述基准工况值进行对比，得到实际结果值；并根据所述实际工况参数或/和所述实际结果值对所述设备的工作状况进行判定；

其中，所述数据处理模块包括：

工况界定单元，用于对多个所述第一类参数界定划分，获得多个第二类参数；

正交试验单元，用于对多个所述第二类参数进行正交试验法处理，获得多个基准工况参数；

系统仿真单元，用于对多个所述基准工况参数进行系统仿真处理，获得多个系统仿真结果值。

可选的，所述工况界定单元根据所述第一类参数的取值范围，对所述第一类参数进行取值等级划分，以获得多个所述第二类参数；或/和

根据所述第一类参数的种类，对所述第一类参数进行等级划分，以获得多个所述第二类参数。

可选的，取相邻的两组所述基准工况参数，通过所述处理模块判断相邻的两组所述基准工况参数对应的所述系统仿真结果值是否符合一预设条件，若符合，则重新选定所述第二类参数，再对所述第二类参数进行正交试验法处理，以获得多个所述基准工况参数；

其中，所述预设条件至少包括所述相邻的两组所述基准工况参数对应的所述仿真结果值相同。

可选的，通过所述决策模块判断所述实际工况参数的取值与所述基准工况参数的取值是否相同；

若是，根据所述基准工况参数对应的系统仿真结果值得到所述实际工况参数的实际结果值；

若否，根据所述基准工况参数以及系统仿真结果值，以所述基准工况参数相对所述实际工况参数的近邻度作为加权值，通过内插值算法获得所述实际工况参数的实际结果值。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述的工况分析判定方法。

本发明还提供一种电子终端，其包括处理器与存储器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行上述工况分析判定方法。

如上所述，本发明的工况分析判定方法首先界定所有工况范围，然后依据正交试验法选择部分工况集合和边界工况集合，对每一个选择的工况做系统仿真，获得对应的仿真结果集合。针对现实中的新工况，可根据仿真结果集合运用内插值算法，在不再做系统仿真的情况下，就能监测待测节点的相关结果，提高phm的诊断和预测能力。

附图说明

图1显示为本发明的工况分析判定方法流程示意图。

图2显示为本发明的工况分析判定系统结构示意图

元件标号说明

10工况分析判定系统

100数据采集模块

200数据监测模块

300决策模块

400数据处理模块

410工况界定单元

420正交试验单元

430系统仿真单元

s10～s70步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种工况分析判定方法，所述工况分析判定方法包括以下步骤：

s10：获取多个用于表征设备工作状况的第一类参数；

s20：对多个所述第一类参数界定划分，获得多个第二类参数；

s30：对多个所述第二类参数进行正交试验法处理，获得多个基准工况参数；

s40：对多个所述基准工况参数进行系统仿真处理，获得多个系统仿真结果值；

s50：采集所述设备的实际工作过程的多个实际工况参数；

s60：根据所述基准工况参数以及所述系统仿真结果值，对多个所述实际工况参数与所述基准工况值进行对比，得到实际结果值；

s70：根据所述实际工况参数和所述实际结果值对所述设备的工作状况进行判定。

在某些实施方式中，步骤s20：对多个所述第一类参数界定划分，获得多个第二类参数包括以下步骤：

根据所述第一类参数的取值范围，对所述第一类参数进行取值等级划分，以获得多个所述第二类参数；或/和

根据所述第一类参数的种类，对所述第一类参数进行等级划分，以获得多个所述第二类参数。

在某些实施例中，以一结晶器设备为例来说明本发明提供的工况分析判定方法。结晶器是钢铁冶炼工业中将钢水结晶凝固为板坯的主要设备。具体的，对结晶器的工作过程进行分析，可以得到包括槽形容器的两端的振动位移(波形，振幅，频率)，板坯拉速，铸坯规格尺寸(宽度，厚度)，钢水温度等共多个影响该设备工作的主要参数，可以将这些主要参数定义为第一类参数。

一般的，结晶器是承接从中间罐注入的钢水并使之按规定断面形状凝固成坚固坯壳的连续铸钢设备。由框架、槽形容器、振动系统、润滑系统、冷却系统组成。槽形容器安装在框架上，接收来自钢包中的钢水，在振动系统驱动下开始有周期的振动工作，通过冷却系统将钢水变成铸坯。

在某些实施例中，上述的多个参数还存在着不同的取值范围以及等级，诸如振动位移由波形、振幅和频率组成，具体操作中，波形可以是三角波或正弦波、振幅的取值一般可以为1.8mm～6mm，频率的取值可以为1～4hz。根据液压系统或者电动系统的工作范围以及结晶器可容许的位移加载条件确定在不同波形条件下振幅和频率的范围和等级；另外根据不同钢种材料确定不同的钢水温度，钢水温度取值可以为1300℃～1500℃，然后根据用户需求确定铸坯的规格尺寸，诸如一般宽1000mm～2000mm，厚100mm～400mm范围，根据温度和尺寸确定拉速，拉速一般1m/min～4m/min(米/每分)的范围和等级。因此，可以根据不同的参数的取值范围，对各个参数进行取值以及等级划分，如以参数振幅为例，振幅的取值可以为1.8mm、3mm和6mm三个等级，每一个参数皆可以取不特定的多个值或多个等级，可选的，将这些经过取值范围划分以及等级划分的参数定义为第二参数。可选的，第一类参数包括波形，以波形为例，波形可以是三角波或正弦波，波形不是具体的取值或者取值范围，因此鉴于波形有不同的种类，可以对波形进行等级划分，诸如划分为三角波和正弦波。如此，就可以得到多种工况参数的组合，即获得多个第二类参数。界定每个第一类参数即工况参数取值的极值范围和等级划分，按工艺特点划分若干个等级，便于接下来进行正交试验确定基准工况参数。

一般的，有数值范围的参数的取值可以包括取两个边界值即取最大值和最小值。如此，鉴于每个参数的取值多样，多个第二类参数的数量多，因此根据多个第二类参数选择的试验组合有多种。诸如，可以选择的进行正交试验的组合有多种，可以以振动位移的波形为三角波、振幅为1.8mm、频率为1hz、钢水温度为1300℃四个参数为一种组合，也可以其他数量个数的参数为一种组合，具体组合可依据用户的实际需求进行选择组合，数量不限于四个，各个参数的取值不限于是仅取极值。一方面，参数组合的多样性可以丰富样本的容量，但是，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施，根据全面试验的结果进行系统仿真，试验数量大，根据不同的数量的参数组合及进行系统仿真，一般需要建立多个模型，工作量大。因此，在获得丰富的样本量的技术上进行正交试验设计，正交试验是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，根据小样本的正交试验结果，可以推算出更多的工况结果。

在某些实施方式中，采用正交试验法，即采用可使工况参数取值具备均衡性与正交性特点的正交表设计方式。初步假设10因子2水平，即10个工艺参数，每个参数只取极小值和极大值2个水平。由于参数很多，每个参数只设定了极值两个水平，以减少首次正交试验个数；当参数数量较少时，可适时在中间添加典型取值的水平。可选的，采用分辨率为iv的1/16部分实施的试验设计。在正交试验法中，分辨率iv表示为各主效应之间、主效应与二阶交互效应之间无混杂，而主效应与三阶交互效应之间、两个二阶交互效应之间主效应相混杂。根据各个参数的取值档位，可以筛选出需要进行系统仿真的32种基准工况参数，这些基准工况参数一般包括极值工况参数或典型工况参数。如此，通过正交试验法挑选出部分有代表性的样本即基准工况参数，这些有代表性的样本具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，减少了系统仿真的实验次数。可选的，典型工况参数指的是该设备长期运行状态的主要工况描述，极值工况参数指的是该系统偶然发生的位于工作能力边界的工况描述，诸如以钢水温度为例，钢水温度的取值范围为1300℃～1500℃，可以理解，1300℃和1500℃就皆属于极值工况参数。

在某些实施方式中，以结晶器设备为例，据结晶器设备的机械结构、液压系统和控制系统，建立对应的仿真模型，并采用系统仿真的方法，对每一个由正交试验设计的基准工况参数进行了系统仿真，得到多个系统仿真结果值。

在某些实施方式中，工况分析判定方法还包括以下步骤：

取相邻的两组所述基准工况参数，判断相邻的两组所述基准工况参数对应的所述系统仿真结果值是否符合一预设条件，若符合，则重新选定所述第二类参数，再对所述第二类参数进行正交试验法处理，以获得多个所述基准工况参数。

在某些实施方式中，所述预设条件至少包括所述相邻的两组所述基准工况参数对应的所述仿真结果值相同。

在某些实施方式中，需要对系统仿真结果值进行验证，以结晶器设备为例进行说明，例如得到的基准工况参数中包含参数振幅，且振幅的取值可以分为1.8mm与6mm，一般的，这两个值可以理解为设备正常工作条件下的极值，振幅小于1.8mm或者振幅大于6mm设备则偏离正常工作状况。当振幅的取值为1.8mm是时得到的仿真结果值与振幅为6mm时得到的仿真结果值相同，或者两个不同振幅值得到的系统仿真结果值相差过小，可以认为振幅对设备的工作状况影响很小，此时可以重新设计选择第二类参数，诸如此时选定的多个第二类参数中剔除振幅参数，再对第二类参数进行正交试验设计得到多个基准工况参数，再对基准工况参数进行系统仿真，得到多个系统仿真结果值，此时得到的系统仿真结果值可以认定为合格的。上述判定系统仿真结果值不限于仅对一种参数即仅对振幅进行分析，还以对其他各个参数对应的系统仿真结果值进行判定。

此外，在某些实施例中，对系统仿真结果值进行验证，以结晶器设备为例进行说明，例如得到的基准工况参数中包含参数振幅，且振幅的取值可以分为1.8mm与6mm，经过系统仿真后得到的两个系统仿真结果值相差过大，无法确定该参数对应的约束条件，可以将振幅理解为敏感参数，则可以重新补充设计，即加密敏感参数的取值等级，诸如，此时对振幅的取值可以是1.8mm、3mm、4.5mm与6mm。加密敏感参数后，再进行正交试验法处理得到需要进行系统仿真处理的基准工况参数，得到多个系统仿真结果值。此时的预设条件是指，相邻的两组所述基准工况参数对应的所述系统仿真结果值相差过大。上述判定系统仿真结果值不限于仅对一种参数即仅对振幅进行分析，还以对其他各个参数对应的系统仿真结果值进行判定。在此，仅以振幅为例进行说明。

在某些实施例中，对系统仿真结果值进行验证，以结晶器设备为例进行说明，例如得到的基准工况参数中包含参数振幅，且振幅的取值可以分为1.8mm、3mm与6mm，振幅为1.8mm对应的系统仿真结果值与振幅为3mm对应的系统仿真结果值相同或者差异过小，而振幅为1.8mm与振幅为6mm对应的两个系统仿真结果值有明显的差异，则可以将振幅参数理解为非敏感参数，此时可以对非敏感参数进行稀疏处理，即重新选定振幅的值为1.8mm与6mm，再进行系统仿真处理得到两个振幅值对应系统仿真结果值。此时得到的系统仿真结果值可以认定为合格的。上述判定系统仿真结果值不限于仅对一种参数即仅对振幅进行分析，还以对其他各个参数对应的系统仿真结果值进行判定。

如此，通过对系统仿真结果值的验证，提高了系统仿真结果的可靠性，可以根据系统仿真的结果值建立一可靠的数据库，当检测到设备的实际工况参数的值落入第二类参数的范围，可以通过对实际值与数据库进行匹配，以直接得到实际工况参数的值的系统仿真结果值，不用再进行系统仿真。

在某些实施方式中，步骤s60：根据所述基准工况参数以及所述系统仿真结果值，对多个所述实际工况参数与所述基准工况值进行对比，得到实际结果值还包括以下步骤：

判断所述实际工况参数的取值与所述基准工况参数的取值是否相同；

若是，根据所述基准工况参数对应的系统仿真结果值得到所述实际工况参数的实际结果值；

若否，根据所述基准工况参数以及系统仿真结果值，以所述基准工况参数相对所述实际工况参数的近邻度作为加权值，通过内插值算法获得所述实际工况参数的实际结果值。

在某些实施方式中，以结晶器设备为例进行说明，以钢水的温度作为一种参数进行说明，例如，基准工况参数中的参数钢水的温度的取值为1300℃～1500℃，选定进行系统仿真的温度为1300℃与1500℃，相应的得到钢水的温度为1300℃的系统仿真结果值以及1500℃的系统仿真结果值。若结晶器设备实际工作中，钢水的温度为1300℃，此时就可以根据系统仿真结果直接得到1300℃对应的系统仿真结果值；若设备实际工作中钢水的温度是1400℃，此时可以根据基准工况参数中的参数钢水的温度的1300℃与1500℃及相应的钢水的温度为1300℃的系统仿真结果值以及1500℃的系统仿真结果值，以所述基准工况参数相对所述实际工况参数的近邻度作为加权值，通过内插值算法获得实际工况参数及钢水的温度为1400℃对应的实际结果值。

如此，当实际检测到的工况参数的值落入第二类参数范围，可以不对实际工况的参数的具体值进行仿真就可以得到相应的系统仿真结果，无需对实际测量的各个参数的每一个值再一一进行系统仿真，如此可以更加快速的得到实际工况各个不同参数值或者参数等级对应的系统仿真结果值。如此，根据实际工况参数和实际结果值可以对设备的工作状况进行判定，得到的实际参数值或参数等级对应的系统仿真结果值可以直接作为或者间接转换为phm系统需要的物理量，phm系统可以根据结果值对设备进行健康管理，诸如，phm系统可以分析设备是工作在典型工况条件下还是极值工况条件下。当设备长期工作在极值工况条件下，诸如对于结晶器设备而言，其钢水的温度为1500℃，传感器对此参数进行获取再进行系统仿真，再由phm系统根据仿真结果进行分析，以达到对结晶器设备的健康进行管理，鉴于钢水的温度异常高，对于检测该温度值的传感器的要求高，且传感器在极端条件下还会出现失灵或是高误差，因此实现难度大，且成本高昂。本发明通选定参数并划分等级，通过正交试验法得到基准工况参数，对基准工况参数进行系统仿真得到系统仿真结果值，得到实际工况参数后，以所述基准工况参数相对所述实际工况参数的近邻度作为加权值，通过内插值算法获得所述实际工况参数的实际结果值，可以减少传感器的实用，针对现实中的新工况，可根据仿真结果集合运用内插值算法，在不再做系统仿真的情况下，就能监测待测节点的相关结果，可与现实中的phm监测数据对标或者形成互补，提高phm的诊断和预测能力。

另外，本发明采用正交试验法，使得整个过程可以在减少试验次数的基础上，使试验具有典型性、整齐可比性，实现工况的最优化和布点的高效化、可靠化。

在某些实施方式中，系统仿真可以是有限元分析、联合仿真、半实物仿真等单独仿真方法或者多种仿真方法的组合，具体的，可以根据不同的设备的实际条件进行选择，在此不做限制。

上述仅以结晶器设备为例来说明本发明的工况分析判定方法，本发明提供的工况分析判定方法还适用于水泵、发动机或内燃机等，然不限于此。

本发明还提供一种工况分析判定系统10，包括：

数据采集模块100，用于获取多个用于表征设备工作状况的第一类参数；

数据处理模块400，用于对所述第一类参数进行处理：

数据监测模块200，用于采集所述设备的实际工作过程的多个实际工况参数；

决策模块300，用于根据所述基准工况参数以及所述系统仿真结果值，对多个所述实际工况参数与所述基准工况值进行对比，得到实际结果值；并根据所述实际工况参数或/和所述实际结果值对所述设备的工作状况进行判定。

在某些实施方式中，数据处理模块400包括：

工况界定单元410，用于对多个所述第一类参数界定划分，获得多个第二类参数；

正交试验单元420，用于对多个所述第二类参数进行正交试验法处理，获得多个基准工况参数；

系统仿真单元430，用于对多个所述基准工况参数进行系统仿真处理，获得多个系统仿真结果值。

可选的，工况界定单元410根据所述第一类参数的取值范围，对所述第一类参数进行取值等级划分，以获得多个所述第二类参数；或/和

根据所述第一类参数的种类，对所述第一类参数进行等级划分，以获得多个所述第二类参数。

可选的，工况分析判定系统10选取相邻的两组所述基准工况参数，通过所述处理模块400判断相邻的两组所述基准工况参数对应的所述系统仿真结果值是否符合一预设条件，若符合，则重新选定所述第二类参数，再对所述第二类参数进行正交试验法处理，以获得多个所述基准工况参数；

其中，所述预设条件至少包括所述相邻的两组所述基准工况参数对应的所述仿真结果值相同。

在某些实施方式中，通过所述决策模块300判断所述实际工况参数的取值与所述基准工况参数的取值是否相同；

若是，根据所述基准工况参数对应的系统仿真结果值得到所述实际工况参数的实际结果值；

若否，根据所述基准工况参数以及系统仿真结果值，以所述基准工况参数相对所述实际工况参数的近邻度作为加权值，通过内插值算法获得所述实际工况参数的实际结果值。

本发明提供的工况分析判定系统10可以实现本发明提供的工况分析判定方法，对应的具体实施以及相应的有益效果在此不再赘述。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述的工况分析判定方法。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。