Кіріспе
инженерлік сала Прогноздау – жүйе немесе компонент өзінің көздеген қызметін тоқтатар уақытын болжауға бағытталған инженерлік сала. Мұндай өнімділіктің төмендеуі көбінесе жүйе қажетті деңгейде жұмыс істеуге жарамсыз болатын жағдайға әкеп соқтырады. Болжамдалған уақыт – қалған пайдалы өмір (RUL) деп аталады, бұл төтенше жағдайларды болдырмау үшін шешім қабылдауда маңызды ұғым. Прогноздау жүйенің қалыпты жұмыс жағдайларынан ауытқуын немесе нашарлауын бағалау арқылы компоненттің болашақ өнімділігін болжайды. Прогноздау ғылымы ақаулық түрлерін талдау, тозу мен ескірудің бастапқы белгілерін анықтау және ақаулық жағдайларын зерттеуге негізделген. Тиімді прогноздау шешімі жүйенің нашарлауына және соңғы сәтсіздікке әкелетін ақаулық механизмдері жақсы түсінілген кезде іске асырылады. Сондықтан өнімдегі мүмкін болатын ақаулар туралы бастапқы ақпарат (оның орны, түрі, себебі және механизмі) болуы қажет. Мұндай білім жүйенің қандай параметрлерін бақылау қажеттігін анықтау үшін маңызды. Прогноздауды қолданудың әлеуетті салаларының бірі – жағдайға негізделген техникалық қызмет көрсету. Ақаулық механизмдерін зерттеуді жүйе өмірлік циклінің басқаруымен байланыстыратын сала көбінесе прогноздау және денсаулықты басқару (PHM) деп аталады, кейде жүйе денсаулықты басқару (SHM) немесе көлік саласында көлік құралы денсаулықты басқару (VHM) немесе қозғалтқыш денсаулықты басқару (EHM) деп те айтылады. Прогноздау үшін модельдер құруға қатысты техникалық тәсілдерді кеңінен деректерге негізделген тәсілдер, модельге негізделген тәсілдер және гибридтік тәсілдер деп бөлуге болады.
Prognostics is an engineering discipline focused on predicting the time at which a system or a component will no longer perform its intended function. This lack of performance is most often a failure beyond which the system can no longer be used to meet desired performance. The predicted time then becomes the remaining useful life (RUL), which is an important concept in decision making for contingency mitigation. Prognostics predicts the future performance of a component by assessing the extent of deviation or degradation of a system from its expected normal operating conditions. The science of prognostics is based on the analysis of failure modes, detection of early signs of wear and aging, and fault conditions. An effective prognostics solution is implemented when there is sound knowledge of the failure mechanisms that are likely to cause the degradations leading to eventual failures in the system. It is therefore necessary to have initial information on the possible failures (including the site, mode, cause and mechanism) in a product. Such knowledge is important to identify the system parameters that are to be monitored. Potential uses for prognostics is in condition based maintenance. The discipline that links studies of failure mechanisms to system lifecycle management is often referred to as prognostics and health management (PHM), sometimes also system health management (SHM) or—in transportation applications—vehicle health management (VHM) or engine health management (EHM). Technical approaches to building models in prognostics can be categorized broadly into data driven approaches, model based approaches, and hybrid approaches.
Деректерге негізделген болжау
Деректерге негізделген диагностика әдетте жүйе күйіндегі өзгерістерді анықтау үшін үлгіні тану және машиналық оқыту техникаларын қолданады. Сызықтық емес жүйелерді болжаудың классикалық деректерге негізделген әдістеріне авторегрессиялық (AR) модель, шектік AR модель, билинейрлік модель, проекциялық іздеу, көптүрлі бейімделуші регрессиялық сплайндар және Вольтерра қатарларын кеңейту сияқты стохастикалық модельдерді пайдалану кіреді. Соңғы он жылда деректерге негізделген жүйе күйін болжаудағы қызығушылық әртүрлі нейрондық желілер (НЖ) және нейрондық бұлыңғыр (НБ) жүйелер сияқты икемді модельдерді қолдануға бағытталды. Деректерге негізделген тәсілдер жүйе жұмысының алғашқы принциптерін толық түсінбеген немесе жүйе тым күрделі болған жағдайда, дәл модельді жасау тым қымбат болғанда тиімді. Сондықтан деректерге негізделген тәсілдердің басты артықшылығы – оларды басқа тәсілдерге қарағанда жылдам және арзан қолдануға болады, сондай-ақ жүйеге кең ауқымды қамтуды қамтамасыз ете алады (мысалы, физикалық модельдерге қарағанда, олардың ауқымы тар болуы мүмкін). Басты кемшілігі – деректерге негізделген тәсілдердің сенімділік интервалы басқа тәсілдерге қарағанда кең болуы мүмкін және оларды оқыту үшін көп деректер қажет. Деректерге негізделген тәсілдерді парктік статистика және сенсорлық бақылауға бөлуге болады. Сонымен қатар, деректерге негізделген әдістер домендік білімді қамтитын циклдарды санау техникаларын да қамтиды. Екі негізгі деректерге негізделген стратегия: (1) жиынтық зақымдануды (немесе, баламалы түрде, күйін) модельдеу және содан кейін зақымдану (немесе күй) шегіне экстраполяциялау, немесе (2) деректерден тікелей қалған пайдалы өмірді анықтау. Айтылғандай, басты кедергі – әсіресе жаңа жүйелер үшін, жұмысты тоқтату деректерін алудың қиындығы, өйткені жүйелерді тоқтатуға дейін жұмыс істеу ұзақ және қымбат процеске айналуы мүмкін. Болашақтағы пайдалану өткенге қарағанда өзгеше болған жағдайда (көптеген стационарлық емес жүйелерде), болашақтағы барлық мүмкін пайдалануларды қамтитын деректерді жинау (жүктеме және қоршаған орта жағдайлары) көбінесе мүмкін емес. Деректер болған жағдайда да, деректерге негізделген тәсілдердің тиімділігі жүйелік операциялық деректердің мөлшеріне ғана емес, сапасына да байланысты. Бұл деректер көздері температура, қысым, май қалдықтары, ток, кернеу, қуат, діріл және акустикалық сигналдар, спектрометриялық деректер, сондай-ақ калибрлеу және калориметриялық деректерді қамтуы мүмкін. Деректерді пайдалану үшін оларды алдын ала өңдеу қажет. Әдетте екі процедура орындалады: i) шуды жою және ii) ерекшеліктерді анықтау. Шуды жою – деректерге шудың әсерін азайту немесе жою. Ерекшеліктерді анықтау маңызды, өйткені бүгінгі деректерге зәру әлемде сенсорлық өлшемдерді пайдалану арқылы көптеген деректер жиналады, оларды тікелей қолдану қиын. Сондықтан домендік білім мен статистикалық сигналды өңдеу (көбінесе) шулы, жоғары өлшемді деректерден маңызды ерекшеліктерді анықтау үшін қолданылады.
Физикаға негізделген болжау
Физикаға негізделген болжамдар (кейде модельге негізделген болжамдар деп аталады) жүйенің физикалық түсінігін (физикалық модельдерді) қалған пайдалы өмірді (RUL) бағалауға енгізуге бағытталған. Физикалық модельдеу әртүрлі деңгейде жүзеге асырылуы мүмкін, мысалы, микро және макро деңгейлерде. Микродеңгейде (материалдық деңгей деп те аталады) физикалық модельдер, жүйе/компоненттің зақымдануы (немесе тозуы) мен жүйе/компонент жұмыс істейтін қоршаған орта және пайдалану жағдайлары арасындағы қатынастарды белгілі бір уақытта немесе жүктеме циклында анықтайтын динамикалық теңдеулер тізбегі арқылы көрініс табады. Микродеңгейлі модельдер көбінесе зақымдану таралуының моделі деп аталады. Мысалы, шарлы подшипниктерге қатысты Ю және Харристің шаршауға төзімділік моделі, подшипниктердің шаршауға төзімділік өмірін туындаған кернеуге байланыстырады, Париж және Эрдоғанның жарықтардың өсу моделі, сондай-ақ стохастикалық ақаулық таралуының моделі – микродеңгейлі модельдердің басқа мысалдары. Критикалық зақымдану қасиеттерін (мысалы, механикалық компоненттің кернеуі немесе деформациясы) өлшеу сирек мүмкін болғандықтан, кернеу/деформация мәндерін анықтау үшін сезімтал жүйе параметрлерін пайдалану қажет. Микродеңгейлі модельдер осы тәсілдің маңызды шектеулерін тудыруы мүмкін болжамдар мен жеңілдетулерді белгісіздікті басқаруда ескеруі керек. Макродеңгейлі модельдер – жүйелік деңгейдегі математикалық модельдер, олар жүйелік кіріс айнымалылары, жүйелік күй айнымалылары және жүйелік өлшемдер айнымалылары/шығыстары арасындағы қатынасты анықтайды, мұнда модель көбінесе жүйеге біршама оңайлатылған бейнелеу болып табылады, мысалы, жиынтық параметрлік модель. Бұл жағдайда, белгілі бір тозу режимінің дәлдігін төмендету есебінен қамтуды арттыруға болады. Егер мұндай келісімге қол жеткізілсе, прототипті жылдам жасауға мүмкіндік туады. Алайда, жүйелер күрделі болған жағдайда (мысалы, газ турбиналық қозғалтқыш), тіпті макродеңгейлі модельді жасау да уақытты көп алатын және еңбекті қажет ететін процесс болуы мүмкін. Нәтижесінде, барлық жүйелердің субсистемалары үшін макродеңгейлі модельдер толыққанды қолжетімді болмауы мүмкін. Пайда болған жеңілдетулерді белгісіздікті басқаруда ескеру қажет.
Гибридті тәсілдер
Гибридті тәсілдер деректерге негізделген және модельге негізделген тәсілдердің артықшылықтарын біріктіруге тырысады. Іс жүзінде, қолданылатын тәсілдердің толығымен деректерге негізделген немесе толығымен модельге негізделген болуы сирек кездеседі. Көбінесе модельге негізделген тәсілдер деректерге негізделген тәсілдердің кейбір элементтерін қамтиды, ал деректерге негізделген тәсілдер модельдерден қолжетімді ақпаратты пайдаланады. Мысалы, модель параметрлері өрісте алынған деректер арқылы реттелуі мүмкін. Екінші мысал ретінде, деректерге негізделген тәсіл үшін белгіленген мән, қателік немесе нормалау коэффициенті модельдермен берілген жағдайды қарастыруға болады. Гибридті тәсілдерді жалпы екі санатқа бөлуге болады: 1) алдын ала болжамдарды біріктіру және 2) болжамдардан кейін біріктіру.
Модельдер мен деректерді біріктіруді алдын ала бағалау
Алдын ала бағалауды агрегациялаудың себебі нақты деректердің болмауы болуы мүмкін. Бұл диагностика жүйелік іркіліс пайда болғанға дейін (жөндеу арқылы) шешілетін ақауларды жақсы анықтайтын жағдайларда кездесуі мүмкін. Сондықтан, іркіліске дейін жету туралы деректер аз болады. Дегенмен, жүйе қалған пайдалы өмірін тиімдірек пайдалану үшін, сондай-ақ жоспардан тыс техникалық қызмет көрсетуден (жоспардан тыс техникалық қызмет көрсету әдетте жоспарлы техникалық қызмет көрсетуден қымбатқа түседі және жүйенің тоқтауына әкеледі) аулақ болу үшін, жүйенің қашан іркіліске ұшырайтынын білуге қызығушылық бар. Гарга және авторлар домендік білімді қолдана отырып, нейрондық желінің құрылымын өзгертетін, осылайша желінің ықшамдатылған бейнесін құратын алдын ала бағалауды агрегациялаудың гибридтік тәсілін ұсынады. Алдын ала бағалауды агрегациялаудың тағы бір жолы – офлайн және онлайн процестерді біріктіру: офлайн режимінде сенсорлық реакцияның ақаулық күйімен байланысын түсіну үшін физикалық модельдеуді қолдануға болады; онлайн режимінде ағымдағы зақымдану күйін анықтау үшін деректерді пайдалануға, содан кейін зақымданудың таралуын бақылауға және, соңында, қалған өмірді болжау үшін жекелендірілген деректерге негізделген таралу моделін қолдануға болады. Мысалы, Хорасагани және авторлар электролиттік конденсаторлардың іркіліс физикасын модельдеді. Содан кейін олар бөлшектік сүзгі тәсілін қолданып, ыдырау моделінің динамикалық формасын туындырып, конденсатордың ағымдағы жай-күйін бағалады. Бұл модель конденсаторлардың қалған пайдалы өмірін (RUL) жылулық стресс жағдайларына ұшыраған кезде дұрыс бағалау үшін қолданылады.
Эксперттік бағалаудан кейінгі модельдік әдістерді деректерге негізделген әдістермен біріктіру
Есептеуден кейінгі біріктірудің себебі көбінесе белгісіздікті басқару қажеттілігі болып табылады. Яғни, есептеуден кейінгі біріктіру деректерге негізделген немесе модельге негізделген әдістердің белгісіздік интервалдарын тарылтуға көмектеседі. Сонымен қатар, дәлдік артады. Бұл тұжырымның мәні – бірнеше ақпарат көздері бағалаушының өнімділігін жақсартуға мүмкіндік береді. Бұл принцип классификаторларды біріктіру контекстінде табысты қолданылды, онда бірнеше классификаторлардың нәтижелері жеке классификатордың нәтижесінен жақсы нәтиже алу үшін пайдаланылады. Прогноздау саласында біріктіруді әртүрлі кіріс деректеріне сүйенген жеке бағалаушыларға сапалық бағалаулар тағайындау арқылы жүзеге асыруға болады, мысалы, эвристикалық тәсілдер, бұрыннан белгілі өнімділік, болжам көкжиегі немесе болжамның тұрақтылығы.
Прогноздардың белгісіздігі
Болжамның дәлдігіне әсер ететін көптеген белгісіздік параметрлері бар. Оларды былай жіктеуге болады: жүйе параметрлерінің белгісіздігі: бұл жүйе физикалық параметрлерінің (қарсылық, индуктивтілік, серпімділік, сыйымдылық және т.б.) мәндерінің белгісіздігіне қатысты. Бұл белгісіздік жүйенің дамуындағы қоршаған орта мен жұмыс жағдайларына байланысты туындайды. Оны интервалдық әдістер сияқты тиісті әдістерді қолдану арқылы шешуге болады. Номиналды жүйе моделіндегі белгісіздік: бұл жүйе мінез-құлқын көрсету үшін жасалған математикалық модельдердегі дәлдіксіздіктерге қатысты. Бұл дәлдіксіздіктер (немесе белгісіздіктер) модельдеу процесінде қолданылған және жүйенің нақты мінез-құлқына толық сәйкес келмейтін модельдерге әкелетін болжамдар жиынтығының нәтижесі болуы мүмкін. Жүйе тозу моделінің белгісіздігі: тозу моделін компоненттің әртүрлі дерек үлгілерінде жүргізілетін үдетілген өмірлік сынақтардан алуға болады. Іс жүзінде, бірдей жұмыс жағдайларында жүргізілген үдетілген өмірлік сынақтардан алынған деректер әртүрлі тозу үрдісін көрсетуі мүмкін. Бұл тозу үрдістерінің айырмашылығы үдетілген өмірлік сынақтарына қатысты деректерден алынған тозу модельдерінің белгісіздігі ретінде қарастырылуы мүмкін. Болжамдағы белгісіздік: белгісіздік кез келген болжам жасау процесіне тән. Кез келген номиналды және/немесе тозу моделінің болжамдары модель параметрлерінің, қоршаған орта жағдайларының және болашақ миссия профильдерінің белгісіздігі сияқты бірнеше факторлардың әсерінен дәл болмайды. Болжамның белгісіздігін Байес және онлайн бағалау және болжам құралдарын (мысалы, бөлшек сүзгілер және Калман сүзгісі сияқты) қолдану арқылы азайтуға болады. Ақаулық шегінің белгісіздігі: кез келген ақаулықты анықтау және болжам жасау әдістерінде ақаулық шегі маңызды. Ол жүйенің істен шығу уақытын және одан кейінгі қалған пайдалы өмірді анықтайды. Іс жүзінде, ақаулық шегінің мәні тұрақты емес және уақыт өте келе өзгеруі мүмкін. Ол сондай-ақ жүйенің сипаттамасына, жұмыс жағдайларына және оның даму ортасына байланысты өзгеруі мүмкін. Осы барлық параметрлер белгісіздік тудырады, оны ақаулық шегін анықтағанда ескеру қажет. Белгісіздікті сандық бағалау мысалдарынан табуға болады.
Uncertainty in system parameters: this concerns the uncertainty in the values of the physical parameters of the system (resistance, inductance, stiffness, capacitance, etc.). This uncertainty is induced by the environmental and operational conditions where the system evolves. This can be tackled by using adequate methods such interval ones. Uncertainty in nominal system model: this concerns the imprecisions in the mathematical models which is generated to represent the behavior of the system. These imprecisions (or uncertainties) can be the result of a set of assumptions used during the modeling process and which lead to models that don't fit exactly the real behavior of the system. Uncertainty in system degradation model: the degradation model can be obtained from accelerated life tests which are conducted on different data samples of a component. In practice, the data obtained by accelerated life tests performed under the same operating conditions may have different degradation trend. This difference in the degradation trends can then be considered as an uncertainty in the degradation models derived from the data related to the accelerated life tests. Uncertainty in prediction: uncertainty is inherent to any prediction process. Any nominal and/or degradation model predictions are inaccurate which is impacted by several uncertainties such as uncertainty in the model parameters, the environmental conditions and the future mission profiles. The prediction uncertainty can be tackled by using Bayesian and online estimation and prediction tools (e. g. Particle Filters and Kalman filter etc.). Uncertainty in failure thresholds: the failure threshold is important in any fault detection and prediction methods. It determines the time at which the system fails and consequently the remaining useful life. In practice, the value of the failure threshold is not constant and can change in time. It can also change according to the nature of the system, operating conditions and in the environment which it evolves. All these parameters induce uncertainty which should be considered in the definition of the failure threshold. Examples of uncertainty quantification can be found in.
Коммерциялық аппараттық және бағдарламалық платформалар
Көптеген PHM өнеркәсіптік қолданыстары үшін коммерциялық, тікелей қолданылатын деректерді жинау аппараттық құралдары мен сенсорлар ең тиімді және кең таралған шешім болып табылады. Деректерді жинау аппараттық құралдарының коммерциялық жеткізушілеріне National Instruments және Advantech Webaccess жатады; алайда, кейбір қолданыстар үшін аппараттық құралдар қажеттілікке қарай бейімделуі немесе күшейтілуі мүмкін. PHM қолданыстары үшін қолданылатын сенсор түрлеріне акселерометрлер, температура, қысым, энкодерлер немесе тахометрлерді пайдалана отырып айналу жылдамдығын өлшеу, кернеу және ток мөлшерін электрлік түрде өлшеу, дыбыстық эмиссия, күшті өлшеуге арналған жүктемелі жасушалар, сондай-ақ орын ауыстыру немесе позицияны өлшеу кіреді. Осы өлшемдерге арналған көптеген сенсор өндірушілері бар, олардың кейбіреулері жағдайды бақылау және PHM қолданыстары үшін арнайы өнімдерді ұсынады. Деректерді талдау алгоритмдері мен үлгіні тану технологиясы қазіргі кезде кейбір коммерциялық бағдарламалық платформаларда немесе жинақталған бағдарламалық шешімдердің бөлігі ретінде қолжетімді. National Instruments қазіргі уақытта Watchdog Agent болжамдық құралдар жинағының сынақ нұсқасын ұсынады (келесі жылы коммерциялық нұсқасы шығады), бұл Ақылды техникалық қызмет көрсету жүйелері орталығы әзірлеген деректерге негізделген PHM алгоритмдерінің жинағы. 20-дан астам құралдан тұратын бұл жинақ қолтаңбаларды алу, аномалияларды анықтау, денсаулықты бағалау, ақаулықтарды диагностикалау және қажет болған жағдайда белгілі бір қолданыс үшін ақаулықтарды болжау алгоритмдерін конфигурациялауға және бейімдеуге мүмкіндік береді. Watchdog Agent құралдар жинағын пайдаланатын жекелендірілген болжамдық бақылау коммерциялық шешімдерін қазір Predictronics Corporation атты жаңадан құрылған компания ұсынады, оның негізін қалаушылары осы PHM технологиясын дамыту мен қолдануда маңызды рөл атқарды. Тағы бір мысал – MATLAB және оның Predictive Maintenance Toolbox құралы, бұл деректерге және модельге негізделген әдістерді қолдана отырып, деректерді зерттеу, алу және бағалау үшін функциялар мен интерактивті қосымшаны қамтамасыз етеді, соның ішінде статистикалық, спектрлік және уақыт қатарларын талдау. Бұл құралға сонымен қатар моторлар, беріліс қораптары, аккумуляторлар және басқа да машиналар үшін анықтамалық мысалдар кіреді, оларды бейімделген болжамдық техникалық қызмет көрсету және жағдайды бақылау алгоритмдерін әзірлеу үшін қайта пайдалануға болады. Басқа коммерциялық бағдарламалық қамтамасыз ету ұсыныстары аномалияларды анықтау және ақаулықтарды диагностикалау үшін бірнеше құралдарға бағытталған және әдетте құралдар жинағын ұсынудың орнына жинақталған шешім ретінде ұсынылады. Мысалы, Smart Signals аномалияны анықтаудың аналитикалық әдісі, ол автоассоциативтік типтегі модельдерге (ұқсастық негізінде модельдеу) негізделген, сигналдардағы номиналды корреляциялық қатынастағы өзгерістерді іздейді, күтілетін және нақты өнімділік арасындағы айырмашылықты есептейді, содан кейін қалдық сигналдарға гипотезалық сынақ жүргізеді (тізбекті ықтималдық қатынасы сынағы). Мұндай талдау әдістері Expert Microsystems компаниясынан да қолжетімді, ол қалдықтарды есептеу үшін ұқсас автоассоциативтік ядролық әдісті пайдаланады және диагностика мен болжау үшін басқа модульдерге ие.
Жүйелік деңгейдегі болжау
Көптеген болжамдау тәсілдері жеке компоненттердің тозу қарқынын және қалған пайдалы өмір мерзімін (RUL) дәл есептеуге бағытталғанмен, жүйелер мен олардың бөлімшелерінің өнімділігінің төмендеу қарқыны осы жүйелерді пайдаланушылар мен техникалық қызметкерлер үшін маңыздырақ.