Введение

Прогнозирование – это инженерная дисциплина, ориентированная на предсказание момента времени, когда система или компонент перестанет выполнять свою заданную функцию. Это снижение производительности чаще всего является отказом, после которого система не может быть использована для достижения требуемых характеристик. Предсказанное время становится оставшимся сроком полезной эксплуатации (RUL), что является важной концепцией при принятии решений для снижения рисков возникновения нештатных ситуаций. Прогнозирование предсказывает будущую производительность компонента путем оценки степени отклонения или деградации системы от ее нормальных рабочих условий. Наука прогнозирования базируется на анализе видов отказов, выявлении ранних признаков износа и старения, а также неисправностей. Эффективное решение в области прогнозирования реализуется при наличии глубоких знаний о механизмах отказов, которые могут привести к деградации и, в конечном итоге, к отказам в системе. Поэтому необходимо иметь исходную информацию о возможных отказах (включая место, вид, причину и механизм) в изделии. Эти знания важны для определения параметров системы, подлежащих мониторингу. Одним из потенциальных применений прогнозирования является техническое обслуживание на основе состояния. Дисциплина, связывающая изучение механизмов отказов с управлением жизненным циклом системы, часто называется прогнозированием и управлением работоспособностью (PHM), иногда также управлением состоянием системы (SHM) или – в транспортных приложениях – управлением состоянием транспортного средства (VHM) или управлением состоянием двигателя (EHM). Технические подходы к построению моделей в прогнозировании можно широко классифицировать на подходы, основанные на данных, подходы, основанные на моделях, и гибридные подходы.

Прогнозные данные

Прогнозирование, основанное на данных, обычно использует методы распознавания образов и машинного обучения для обнаружения изменений в состояниях системы. Классические методы, основанные на данных, для предсказания нелинейных систем включают использование стохастических моделей, таких как авторегрессивная (AR) модель, пороговая AR-модель, билинейная модель, метод поиска проекций, мультивариантные адаптивные регрессионные сплайны и разложение в ряд Вольтерры. В последнее десятилетие все больший интерес в прогнозировании состояния системы, основанном на данных, проявляется к использованию гибких моделей, таких как различные типы нейронных сетей (НС) и нейро-нечетких (НН) систем. Подходы, основанные на данных, целесообразны, когда понимание фундаментальных принципов работы системы неполно или когда система достаточно сложна, что делает разработку точной модели непомерно дорогостоящей. Таким образом, основными преимуществами подходов, основанных на данных, является то, что их часто можно внедрить быстрее и дешевле по сравнению с другими подходами, а также то, что они могут обеспечить охват всей системы (в отличие от моделей, основанных на физике, которые могут иметь довольно узкую область применения). Главный недостаток заключается в том, что подходы, основанные на данных, могут иметь более широкие доверительные интервалы, чем другие подходы, и требуют значительного объема данных для обучения. Подходы, основанные на данных, можно дополнительно разделить на статистику, основанную на парке оборудования, и мониторинг на основе датчиков. Кроме того, методы, основанные на данных, также включают методы подсчета циклов, которые могут учитывать отраслевые знания. Две основные стратегии, основанные на данных, включают (1) моделирование кумулятивного ущерба (или, эквивалентно, остаточного ресурса) и последующую экстраполяцию до порога ущерба (или остаточного ресурса), или (2) непосредственное обучение на данных оставшегося полезного срока службы. Как упоминалось, основным препятствием является сложность получения данных о работе до отказа, особенно для новых систем, поскольку доведение систем до отказа может быть длительным и дорогостоящим процессом. Когда будущая эксплуатация отличается от прошлой (как в большинстве нестационарных систем), сбор данных, включающих все возможные будущие сценарии эксплуатации (как по нагрузке, так и по условиям окружающей среды), часто становится практически невозможным. Даже при наличии данных эффективность подходов, основанных на данных, зависит не только от количества, но и от качества операционных данных системы. Эти источники данных могут включать температуру, давление, наличие примесей в масле, токи, напряжения, мощность, вибрацию и акустический сигнал, спектрометрические данные, а также данные калибровки и калориметрии. Часто данные требуют предварительной обработки перед использованием. Обычно выполняются две процедуры: i) подавление шумов и ii) извлечение признаков. Подавление шумов относится к уменьшению или устранению влияния шума на данные. Извлечение признаков важно, поскольку в современном мире, ориентированном на данные, собирается огромное количество данных с помощью датчиков, которые не всегда можно использовать напрямую. Поэтому отраслевые знания и статистическая обработка сигналов применяются для извлечения важных признаков из (чаще всего) зашумленных, многомерных данных.

Прогнозы на основе физики

Прогнозирование на основе физики (иногда называемое модельным прогнозированием) стремится включить физическое понимание (физические модели) системы в оценку оставшегося полезного срока службы (RUL). Моделирование физических процессов может выполняться на различных уровнях, например, на микро- и макроуровнях. На микроуровне (также называемом материальным уровнем) физические модели реализуются в виде серий динамических уравнений, определяющих взаимосвязь в конкретный момент времени или цикл нагрузки между повреждением (или деградацией) системы/компонента и условиями окружающей среды и эксплуатации, в которых система/компонент функционирует. Модели микроуровня часто называют моделями распространения повреждений. Например, модель определения ресурса при усталости шариковых подшипников, разработанная Ю и Харрисом, связывающая ресурс подшипника с вызванными напряжениями, модель роста трещин Париса и Эрдогана, а также стохастическая модель распространения дефектов являются другими примерами моделей микроуровня. Поскольку измерения критических характеристик повреждения (таких как напряжение или деформация механического компонента) редко доступны, для определения значений напряжения/деформации приходится использовать измеряемые параметры системы. Модели микроуровня должны учитывать в управлении неопределенностью предположения и упрощения, которые могут накладывать существенные ограничения на данный подход. Макроуровневые модели – это математические модели, описывающие систему в целом, определяющие взаимосвязь между входными переменными системы, переменными состояния системы и измеряемыми выходными переменными системы, при этом модель часто представляет собой несколько упрощенное представление системы, например, модель с сосредоточенными параметрами. Компромиссом является расширение области охвата с возможным снижением точности для конкретного режима деградации. Если такой компромисс допустим, это может привести к более быстрой разработке прототипов. Однако, когда системы сложны (например, газотурбинный двигатель), даже макроуровневая модель может быть достаточно трудоемким и ресурсозатратным процессом. В результате, детальные макроуровневые модели могут быть недоступны для всех подсистем. Полученные упрощения необходимо учитывать при управлении неопределенностью.

Гибридные подходы

Гибридные подходы стремятся использовать преимущества как подходов, основанных на данных, так и подходов, основанных на моделях. На практике редко встречаются решения, которые были бы полностью реализованы исключительно на основе данных или исключительно на основе моделей. Чаще всего подходы, основанные на моделях, включают в себя некоторые элементы, заимствованные из подходов, основанных на данных, а подходы, основанные на данных, используют информацию, предоставляемую моделями. Примером первого случая может служить настройка параметров модели с использованием данных, полученных в реальных условиях. Примером второго случая является использование моделей для определения заданного значения, смещения или коэффициента нормализации для подхода, основанного на данных. Гибридные подходы можно условно разделить на две основные категории: 1) предварительное объединение оценок и 2) последующее объединение оценок.

Предварительная оценка слияния моделей и данных

Мотивацией для агрегирования предварительных оценок может быть отсутствие данных о реальном состоянии. Это может происходить в ситуациях, когда диагностика эффективно выявляет неисправности, которые устраняются (путем технического обслуживания) до возникновения отказа системы. Следовательно, данных о работе до отказа практически нет. Однако существует потребность в более точном прогнозировании момента отказа системы, чтобы эффективнее использовать оставшийся ресурс и одновременно избегать внепланового технического обслуживания (внеплановое техническое обслуживание обычно обходится дороже планового и приводит к простоям системы). Garga и др. концептуально описывают гибридный подход к агрегированию предварительных оценок, в котором используются отраслевые знания для изменения структуры нейронной сети, что приводит к более экономному представлению сети. Другой способ реализации агрегирования предварительных оценок – это комбинированный оффлайн- и онлайн-процесс: в оффлайн-режиме можно использовать физически обоснованную модель для понимания взаимосвязи между показаниями датчиков и состоянием неисправности; в онлайн-режиме можно использовать данные для определения текущего состояния повреждения, затем отслеживать данные для характеристики распространения повреждения и, наконец, применять индивидуальную модель распространения, основанную на данных, для прогнозирования оставшегося срока службы. Например, Khorasgani и др. смоделировали физику разрушения электролитических конденсаторов. Затем они использовали метод фильтра частиц для получения динамической формы модели деградации и оценки текущего состояния конденсатора. Эта модель затем используется для получения более точной оценки остаточного срока полезного использования (RUL) конденсаторов при воздействии термических нагрузок.

Слияние подходов, основанных на модели, с подходами, основанными на данных, после оценки

Мотивацией для послеоценочного слияния зачастую является необходимость управления неопределенностью. То есть, послеоценочное слияние позволяет сузить интервалы неопределенности, присущие методам, основанным на данных или моделях. Одновременно с этим повышается точность. В основе лежит идея о том, что использование нескольких источников информации может улучшить эффективность оценщика. Этот принцип успешно применяется в области слияния классификаторов, где выходные данные нескольких классификаторов объединяются для получения более качественного результата, чем при использовании любого из них по отдельности. В контексте прогнозирования слияние может быть реализовано посредством оценки качества, присваиваемой каждому оценщику на основе различных факторов, таких как эвристики, априорная известная производительность, горизонт прогнозирования или устойчивость прогноза.

Неопределенность прогнозов

Существует множество параметров неопределенности, которые могут повлиять на точность прогнозирования. Их можно классифицировать следующим образом: неопределенность в параметрах системы: это относится к неопределенности в значениях физических параметров системы (сопротивление, индуктивность, жесткость, емкость и т. д.). Эта неопределенность обусловлена условиями окружающей среды и эксплуатации, в которых система функционирует. Для ее устранения можно использовать адекватные методы, такие как интервальные. Неопределенность в номинальной модели системы: это касается неточностей в математических моделях, используемых для представления поведения системы. Эти неточности (или неопределенности) могут быть результатом ряда допущений, сделанных в процессе моделирования, приводящих к моделям, не полностью соответствующим реальному поведению системы. Неопределенность в модели деградации системы: модель деградации может быть получена на основе ускоренных испытаний на надежность, проводимых на различных выборках компонентов. На практике данные, полученные в результате ускоренных испытаний на надежность, проведенных в одинаковых условиях эксплуатации, могут демонстрировать различные тенденции деградации. Эта разница в тенденциях деградации может рассматриваться как неопределенность в моделях деградации, полученных на основе данных ускоренных испытаний. Неопределенность в прогнозировании: неопределенность является неотъемлемой частью любого процесса прогнозирования. Любые прогнозы, основанные на номинальной и/или модели деградации, являются неточными и подвержены влиянию различных факторов неопределенности, таких как неопределенность параметров модели, условий окружающей среды и будущих профилей эксплуатации. Неопределенность прогноза может быть уменьшена с помощью байесовских и онлайн-методов оценки и прогнозирования (например, фильтров частиц и фильтра Калмана и т. д.). Неопределенность пороговых значений отказа: порог отказа имеет важное значение для любых методов обнаружения и прогнозирования неисправностей. Он определяет момент выхода системы из строя и, следовательно, оставшийся срок службы. На практике значение порога отказа не является постоянным и может изменяться со временем. Оно также может меняться в зависимости от характеристик системы, условий эксплуатации и окружающей среды. Все эти параметры вносят вклад в неопределенность, которую необходимо учитывать при определении порога отказа. Примеры количественной оценки неопределенности можно найти в.

Коммерческие аппаратные и программные платформы

Для большинства промышленных применений PHM коммерческое готовое оборудование и датчики для сбора данных обычно являются наиболее практичными и распространенными. Примеры коммерческих поставщиков оборудования для сбора данных включают National Instruments и Advantech Webaccess; однако для определенных приложений оборудование может быть настроено или усилено по мере необходимости. Распространенные типы датчиков для применений PHM включают акселерометры, датчики температуры, давления, измерения скорости вращения с использованием энкодеров или тахометров, электрические измерения напряжения и тока, датчики акустической эмиссии, тензодатчики для измерения силы, а также датчики смещения или положения. Существует множество производителей датчиков для этих типов измерений, некоторые из которых предлагают специализированные линейки продуктов, более подходящие для мониторинга состояния и приложений PHM. Алгоритмы анализа данных и технологии распознавания образов теперь предлагаются в некоторых коммерческих программных платформах или в составе комплексных программных решений. В настоящее время National Instruments предоставляет пробную версию (с коммерческим выпуском в следующем году) прогностического инструментария Watchdog Agent, представляющего собой набор алгоритмов PHM, управляемых данными, разработанных Центром интеллектуальных систем технического обслуживания. Этот набор, включающий более 20 инструментов, позволяет настраивать и адаптировать алгоритмы для извлечения сигнатур, обнаружения аномалий, оценки состояния, диагностики отказов и прогнозирования отказов для конкретного приложения по мере необходимости. Настраиваемые коммерческие решения для прогнозного мониторинга с использованием инструментария Watchdog Agent теперь предлагает недавно созданная компания Predictronics Corporation, основатели которой сыграли ключевую роль в разработке и применении этой технологии PHM в Центре интеллектуальных систем технического обслуживания. Другим примером является MATLAB и его Toolbox для прогнозирующего обслуживания, который предоставляет функции и интерактивное приложение для исследования, извлечения и ранжирования признаков с использованием методов, основанных на данных и моделях, включая статистический, спектральный и анализ временных рядов. Этот Toolbox также включает в себя примеры для двигателей, редукторов, аккумуляторов и другого оборудования, которые можно повторно использовать для разработки пользовательских алгоритмов прогнозирующего обслуживания и мониторинга состояния. Другие коммерческие программные продукты ориентированы на несколько инструментов для обнаружения аномалий и диагностики неисправностей и обычно предлагаются в виде комплексных решений, а не наборов инструментов. Примером является аналитический метод обнаружения аномалий Smart Signals, основанный на автоассоциативных моделях (моделирование на основе сходства), который выявляет изменения в номинальной корреляции в сигналах, рассчитывает отклонения между ожидаемой и фактической производительностью, а затем выполняет проверку гипотез на основе остаточных сигналов (тест отношения правдоподобия). Аналогичные методы анализа также предлагает Expert Microsystems, использующая аналогичный автоассоциативный метод ядра для расчета отклонений и имеющая другие модули для диагностики и прогнозирования.

Прогноз на уровне системы

В то время как большинство методов прогнозирования сосредоточены на точном вычислении скорости износа и остаточного ресурса (RUL) отдельных компонентов, операторов и обслуживающий персонал этих систем больше интересует скорость снижения работоспособности подсистем и систем в целом.