基于性能退化數(shù)據(jù)分析的訓(xùn)練裝備精度保持性評(píng)估

丁少娜,馮誠(chéng),陳毓,申江江,劉媛媛

(中國(guó)人民解放軍92724部隊(duì),山東青島266019)

基于性能退化數(shù)據(jù)分析的訓(xùn)練裝備精度保持性評(píng)估

丁少娜,馮誠(chéng),陳毓,申江江,劉媛媛

(中國(guó)人民解放軍92724部隊(duì),山東青島266019)

摘.要.目的對(duì)訓(xùn)練裝備的精度保持性評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行專門(mén)研究。方法跟蹤監(jiān)測(cè)訓(xùn)練裝備使用過(guò)程中精度的退化情況,并計(jì)算出每個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻訓(xùn)練裝備的綜合精度指數(shù),預(yù)測(cè)訓(xùn)練裝備失效的壽命值。結(jié)果通過(guò)精度指數(shù)與時(shí)間的回歸模型,分別得到裝備的失效水平和所預(yù)測(cè)的失效壽命T＇,以此為基礎(chǔ)評(píng)估訓(xùn)練裝備的精度保持性。結(jié)論訓(xùn)練裝備的精度保持性是用戶關(guān)心的重要質(zhì)量指標(biāo),對(duì)在訓(xùn)練裝備使用過(guò)程中獲取的成效有直接影響,精度保持性評(píng)估結(jié)果還是用戶確定合理精度調(diào)整及訓(xùn)練裝備大修周期的重要參考依據(jù)。

訓(xùn)練裝備;精度;評(píng)估

訓(xùn)練裝備的價(jià)格一般比較昂貴,進(jìn)行破壞性的加速壽命試驗(yàn)或者加速退化試驗(yàn)顯然不現(xiàn)實(shí)。隨著設(shè)計(jì)水平和工藝水平的不斷提高,訓(xùn)練裝備的精度保持性越來(lái)越好,精度劣化周期越來(lái)越長(zhǎng),進(jìn)行一般的失效試驗(yàn)則嫌周期過(guò)長(zhǎng),成本過(guò)高。因此,對(duì)訓(xùn)練裝備進(jìn)行進(jìn)度保持性評(píng)估的最好辦法就是在使用過(guò)程中記錄其精度退化數(shù)據(jù),通過(guò)基于退化數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估方法來(lái)對(duì)其精度保持性進(jìn)行評(píng)估[1—3]。

1 訓(xùn)練裝備精度參數(shù)及劣化機(jī)理

訓(xùn)練裝備的精度參數(shù)一般有多項(xiàng),大致可分為訓(xùn)練裝備靜態(tài)精度和訓(xùn)練裝備使用精度2類[4]。訓(xùn)練裝備靜態(tài)精度是指在空載條件下訓(xùn)練裝備的幾何精度、定位精度等;使用精度是指在使用過(guò)程中的形態(tài)精度和位置精度。訓(xùn)練裝備的使用精度除受訓(xùn)練裝備自身精度影響之外,還受到使用過(guò)程中受力變形、熱變形及損耗等因素的影響,而這些因素通常是難以控制的[5—6]。因此在研究訓(xùn)練裝備的精度劣化規(guī)律時(shí),為方便起見(jiàn),通常以訓(xùn)練裝備靜態(tài)精度為對(duì)象,而不考慮訓(xùn)練裝備的動(dòng)態(tài)使用精度[7]。訓(xùn)練裝備的精度劣化機(jī)理如圖1所示,訓(xùn)練裝備在使用過(guò)程中由于受到各種有害過(guò)程的作用,如磨損、腐蝕、老化等,會(huì)引起自身精度的逐步劣化。當(dāng)劣化逐步積累達(dá)到它的極限允許值時(shí),就會(huì)喪失工作能力,必須進(jìn)行大修調(diào)整。這些有害過(guò)程通常都是隨機(jī)的,因此,訓(xùn)練裝備精度方面的故障,作為這種過(guò)程的后果,具有分散性,并服從于偶然事件的規(guī)律性。按照行進(jìn)的速度有害過(guò)程可分為快速進(jìn)行的、中速進(jìn)行的和緩慢進(jìn)行的3類。

1)快速進(jìn)行過(guò)程呈幾分之一秒的周期性變化。這種過(guò)程在裝備機(jī)械工作循環(huán)范圍內(nèi)結(jié)束。屬于這種過(guò)程的有:裝備部件振動(dòng)、聯(lián)接件間的摩擦、工作載荷變動(dòng)以及其他一些過(guò)程。

2)中速進(jìn)行過(guò)程在裝備連續(xù)工作時(shí)發(fā)生作用,其持續(xù)時(shí)間以分或小時(shí)計(jì)。屬于這種過(guò)程的不僅有可逆過(guò)程,如裝備部件的溫度變化,也有不可逆過(guò)程,如部件的磨損。

3)緩慢進(jìn)行過(guò)程是在周期性檢查或修理之間訓(xùn)練裝備工作的時(shí)間內(nèi)起作用的。屬于這種過(guò)程的有零件的銹蝕、電子元件的老化等。

圖1 故障發(fā)生方框Fig.1 Failure occurrence flowchart

由于機(jī)器中各種有害過(guò)程特別是磨損作用的結(jié)果,達(dá)到被考察對(duì)象功能參數(shù)的失效水平時(shí)就發(fā)生故障。

對(duì)n臺(tái)試驗(yàn)訓(xùn)練裝備,記第j(j=1,2,…,n)個(gè)樣本在時(shí)刻t1,t2,…,ti時(shí)的精度值分別為y1,y2,…,yi。作用于訓(xùn)練裝備的各種有害過(guò)程使得其精度參數(shù)y緩慢地發(fā)生變化,表現(xiàn)為退化軌跡yj(t)。yj(t)逐步地向規(guī)定的失效水平Df逼近,導(dǎo)致訓(xùn)練裝備出現(xiàn)故障的概率增大,表現(xiàn)為y(t)分布密度的變化。當(dāng)被考察的精度參數(shù)由于各種隨機(jī)的有害過(guò)程特別是磨損的作用,逐步劣化并達(dá)到它的失效水平時(shí)就會(huì)發(fā)生故障。達(dá)到失效水平Df的時(shí)間是一個(gè)隨機(jī)變量,通常服從威布爾分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布或正態(tài)分布等,其均值即為平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)。這個(gè)時(shí)間決定了對(duì)訓(xùn)練裝備進(jìn)行精度調(diào)整的周期[8—10]。

2 基于性能退化數(shù)據(jù)分析的精度保持性評(píng)估

考慮到訓(xùn)練裝備的精度參數(shù)一般有多個(gè)項(xiàng),在評(píng)估過(guò)程中有必要討論多個(gè)精度退化量之間在統(tǒng)計(jì)上的相關(guān)性問(wèn)題,此時(shí)基于退化軌道的評(píng)估方法就失去了效力,因此首先考慮用基于退化量分布的可靠性評(píng)估方法來(lái)對(duì)訓(xùn)練裝備的精度保持性進(jìn)行評(píng)估[9]。

當(dāng)前基于多性能參數(shù)退化量分布的可靠性建模主要針對(duì)特殊分布,即假定多個(gè)性能參數(shù)退化數(shù)據(jù)的聯(lián)合分布屬于聯(lián)合正態(tài)分布等特殊分布。因此,可以通過(guò)每個(gè)參數(shù)的分布參數(shù)以及參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)得到聯(lián)合分布參數(shù)。該方法對(duì)參數(shù)的分布要求比較嚴(yán)格,現(xiàn)實(shí)中很多設(shè)備系統(tǒng)無(wú)法滿足特殊分布這一假設(shè)前提。另外,隨著所選擇性能參數(shù)數(shù)量的增多,聯(lián)合分布函數(shù)求解難度增大,甚至不可解[10]。

考慮基于退化軌道的處理方法,通過(guò)變換實(shí)現(xiàn)其對(duì)多參數(shù)問(wèn)題的處理。一種可行的思路是引入權(quán)重的概念,通過(guò)計(jì)算加權(quán)平均來(lái)化多元為一元,從而將多元退化的問(wèn)題化歸到一元退化量的情況上來(lái)處理。該思路的本質(zhì)是通過(guò)加權(quán)平均來(lái)化多元為一元,從而將處理的問(wèn)題化歸到可以采用退化軌道分析方法。在針對(duì)訓(xùn)練裝備的精度保持性評(píng)估中,設(shè)備綜合精度指數(shù)的概念為計(jì)算平均影響水平提供了一種簡(jiǎn)便方法。設(shè)備綜合精度指數(shù)T是設(shè)備維護(hù)工程當(dāng)中的一個(gè)概念,主要用以描述設(shè)備目前的健康狀態(tài),尤其是各項(xiàng)精度參數(shù)的平均劣化程度,可以作為確定訓(xùn)練裝備修理類別的參數(shù)[11]。設(shè)備綜合精度指數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:T為裝備綜合精度指數(shù);n為實(shí)測(cè)項(xiàng)目個(gè)數(shù);Tip為訓(xùn)練裝備精度的實(shí)測(cè)值;Tis為訓(xùn)練裝備精度的允許值。

在訓(xùn)練裝備的維修體系中,一般把T≤0.5為新裝備驗(yàn)收條件之一。T≤1為大修理、重點(diǎn)修理后的驗(yàn)收條件,1＜T＜2仍可繼續(xù)使用,但需注意調(diào)整;2＜T＜2.5時(shí),裝備需進(jìn)行重點(diǎn)修理或大修理;T＞3時(shí),裝備需進(jìn)行大修理或更新[12]。

由于訓(xùn)練裝備的精度衰退周期長(zhǎng),測(cè)試成本高,因此進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的成本很高。在實(shí)踐中一般采取定期檢測(cè)的方法,這樣得到的退化數(shù)據(jù)通常為小樣本?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的支持向量機(jī)(SVM)是一種以結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理為基礎(chǔ)的新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法,具有其他以經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法難以比擬的優(yōu)越性,可以用來(lái)處理小樣本問(wèn)題[13—14]。

基于支持向量機(jī)的裝備綜合精度保持性評(píng)估流程為[15—16]:

1)收集n臺(tái)同型號(hào)訓(xùn)練裝備在時(shí)間t1,t2,…,ti的性能退化數(shù)據(jù);

2)分別計(jì)算n臺(tái)訓(xùn)練裝備在時(shí)刻ti裝備綜合精度指數(shù)Tn;

3)使用支持向量機(jī)擬合出Tn與時(shí)間t之間的回歸關(guān)系,得到退化軌道模型;

4)將失效閾值Df作為SVM的輸入,根據(jù)求得的退化軌道模型,外推求出各個(gè)樣本的失效壽命T＇1,T＇2,…,T＇i。

3 具體算例與精度分析

跟蹤監(jiān)測(cè)了某單位4臺(tái)同型號(hào)訓(xùn)練裝備使用1年過(guò)程中精度的退化情況,并計(jì)算出每個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻訓(xùn)練裝備的綜合精度指數(shù),得到的退化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1)將表1中的退化數(shù)據(jù)作為輸入,使用 LS-svmlab工具箱進(jìn)行演算,獲得裝備綜合精度指數(shù)T與檢測(cè)時(shí)間t的回歸關(guān)系,4臺(tái)訓(xùn)練裝備的的退化軌跡如圖2所示。

2)將失效閾值Df作為L(zhǎng)S-svmlab的輸入,根據(jù)第1步得到的回歸關(guān)系,外推求出各個(gè)樣本的失效壽命,即表1中的最后一列。4臺(tái)訓(xùn)練裝備的壽命分別為:786.2,735.5,768.4,675.6 d。

表1 訓(xùn)練裝備的綜合精度指數(shù)記錄Table1 Record list of comprehensive precision index of the training equipment

圖2 退化軌道Fig.2 Diagram of the degradation path

3)利用平均絕對(duì)誤差與均方根誤差對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度分析,計(jì)算公式如式(2),(3)所示。

平均絕對(duì)誤差:

均方根誤差:

式中:yi為訓(xùn)練裝備的壽命真實(shí)值;^yi為訓(xùn)練裝備的壽命預(yù)測(cè)值。

表2 訓(xùn)練裝備壽命預(yù)測(cè)精度分析Table 2 Lifetime prediction precision analysis of the training equipment

由表2可看出,平均絕對(duì)誤差與均方根誤差都相對(duì)較小,說(shuō)明該評(píng)估方法具有一定的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,能夠?qū)τ?xùn)練裝備的保障與維護(hù)提供一種確實(shí)有效的借鑒。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,本文提出一種訓(xùn)練裝備精度退化數(shù)據(jù)分析方法,將支持向量機(jī)應(yīng)用于訓(xùn)練裝備的裝備綜合精度指數(shù)的數(shù)據(jù)擬合中,得到精度指數(shù)與時(shí)間的回歸模型,并預(yù)測(cè)訓(xùn)練裝備失效的壽命值,以此為基礎(chǔ)評(píng)估訓(xùn)練裝備的精度保持性。

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Assessment of Precision Retention of Training Equipment Based on Performance Degradation Data Analysis

DING Shao-na,FENG Cheng,CHEN Yu,SHEN Jiang-jiang,LIU Yuan-yuan
(Unit 92724,Qingdao 266019,China)

.ObjectiveTo perform specifically study the assessment of precision retention of training equipment.MethodsThe precision degradation of training equipment was monitored during the use,and the comprehensive precision index of the training equipment at each monitoring time was calculated,to predict the lifetime of the training equipment.ResultsThrough the regression model of the precision index and time,the failure level and the predicted failure lifetime T＇of the equipment were obtained,respectively,based on which the precision retention of the training equipment was assessed.ConclusionThe precision retention of the training equipment is an important quality index of interest to the users,which has a direct impact on the effectiveness achieved by the training equipment during the operation process.The assessment result of precision retention is also an important reference for the users to determine the reasonable accuracy adjustment and overhaul cycle of the training equipment.

training equipment;precision data;analysis

10.7643/issn.1672-9242.2014.03.007

TB114.3

:A

1672-9242(2014)03-0030-05

2014-02-05;

2014-03-02

Received:2014-02-05;Revised:2014-03-02

丁少娜(1984—),女,山東棲霞人,講師,主要研究方向?yàn)橛芯€通信。

Biography:DING Shao-na(1984—),Female,from Qixia,Shandong,Lecturer,Research focus:wired communication.