工程系统的实时可靠性评估与预测技术

工程系统的实时可靠性评估与预测技术

吕品一

中铁城建集团第三工程有限公司

摘要：近年来，生命预测的发展引起了越来越多的关注。作为一种有效可行的寿命预测技术，实时可靠性评估与预测是预测性维修策略的重要技术基础。始终注意实时可靠性评估和预测的正确可靠使用，并积极对此课题进行国内外相关学术领域最新的技术调研和方向选择和技术问题研究,对相关问题提出有利的方案。

关键词：工程系统；实时可靠性；预测技术

一、引言

许多重要工程系统，在航天领域中进行紧密测量、控制运行的各类复杂电机传动系统和远距离输电网系统等都是复杂系统，维护是保证这些系统正常运行的基本和必要手段。目前，以工程事后预防性维护方法和长期有一定计划进行的工程预防式维护法，是典型代表形式的两种传统的维护工作方式，仍然牢牢占据主导着整个工程系统日常维护技术活动方式的重要主体地位。但是忽略了很多电机老化，和实际操作导致的不良反映，这些传统的维修方式并不能完美解决这些问题。

首先，传统的设备维护方式通常不能预测到设备是否处于正常运行状态，为此经常无法有效合理地避免灾难性事故的再次发生，导致维护投入不足。另一方面，虽然选择在全新设备处于正常使用时间段工作，频繁的进行维修也会导致其工作效率，过度谨慎的对设备进行预防维修更会导致尚能工作的机器设备出现损耗严重的情况，就会出现资源浪费，导致会为后续的生产造成影响。从理论上来说，最适合的维修方法是在健康检验的立场上进行维护，但是由于存在技术上的困难，预测维护还没有在工程系统得到广泛应用^[1]。

二、寿命预测的研究

寿命预测是实现预测维护方式的核心技术。寿命预测的本质是基于设备的健康状态监测信息，预测设备的剩余有效寿命。随着预测维护研究的发展，寿命预测目前也成为了国际学术界研究的热点之一。寿命预测方法通常监测能够反映设备健康状态变化的特征量，再通过预测相应特征量的变化来实现寿命预测。特征量的选取同具体的研究对象有关，如裂纹长度、轴承的磨损量等。

三、实时可靠性评估与预测

实时可靠性评估与预测法是计算机实现设备寿命的预测评估中一个最简便实用高效的实现方式,此研究领域中的一项基本思想核心是：属于一种全新的设备和系统而言，确保设备的安全性和可靠性，但是当使用设备的时间已经超过设备最佳性能的时间段,设备将不可避免地老化和磨损，从而设备或系统的可靠性会随着太久的使用期导致性能不稳定。因此，实时可靠性指标自然成为表征设备或系统健康状态的特征量。二是能够分析趋势，通过评估进行预测，实时可靠性指标可以实现寿命预测。

实时可靠性评估与预测通过正常的检测过程对比传统的可靠性研究的形况下，还是具有很大的差距。首先，传统的可靠性研究是对此产品进行大数据的统一采样，从而对统计出的具体结果进行二次分析研究来推测产品的可靠性；实时可靠性评估和预测考虑单个特定设备或系统。随后的才是传统概念上说的计算机实时可靠性是要研究的计算机产品或者其硬件设备在整个系统工作与生命期内的运行期间的整体实时可靠性情况等;实时可靠性评估和预测考虑设备或系统在使用过程中及其最终生命周期的可靠性。其次，这项研究与传统方式密切相关，其中也借鉴传统领域中的相关知识和逻辑思维进行模拟实验。

其应用在研究领域历史实际上并没有很久远,在我们近十年来开展的实际研究开发过程工作中,该领域被主要被分流归为有两大类应用研究与方法: 基于系统性能退化实时分析预测的可靠性方法研究和研究基于传统可靠性指标预测实时化系统的方法。

四、基于传统可靠性指标实时化的方法

基于计算机技术对各种传统的可靠性指标系统进行可靠性实时化模型设计，是实现一种计算机实时可靠性系统分析可靠性评估模型和计算技术与系统性能的预测的方法，它的技术研究及主要系统设计方法思想上主要内容是基于电子计算机建立起从传统计算机的系统可靠性模型，通过分析评估过程中可用的各种传统可靠性指标系统与计算机实时环境变量和系统状态变量系统之间的实时关系，通过实时跟踪监控计算机环境变量和状态变量的实时变化，计算连接产生的实时可靠性指标。目前，这种方法主要用于电力系统的实时可靠性评估。

根据这一应用，提出了电力系统元件可靠性模型与系统运行参数之间的关系，并根据在整个电源系统整体重要元件中的可靠性综合分析系统的可靠性，还在世界上首先地独立的提出或研究解决了关于系统元件长期运行后的参数可靠性问题中的一个相关理论概念,建立了分析论证了系统元件长期的连续停运和失效的概率及其与长期同一套系统中运行元件的参数可靠之间的一个线性关系，提出或建立了部件运行实时可靠性模型中可靠性建模的基本原则，并还相应的给出了电力线路系统中的双曲函数运行实时可靠性模型。还着重考虑介绍了元件运行工况条件因素对元件正常停运动作的各种综合作用影响程度及对其进行保护时的停运动作时限。元件停运因素进行分类，然后，根据保护动作时限，建立了基于元件保护动作时间的元件停运率模型。然后，根据元件故障率与运行环境条件之间的时变函数关系，在综合考虑各种停运因素的基础上，建立了基于运行条件的元件停运率模型。在以此基础上进一步综合外界环境和温度的影响，提出了符合综合部件模型的理论建模和计算框架，进一步建立了一套设备运行状态可靠性的在线和短期在线评估方案。给出了相应的指标体系、评价算法体系和系统应用框架

^[2]。

对于所在环境或系统状态变量变化比较显著的设备和系统而言，将传统的可靠性指标进行实时化推广来进行实时可靠性评估和预测具有重要的意义。比如，对于电力系统而言，系统可靠性的下降不一定是由系统内部元件的性能退化造成的，雷电、雨雪等天气因素会增加电网及电力设备的故障概率；而人的因素在电力系统的故障实例中也占有很大的比例。这些环境变化以及由于各种因素导致的系统状态变量在短时间内的显著波动，采用性能退化分析方法很难解决这一问题。因此，基于这种传统可靠性指标的实时化评价的分析方法同时也必然需要拥有大量丰富的可靠历史数据信息作为数据基础,不仅需要在线监控设备或系统，还需要对设备或系统所在的环境进行实时监测^[3]。

五、总结

近年来，随着预测维护研究的发展，寿命预测也逐渐成为了国内外学者研究的热点之一。实时可靠性评估与预测是研究寿命预测方法的一种有效的思路，现在也得到了学术界和工业界的广泛关注。从上世纪90年代初开始，实时可靠性评估与预测在国外开始起步。在随后的数年中，该领域研究的发展还比较缓慢。进入21世纪之后，随着对该领域研究需求的增加以及计算机、自动化和信号处理等学科的快速发展，实时可靠性评估与预测的研究也蓬勃发展起来。

目前,实时可靠性分析评估分析与性能预测模型研究方法基本上都形成了这样两大研究主要思路:基于性能退化分析的思想和基于传统可靠性指标的实时性思想。其中，前者是目前研究的主流，后者是前者的重要补充。在两大类研究方法中，各自还存在着不少问题有待进一步解决。

在基于性能退化分析的研究中存在着如下问题。第一，大多数方法都假设工程系统中只有一个性能退化过程，并且故障模式也是固定的。实际上，工程系统中可能存在多种性能退化过程和故障模式。第二，几乎所有方法都关注于工程系统本身，而没有考虑到外界环境及负载变化对可靠性的影响。第三，事实上，系统性能退化等因素通常不受在线工程的影响，但也不受系统性能退化等因素的影响。第四，目前的研究还没有考虑维护活动对可靠性实时预测的影响。

在基于传统可靠性指标的实时化的研究中，也存在着一些问题。第一，这些方法仅仅考虑了系统运行参数对可靠性的影响，而没有考虑元件及设备的性能退化对可靠性的影响。第二，有些系统状态变量的突然变化是由人员操作不当引起的，现有的研究没有考虑人的因素的影响。第三，有些突发事件在一定的条件下可能会引起后续连锁事件的发生而导致状态变量在短时间内产生较大的变化，从而影响系统的可靠性，目前还没有关于基于实时事件监测的实时可靠性评估与预测研究的报道。

参考文献：

[1]蔡玉良.孙晓磊.张晋彪.方宇.船舶动力设备退化基线计算及预测方法[J].舰船科学技术,2020,(4):141-147,153.

[2]冯焕.基于可靠性的抽水蓄能机组维修决策研究[D].华南理工大学,2019.

[3]孙哲.基于云模型的无绝缘轨道电路可靠性实时评估[D].北京交通大学,2018,72.