CN111061254B

CN111061254B - 一种phm系统性能的评价方法及系统

Info

Publication number: CN111061254B
Application number: CN201911378175.5A
Authority: CN
Inventors: 佟雪丽; 施其彪; 范涛; 温旭辉
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111061254A

Abstract

本发明公开了一种PHM系统性能的评价方法及系统，基于具体应用对象、应用场景及应用领域，分从故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益四个方面，对当前健康管理系统较为做出有效、全面、客观的评估，根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果，为健康管理系统开发和应用选择提供了指导意见。

Description

一种PHM系统性能的评价方法及系统

技术领域

本发明涉及故障预测与健康管理技术领域，具体涉及一种PHM系统性能的评价方法及系统。

背景技术

现有的包含状态监测、故障检测、故障预测、健康管理的PHM

(Prognostics and Health Management，故障预测与健康管理)系统发展不成熟，已量产的应用并不常见。以往对产品出厂后产品全生命周期的维护监管多数只止于状态监测、故障检测或者定时维护。相应地，以往对产品维护监管系统的评价系统不能再适用于和覆盖到包含故障预测和健康管理的新一代健康管理系统，无法对当前健康管理系统做出有效、全面、客观的评估。

发明内容

因此，本发明提供的一种PHM系统性能的评价方法及系统，克服了现有技术中不能对当前健康管理系统做出有效、全面、客观的评估的缺陷。

第一方面，本发明实施例提供一种PHM系统性能的评价方法，包括如下步骤：预设定PHM系统故障等级，根据实际故障等级及获取第一预设数量样本检测的故障等级，获取故障检测准确率对应的评价结果；预设定PHM系统的寿命等级及对应的寿命区间范围，根据实际故障寿命区间及获取第二预设数量样本预测故障寿命区间的等级对应情况，获取故障预测准确率对应的评价结果；预设定PHM系统故障预测时间冗余度等级及对应的时间区间范围，根据实际故障时间冗余度的时间区间及获取第三预设数量样本预测故障的时间冗余度时间区间的等级对应情况，获取故障预测时间冗余度对应的评价结果；根据由于使用PHM系统所减少费用支出的及PHM系统的研发费及运维费，获取经济效益对应的评价结果；根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果。

在一实施例中，通过以下公式计算故障检测准确率Z：

其中，a_i表示第i个设备实际故障等级，b_i表示第i个PHM系统检测的故障等级，n1表示第一预设数量PHM系统样本数。

在一实施例中，通过以下公式计算故障预测准确率Y：

其中，x_i表示第i个设备实际寿命区间范围，y_i表示第i个PHM系统预测的寿命区间范围，n2表示第二预设数量PHM系统样本数。

在一实施例中，通过以下公式计算故障预测时间冗余度X：

其中，p_i表示第i个设备实际时间冗余度的时间区间，q_i表示第i个PHM系统预测的时间冗余度的时间区间，n3表示第三预设数量PHM系统样本数。

在一实施例中，通过以下公式计算PHM系统的经济效益M：

M＝(减少的维修费+减少的报废费+减少的停机工作收益+人员伤亡损失赔偿费)-(PHM系统研发费+PHM系统在原系统全生命周期中运维费)。

第二方面，本发明实施例一种PHM系统性能的评价系统，包括：故障检测准确率评价模块，用于预设定PHM系统故障等级，根据实际故障等级及获取第一预设数量样本检测的故障等级，获取故障检测准确率对应的评价结果；故障预测准确率评价模块，用于预设定PHM系统的寿命等级及对应的寿命区间范围，根据实际故障寿命区间及获取第二预设数量样本预测故障寿命区间的等级对应情况，获取故障预测准确率对应的评价结果；故障预测时间冗余度评价模块，用于预设定PHM系统故障预测时间冗余度等级及对应的时间区间范围，根据实际故障时间冗余度的时间区间及获取第三预设数量样本预测故障的时间冗余度时间区间的等级对应情况，获取故障预测时间冗余度对应的评价结果；经济效益评价模块，用于根据由于使用PHM系统所减少费用支出的及PHM系统的研发费及运维费，获取经济效益对应的评价结果；评价结果生成模块，用于根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果。

在一实施例中，所述评价结果展示模块将预设数量的PHM系统的评价结果同时在评价结果雷达图上进行展示。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行本发明实施例第一方面所述的方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的PHM系统性能的评价方法及系统，基于具体应用对象、应用场景及应用领域，分从故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益四个方面，对当前健康管理系统做出有效、全面、客观的评估，根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果，为健康管理系统开发和应用选择提供了指导意见。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的PHM系统性能的评价方法的一个示例的流程图；

图2为本发明实施例提供的故障等级的示意图；

图3为本发明实施例提供的寿命区间范围的示意图；

图4为本发明实施例提供PHM系统的使用时间与性能的关系图；

图5为本发明实施例提供的时间冗余度的示意图；

图6为本发明实施例提供的PHM系统性能的评价系统的一个具体示例的结构组成图；

图7为本发明实施例提供的PHM系统的性能评价结果雷达图；

图8为本发明实施例提供的计算机设备的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供的一种PHM系统性能的评价方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1：预设定PHM系统故障等级，根据实际故障等级及获取第一预设数量样本检测的故障等级，获取故障检测准确率对应的评价结果。

在实际中，故障等级的评定由所评价系统有关领域技术人员按照其应用对象、应用场景、应用领域，根据理论计算、故障模拟或实验得出来的故障等级。

在本发明实施例中，实际故障等级用字母a表示，获得方式为：在试验阶段通过故障注入、故障模拟等手段，运行阶段通过拆机等手段获得实际或接近实际的故障等级。在本实施例中分为六个故障等级，即a＝【1，6】，a∈N，仅以此举例，不以此为限。检测故障等级用字母b表示，检测故障等级和实际故障等级的划分方法和数量对应相同，即b＝【1，6】，b∈N。

实际应用中相关技术人员可根据实际需要确定其PHM系统评估所抽取的样本数的最小数为m，假设为其进行性能评估所抽取的样本数为n1，n1≥m，每个样本用标号i表示。故障检测准确率Z的计算表示为：

在一具体实施例中，如图2所示，故障等级分为6级，分别为：状态良好，运行效率降低，轻度故障，严重故障，失效和危险。每个等级对应各自的编号：状态良好＝1，运行效率降低＝2，轻度故障＝3，严重故障＝4，失效＝5，危险＝6，若抽取的样本数量为100份，则n1＝100。

步骤S2：预设定PHM系统的寿命等级及对应的寿命区间范围，根据实际故障寿命区间及获取第二预设数量样本预测故障寿命区间的等级对应情况，获取故障预测准确率对应的评价结果。

在实际中，寿命区间范围的评定由所评价系统有关领域技术人员按照其应用对象、应用场景、应用领域，根据理论计算、故障模拟或实验裁定寿命等级数和寿命区间范围。

本实施例中，实际或通过能反映实际的实验得到的寿命区间范围用字母y表示。获得方式为：在试验阶段通过加速老化等手段，运行阶段通过跟踪记录产品生命周期等手段获得实际或通过能反映实际的实验得到的寿命区间范围。在本实施例中分为六个等级，即y＝【1，6】，y∈N，仅以此举例，不以此为限。预测的寿命区间范围用字母x表示。预测的寿命区间范围和预测的寿命区间范围等级对应相同，即x＝【1，6】，x∈N。

实际应用中相关技术人员可根据实际需要确定其PHM系统评估所抽取的样本数的最小数为m，假设为其进行性能评估所抽取的样本数为n2，n2≥m，每个样本用标号i表示。故障预测准确率Y的计算表示为：

在一具体实施例中，寿命区间范围分为6级，如图3和图4所示，分别为：≥70years，≥10years，≥1year，≥1month，≥1day，≥10minutes。每个等级对应各自的编号：{≥70years}＝6，{≥10years&<70years}＝5，{≥1year&<10years}＝4，{≥1month&<1year}＝3，{≥1day&<1month}＝2，{≥10minutes&<1day}＝1。若抽取的样本数量为100份，则n2＝100。

步骤S3：预设定PHM系统故障预测时间冗余度等级及对应的时间区间范围，根据实际故障时间冗余度的时间区间及获取第三预设数量样本预测故障的时间冗余度时间区间的等级对应情况，获取故障预测时间冗余度对应的评价结果。

本发明实施例中的时间冗余度为从此刻起到发生严重故障(出现停机/失灵/发生危险之一即视为严重故障)的时间(用字母p表示)和从此刻起进行故障预测所需时间(用字母q表示)的时间差值(单位为时间)，用字母X表示。利用故障预测时间冗余度可以预知到严重故障的提前预警和采取紧急措施如停机的时间。时间冗余度的时间区间表可根据具体应用对象、应用场景、应用领域由有关领域技术人员划分裁定。如图5所示，本发明实施例中的时间冗余度分为六级。

实际应用中相关技术人员可根据实际需要确定其PHM系统评估所抽取的样本数的最小数为m，假设为其进行性能评估所抽取的样本数为n3，n3≥m，每个样本用标号i表示。故障预测时间冗余度X的计算表示为：

其中，pi表示第i个设备实际时间冗余度的时间区间，qi表示第i个PHM系统预测的时间冗余度的时间区间，n3表示第三预设数量PHM系统样本数。

步骤S4：根据由于使用PHM系统所减少费用支出的及PHM系统的研发费及运维费，获取经济效益对应的评价结果。

在本发明实施例中，通过以下公式计算PHM系统的经济效益M：

在实际应用中每个应用本PHM系统的单位都可以通过这个式子确定系统的经济效益，或者定义每百/千台应用本PHM系统的电驱动系统为一个单位；或者除以单位数得到平均经济效益。其中，使用PHM系统所减少费用支出可以通过统计法获取。

步骤S5：根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果。

需要说明的是，上述的第一预设数量、第二预设数量及第三预设数量的PHM系统样本数可以相同，可以不同，可以根据实际应用场景合理设置；上述步骤S1～步骤S4的执行过程，仅作为举例说明，不限以此顺序执行，在实际应用中，步骤S1～步骤S4可以同时并行，同时对PHM系统进行相应的性能评估。

本发明实施例提供的PHM系统性能的评价方法，基于具体应用对象、应用场景及应用领域，分从故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益四个方面，对当前健康管理系统做出较为有效、全面、客观的评估，根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果，为健康管理系统开发和应用选择提供了指导意见。

实施例2

本发明实施例提供一种PHM系统性能的评价系统，如图6所示，包括：

故障检测准确率评价模块1，用于预设定PHM系统故障等级，根据实际故障等级及获取第一预设数量样本检测的故障等级，获取故障检测准确率对应的评价结果；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。

故障预测准确率评价模块2，用于预设定PHM系统的寿命等级及对应的寿命区间范围，根据实际故障寿命区间及获取第二预设数量样本预测故障寿命区间的等级对应情况，获取故障预测准确率对应的评价结果；此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。

故障预测时间冗余度评价模块3，用于预设定PHM系统故障预测时间冗余度等级及对应的时间区间范围，根据实际故障时间冗余度的时间区间及获取第三预设数量样本预测故障的时间冗余度时间区间的等级对应情况，获取故障预测时间冗余度对应的评价结果；此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。

经济效益评价模块4，用于根据由于使用PHM系统所减少费用支出的及PHM系统的研发费及运维费，获取经济效益对应的评价结果；此模块执行实施例1中的步骤S4所描述的方法，在此不再赘述。

评价结果生成模块5，用于根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果。此模块执行实施例1中的步骤S5所描述的方法，在此不再赘述。

需要说明的是，上述模块实现相应功能的执行过程，不限固定顺序执行，在实际应用中，可以同时并行运行其功能，同时对PHM系统进行相应的性能评估。

在一实施例中，评价结果展示模块将预设数量的PHM系统的评价结果同时在评价结果雷达图上进行展示，如图7所示，通过上述四方面进行性能评判标准可以用雷达图表示，每个被评估的健康管理系统都可以在雷达图上被清楚地展示自身的性能水平，也可以就这四个方面和其他的PHM系统比较。

本发明实施例提供的PHM系统性能的评价系统，基于具体应用对象、应用场景、应用领域，分从故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益四个方面，对当前健康管理系统做出较为有效、全面、客观的性能评估，为健康管理系统开发和应用选择提供了指导意见。

实施例3

本发明实施例提供一种计算机设备，如图8所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1中的方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1中的方法。其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。

其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。

可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例中1的方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固降硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种PHM系统性能的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

预设定PHM系统故障等级，根据实际故障等级及获取第一预设数量样本检测的故障等级，获取故障检测准确率对应的评价结果；

预设定PHM系统的寿命等级及对应的寿命区间范围，根据实际故障寿命区间及获取第二预设数量样本预测故障寿命区间的等级对应情况，获取故障预测准确率对应的评价结果；

预设定PHM系统故障预测时间冗余度等级及对应的时间区间范围，时间冗余度为从此刻起到发生严重故障的时间和从此刻起进行故障预测所需时间的时间差值，用于预知到严重故障的提前预警和采取紧急措施，根据实际故障时间冗余度的时间区间及获取第三预设数量样本预测故障的时间冗余度时间区间的等级对应情况，获取故障预测时间冗余度对应的评价结果；

根据由于使用PHM系统所减少费用支出的及PHM系统的研发费及运维费，获取经济效益对应的评价结果；

根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果；

其中，通过以下公式计算故障预测准确率Y：

其中，x_i表示第i个设备实际寿命区间范围，y_i表示第i个PHM系统预测的寿命区间范围，n2表示第二预设数量PHM系统样本数；

通过以下公式计算故障预测时间冗余度X：

2.根据权利要求1所述的PHM系统性能的评价方法，其特征在于，通过以下公式计算故障检测准确率Z：

3.根据权利要求1所述的PHM系统性能的评价方法，其特征在于，通过以下公式计算PHM系统的经济效益M：

4.一种PHM系统性能的评价系统，其特征在于，包括：

故障检测准确率评价模块，用于预设定PHM系统故障等级，根据实际故障等级及获取第一预设数量样本检测的故障等级，获取故障检测准确率对应的评价结果；

故障预测准确率评价模块，用于预设定PHM系统的寿命等级及对应的寿命区间范围，根据实际故障寿命区间及获取第二预设数量样本预测故障寿命区间的等级对应情况，获取故障预测准确率对应的评价结果；

故障预测时间冗余度评价模块，用于预设定PHM系统故障预测时间冗余度等级及对应的时间区间范围，时间冗余度为从此刻起到发生严重故障的时间和从此刻起进行故障预测所需时间的时间差值，用于预知到严重故障的提前预警和采取紧急措施，根据实际故障时间冗余度的时间区间及获取第三预设数量样本预测故障的时间冗余度时间区间的等级对应情况，获取故障预测时间冗余度对应的评价结果；

经济效益评价模块，用于根据由于使用PHM系统所减少费用支出的及PHM系统的研发费及运维费，获取经济效益对应的评价结果；

评价结果生成模块，用于根据故障检测准确率、故障预测准确率、故障预测时间冗余度及经济效益的对应评价结果，生成最终的PHM系统性能评价结果；

其中，所述故障预测准确率评价模块，具体用于：通过以下公式计算故障预测准确率Y：

所述故障预测时间冗余度评价模块，具体用于：

5.根据权利要求4所述的PHM系统性能的评价系统，其特征在于，所述评价结果展示模块将预设数量的PHM系统的评价结果同时在评价结果雷达图上进行展示。

6.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-3中任一项所述的方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-3中任一项所述的方法。