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    工業(yè)4.0的剩余使用壽命(RUL)預(yù)測模型

    2022年12月27日 10:49:12   來源:千家網(wǎng)

      在我們進(jìn)入方法論之前,讓我們先來看看什么是剩余使用壽命(RUL)。

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      預(yù)測剩余使用壽命(RUL)是行業(yè)4.0方法的核心優(yōu)勢之一。由于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的快速部署,振動、壓力、電流和溫度等變量的數(shù)據(jù)源現(xiàn)在變得廣泛且隨時可用。這一點(diǎn),再加上數(shù)字維護(hù)記錄,提供了前所未有的對設(shè)備健康狀況的洞察。

      對這些數(shù)據(jù)的訪問來得再合適不過了。在新數(shù)字設(shè)備爆炸的同時,還有另外兩個重要的發(fā)展:勞動力老齡化和深度學(xué)習(xí)的進(jìn)步。過去,預(yù)測何時應(yīng)該更換設(shè)備在很大程度上依賴于主題專家的輸入。這種專門知識依賴于精選的具有高度專業(yè)化知識的個人。隨著美國勞動力的不斷老齡化,這些人中的許多人正在離開這個行業(yè),造成了巨大的知識差距。此外,廉價(jià)的GPU和更深入的模型的出現(xiàn),增加了在故障發(fā)生之前預(yù)測故障的高質(zhì)量人工智能選擇的可能性。在我們進(jìn)入方法論之前,讓我們先來看看什么是剩余使用壽命(RUL)。

      什么是剩余使用壽命(RUL)?

      RUL是機(jī)器在需要維修或更換之前可能運(yùn)行的時間長度。通過考慮RUL,工程師可以計(jì)劃維護(hù)、優(yōu)化操作效率并避免計(jì)劃外停機(jī)。盡管有細(xì)微差別,但與異常檢測相比,這一概念是不同的。異常檢測可以在預(yù)測剩余使用壽命方面發(fā)揮作用,但它更關(guān)注將迅速降低設(shè)備性能的突發(fā)事件。RUL更注重長期資產(chǎn)管理,并以年數(shù)而不是天數(shù)來衡量。

      預(yù)測RUL方法

      用于預(yù)測RUL的方法多種多樣,但大致可分為三個基本類別:

      1.基于專家的系統(tǒng):這種類型的方法相對簡單,嚴(yán)重依賴于人工輸入。本質(zhì)上,這個系統(tǒng)只是將當(dāng)前數(shù)據(jù)與以前觀察到的專家分類的實(shí)例進(jìn)行比較。這些是人類制定的規(guī)則或閾值,與特定的RUL相關(guān)聯(lián)。這些規(guī)則可以簡單地包含在程序/手冊中,或者與模糊邏輯輸出相關(guān)聯(lián)。在所有方法中,這是最不精確的,因?yàn)檩敵龌旧鲜请x散的。此外,它可能無法很好地處理以前未分析的事件。它還需要來自主題專家的大量初始輸入。

      2.基于物理的系統(tǒng):基于物理的系統(tǒng)本質(zhì)上是手工制作的數(shù)學(xué)模型,旨在根據(jù)物理特性預(yù)測未來的退化。請注意,這些模型是特定于故障模式的。例如,1962年提出了一種基于材料和載荷變化的裂紋增長方法。這些類型的模型可能非常精確,但需要大量的專業(yè)知識和輸入。

      3.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型:在這里提供的所有方法中,這種方法是最容易推廣的,并且需要很少的設(shè)備專家輸入。它是統(tǒng)計(jì)驅(qū)動的,這意味著需要大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來開發(fā)初始模型。這種方法將在下一節(jié)進(jìn)一步闡述。

      基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法

      #1:受監(jiān)督

      監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法可能是最直觀的,但從數(shù)據(jù)注釋的角度來看,它往往是最昂貴的。為了真正能夠訓(xùn)練一個完全受監(jiān)督的模型,需要大量的數(shù)據(jù)和多次、全生命周期的運(yùn)行才能有效。此外,盡管異常檢測和RUL是兩碼事,但是將異常檢測輸入到RUL模型中的能力非常重要。根據(jù)異常檢測的定義,數(shù)據(jù)就是異常的。這意味著即使有大量數(shù)據(jù)緩存,某些場景也可能不存在。

      盡管某些情況僅與年齡相關(guān),但其他退化曲線與資產(chǎn)壽命期間的某個事件關(guān)系更密切。例如,大型電機(jī)壽命中的過壓事件可能會顯著改變組件的退化曲線。模型需要能夠識別這些現(xiàn)象并相應(yīng)地更新曲線。有糾正數(shù)據(jù)缺失的方法。存在可用于擴(kuò)充真實(shí)世界數(shù)據(jù)的多個合成數(shù)據(jù)集。監(jiān)督模型可以在大型泵/馬達(dá)的模擬上進(jìn)行訓(xùn)練,然后根據(jù)所討論的特定資產(chǎn)的真實(shí)世界數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)。歸根結(jié)底,這是一個時間序列問題;可以將來自各種傳感器的某個時間段提供給模型,目標(biāo)預(yù)測變量是剩余壽命。

      #2:無人監(jiān)管

      盡管研究較少,但完全無人監(jiān)管的RUL方法確實(shí)存在。這種方法的好處是不需要標(biāo)記。換句話說,數(shù)據(jù)直接提供給模型,并輸出預(yù)測。一個這樣的例子是利用自動編碼器方法。這種類型的模型本質(zhì)上輸出“正常”數(shù)據(jù)是如何基于以前看到的數(shù)據(jù)的。這被耦合以創(chuàng)建稱為虛擬健康指數(shù)的度量,該度量然后被用作長期短期記憶類型模型的輸入,以進(jìn)行RUL預(yù)測。從出版日期可以看出,這種方法是最前沿的。如果有人能夠使用無監(jiān)督的方法來準(zhǔn)確預(yù)測RUL,這將是該領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變。

      #3:半監(jiān)督

      這種方法代表了上述兩種選擇之間的某種妥協(xié)。它允許進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練,并在任何監(jiān)督學(xué)習(xí)之前識別退化階段類型。利用C-MAPPS數(shù)據(jù)集(該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)),一種方法能夠產(chǎn)生最先進(jìn)的結(jié)果。這種方法有些復(fù)雜,因?yàn)樗褂昧艘粋受限的玻爾茲曼機(jī)器和一個長期短期記憶模型,而所有參數(shù)都通過使用遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化。從短期來看,這種半監(jiān)督的方法可能是最佳商業(yè)案例的模型類型。

      認(rèn)識工業(yè)4.0

      為了充分實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的優(yōu)勢,必須開發(fā)和實(shí)施RUL預(yù)測模型。物聯(lián)網(wǎng)傳感器的快速部署以及關(guān)鍵主題專家的不斷流失推動了這一發(fā)展?捎脭(shù)據(jù)的爆炸使得以前無法達(dá)到的準(zhǔn)確性成為可能。通過正確的實(shí)施,工業(yè)4.0的好處可以為任何公司提供更長的資產(chǎn)運(yùn)行時間和更好的維護(hù)策略。

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