- 頭條如何定性預測交流接觸器的個體預期電壽命？2021-08-03 作者：孫曙光 王銳雄 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語目前對低壓電器電壽命預測的研究多集中在剩余電壽命預測，然而預測預期電壽命更能有效指導產品的使用與維護，并且提高系統服役期的可靠性。交流接觸器初態特征在一定程度上能夠反映個體電壽命的長短。由此，河北工業大學人工智能與數據科學學院、省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）的研究人員孫曙光、王銳雄、杜太行、王景芹、崔景瑞，在2020年第10期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于粗糙集與證據理論的交流接觸器預期電壽命預測方法。經實測數據驗證，在小子樣情況下，該方法可定性評估交流接觸器個體預期電壽命，預測效果良好。
交流接觸器是一種廣泛使用的低壓控制電器，主要用于遠距離頻繁接通和開斷交流主電路以及大容量控制電路，對其壽命進行預測尤為重要。目前在低壓電器電壽命預測的研究中，對剩余電壽命預測的研究較多。
但考慮到在工礦、交通運輸、軍事、航天等領域中，因交流接觸器工作模式、工作環境、操作頻率等不同，一般要求交流接觸器電壽命達到數萬次至幾十萬次。特別是相關行業里某些可靠性要求高、不易修復的系統，所采用的交流接觸器不能隨意更換，因而交流接觸器個體電壽命須達到一定范圍。
若交流接觸器提前退出工作狀態，將直接影響系統的可靠運行，可能會造成嚴重的安全問題及經濟損失。因此若在交流接觸器出廠時就能實現交流接觸器個體預期電壽命的準確預測，將便于交流接觸器的使用和維護，對提高系統的安全運行水平具有重要意義。
當前，低壓電器預期壽命預測的方法可分為兩類：一類是基于抽樣檢測理論，根據樣本的壽命數據推測整體的壽命分布以及與壽命有關的可靠性特征量，如平均壽命、可靠壽命等。
這類方法能夠得到一批產品整體的壽命指標，但是在實際的生產過程中，因產品材料和制造工藝無法完全一致及人為因素的影響，同一批次的產品個體壽命存在一定的差別，表征整體壽命的指標無法準確反映某一個體的準確壽命情況。
另一類方法是根據產品個體的形態參數推測其壽命，此類方法建立在產品個體的參數變化與壽命的內在關聯之上，可以體現同一批次下不同產品個體的壽命差別，故其適用于產品個體的壽命預測。
預測壽命的性態參數可分為兩類：性能退化特征和壽命初態特征。根據產品個體的性能退化特征推測產品壽命屬于在線預測，當前的研究大多集中于基于回歸分析、灰色模型等數學方法建模的預測。
不確定性推理的流程一般分為兩步：首先在初始信息中篩選關鍵指標，之后基于關鍵指標結合相關不確定性推理方法推導結論。初始信息中有時存在較多冗余信息，使得運算過程較為復雜，推理結果準確度不高，因此首先要在初始信息中篩選關鍵指標，為后續的不確定性推理奠定基礎。
粗糙集理論的約簡功能，可以在保持特征指標判別能力不變的情況下，刪除其中不相關或不重要的指標，減少計算復雜度，在其他領域已實現較廣泛的應用。
在獲得關鍵指標的基礎上，根據相關方法進行不確定推理，最終推理出具有一定不確定性但基本合理的結論。常用不確定性推理方法包括可信度方法、貝葉斯方法、粗糙集理論、證據理論等。
在處理不確定性信息上，證據理論比其他方法更加靈活，可以在不同層次上通過一定的證據合成方法對不同的證據體進行融合分析，從多方面給出對不確定性問題的描述，該方法處理過程簡單，能區分“不確定”與“不知道”的差異，因此在不確定推理方面應用較為廣泛。
粗糙集和證據理論的聯合應用可省略粗糙集單一運用時規則提取的復雜運算，在一定程度上減少了計算量，同時可實現多屬性數據的融合，更好地對已有數據之間的差異進行區分。
河北工業大學的研究人員從定性角度評估交流接觸器預期電壽命，利用斯皮爾曼等級相關系數研究交流接觸器特征參量和電壽命之間的內在關聯，為預測方法的建立奠定基礎。之后建立一種基于粗糙集與證據理論定性預測交流接觸器預期電壽命的方法。
圖1 交流接觸器預期電壽命預測流程
利用粗糙集理論結合相關計算篩選單類初態特征的最佳屬性集，組合后二次約簡篩選關鍵初態特征；采用關鍵初態特征權重集和驗證樣本關鍵初態特征的匹配度表構建證據理論的獨立證據，運用Dempster組合規則進行證據組合，根據融合證據計算類概率函數值，給出預期電壽命等級的不確定性度量，決策驗證樣本個體的預期電壽命等級。在該預測方法的基礎上，結合相關實例驗證方法的有效性。
該研究成果總結如下：
1）針對研究試品，由斯皮爾曼等級相關系數并結合特征參量與電壽命的總體變化趨勢，發現壽命初期燃弧時間、燃弧能量、接觸電阻、接觸壓降與電壽命存在負相關關系，它們的差異在一定程度上可以反映交流接觸器個體電壽命的長短。
2）基于粗糙集理論從燃弧能量、接觸壓降的分段均值中篩選關鍵初態特征，預測所需數據量較小，減少了預測方法運算的復雜度。采用證據理論對多個證據融合，綜合考慮了多個關鍵初態特征對壽命等級預測的影響，更好地區分了特征信息在壽命等級上的差異。粗糙集與證據理論聯合應用充分發揮了相關方法的優點，使得兩種方法在一定程度上進行互補。
3）在小子樣且保證一定數量樣本建模的情況下，針對不同的建模-驗證的樣本比例進行預期電壽命預測，達到了較好的預測效果，具有一定的實用性和較強的靈活性。
該方法仍可進一步研究改進，完善初態信息后進一步實現交流接觸器電壽命的定量預測，以及研究交流接觸器實際工況條件對電壽命的影響與預測模型參數的修正，亦可推廣應用于其他低壓開關電器產品的預期電壽命預測中，提高方法的適用性。
以上研究成果發表在2020年第10期《電工技術學報》，論文標題為“基于粗糙集與證據理論的交流接觸器預期電壽命預測”，作者為孫曙光、王銳雄、杜太行、王景芹、崔景瑞。
