如何定性预测交流接触器的个体预期电寿命？

目前对低压电器电寿命预测的研究多集中在剩余电寿命预测，然而预测预期电寿命更能有效指导产品的使用与维护，并且提高系统服役期的可靠性。交流接触器初态特征在一定程度上能够反映个体电寿命的长短。由此，河北工业大学人工智能与数据科学学院、省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）的研究人员孙曙光、王锐雄、杜太行、王景芹、崔景瑞，在2020年第10期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于粗糙集与证据理论的交流接触器预期电寿命预测方法。经实测数据验证，在小子样情况下，该方法可定性评估交流接触器个体预期电寿命，预测效果良好。
交流接触器是一种广泛使用的低压控制电器，主要用于远距离频繁接通和开断交流主电路以及大容量控制电路，对其寿命进行预测尤为重要。目前在低压电器电寿命预测的研究中，对剩余电寿命预测的研究较多。
但考虑到在工矿、交通运输、军事、航天等领域中，因交流接触器工作模式、工作环境、操作频率等不同，一般要求交流接触器电寿命达到数万次至几十万次。特别是相关行业里某些可靠性要求高、不易修复的系统，所采用的交流接触器不能随意更换，因而交流接触器个体电寿命须达到一定范围。
若交流接触器提前退出工作状态，将直接影响系统的可靠运行，可能会造成严重的安全问题及经济损失。因此若在交流接触器出厂时就能实现交流接触器个体预期电寿命的准确预测，将便于交流接触器的使用和维护，对提高系统的安全运行水平具有重要意义。
当前，低压电器预期寿命预测的方法可分为两类：一类是基于抽样检测理论，根据样本的寿命数据推测整体的寿命分布以及与寿命有关的可靠性特征量，如平均寿命、可靠寿命等。
这类方法能够得到一批产品整体的寿命指标，但是在实际的生产过程中，因产品材料和制造工艺无法完全一致及人为因素的影响，同一批次的产品个体寿命存在一定的差别，表征整体寿命的指标无法准确反映某一个体的准确寿命情况。
另一类方法是根据产品个体的性态参数推测其寿命，此类方法建立在产品个体的参数变化与寿命的内在关联之上，可以体现同一批次下不同产品个体的寿命差别，故其适用于产品个体的寿命预测。
预测寿命的性态参数可分为两类：性能退化特征和寿命初态特征。根据产品个体的性能退化特征推测产品寿命属于在线预测，当前的研究大多集中于基于回归分析、灰色模型等数学方法建模的预测。
不确定性推理的流程一般分为两步：首先在初始信息中筛选关键指标，之后基于关键指标结合相关不确定性推理方法推导结论。初始信息中有时存在较多冗余信息，使得运算过程较为复杂，推理结果准确度不高，因此首先要在初始信息中筛选关键指标，为后续的不确定性推理奠定基础。
粗糙集理论的约简功能，可以在保持特征指标判别能力不变的情况下，删除其中不相关或不重要的指标，减少计算复杂度，在其他领域已实现较广泛的应用。
在获得关键指标的基础上，根据相关方法进行不确定推理，最终推理出具有一定不确定性但基本合理的结论。常用不确定性推理方法包括可信度方法、贝叶斯方法、粗糙集理论、证据理论等。
在处理不确定性信息上，证据理论比其他方法更加灵活，可以在不同层次上通过一定的证据合成方法对不同的证据体进行融合分析，从多方面给出对不确定性问题的描述，该方法处理过程简单，能区分“不确定”与“不知道”的差异，因此在不确定推理方面应用较为广泛。
粗糙集和证据理论的联合应用可省略粗糙集单一运用时规则提取的复杂运算，在一定程度上减少了计算量，同时可实现多属性数据的融合，更好地对已有数据之间的差异进行区分。
河北工业大学的研究人员从定性角度评估交流接触器预期电寿命，利用斯皮尔曼等级相关系数研究交流接触器特征参量和电寿命之间的内在关联，为预测方法的建立奠定基础。之后建立一种基于粗糙集与证据理论定性预测交流接触器预期电寿命的方法。
图1  交流接触器预期电寿命预测流程
利用粗糙集理论结合相关计算筛选单类初态特征的最佳属性集，组合后二次约简筛选关键初态特征；采用关键初态特征权重集和验证样本关键初态特征的匹配度表构建证据理论的独立证据，运用Dempster组合规则进行证据组合，根据融合证据计算类概率函数值，给出预期电寿命等级的不确定性度量，决策验证样本个体的预期电寿命等级。在该预测方法的基础上，结合相关实例验证方法的有效性。
该研究成果总结如下：
1）针对研究试品，由斯皮尔曼等级相关系数并结合特征参量与电寿命的总体变化趋势，发现寿命初期燃弧时间、燃弧能量、接触电阻、接触压降与电寿命存在负相关关系，它们的差异在一定程度上可以反映交流接触器个体电寿命的长短。
2）基于粗糙集理论从燃弧能量、接触压降的分段均值中筛选关键初态特征，预测所需数据量较小，减少了预测方法运算的复杂度。采用证据理论对多个证据融合，综合考虑了多个关键初态特征对寿命等级预测的影响，更好地区分了特征信息在寿命等级上的差异。粗糙集与证据理论联合应用充分发挥了相关方法的优点，使得两种方法在一定程度上进行互补。
3）在小子样且保证一定数量样本建模的情况下，针对不同的建模-验证的样本比例进行预期电寿命预测，达到了较好的预测效果，具有一定的实用性和较强的灵活性。
该方法仍可进一步研究改进，完善初态信息后进一步实现交流接触器电寿命的定量预测，以及研究交流接触器实际工况条件对电寿命的影响与预测模型参数的修正，亦可推广应用于其他低压开关电器产品的预期电寿命预测中，提高方法的适用性。

以上研究成果发表在2020年第10期《电工技术学报》，论文标题为“基于粗糙集与证据理论的交流接触器预期电寿命预测”，作者为孙曙光、王锐雄、杜太行、王景芹、崔景瑞。

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