网络化动态系统的故障预报

This project will research the fault prognostics theory and algorithm based on lossy measurements for dynamic systems under the combined impacts of multiple network induced factors. The proposed research works include the state estimation theory based on incomplete information for nonlinear dynamic system in network environment, multistep fault prognostics theory based on lossy measurements for networked dynamics systems, robust fault prognostics algorithm for networked dynamic system operating in complex and changing environment with uncertainty of noise statistical properties and systems model etc. These research thrusts are the continuation and extension of our finished projects "Fault diagnosis and safety theory for complex networked control systems(Grant number 60874053，from 2009.1 to 2011.12)" and "Fault diagnosis and fault-tolerant control for networked control systems(Grant number 60274014; From 2003.01 to 2005.12)", which are all sponsored by the National Natural Science Foundation of China. By completing this project, our goal is to fully understand the impacts of multiple network induced factors to networked system fault prognostics or remote fault prognostics over network, and develop new estimation theory based multistep fault prognostics theory and robust multistep fault prognostics theory for networked dynamic systems etc.

本项目研究网络多因素综合影响下的动态系统基于有损信息的故障预报理论与算法。研究内容包括：网络环境中基于有损信息的非线性动态系统状态估计理论；网络环境中基于有损信息的动态系统多步故障预报理论；存在模型和噪声统计特性的不确定性，且处于复杂、变化环境中的网络化动态系统鲁棒故障预报算法等问题。本项目是申请人已经完成的国家自然科学基金项目"复杂网络化控制系统的故障诊断与安全性（批准号：60874053，起止期：：2009.1-2011.12）"，"网络化控制系统的故障诊断与容错控制（批准号60274014，起止期：2003.01-2005.12）"研究工作的延续和扩展。通过完成本项研究，期望能够充分了解网络因素对网络化系统或者基于网络的远程故障预报算法产生的影响，提出和建立较为系统的网络化系统基于状态估计理论的多步故障预报、鲁棒多步故障预报算法等。

网络化系统的状态估计理论有着广泛的应用领域，同时也是网络化系统故障预报和剩余寿命估计的理论基础。本项目聚焦网络多因素综合影响下，动态系统基于有损信息的故障预报理论与算法。期望通过本项目的研究，能够掌握网络因素对网络化系统或者基于网络的远程故障预报算法产生的影响，提出较为系统的基于状态估计理论的网络化系统多步故障预报、鲁棒多步故障预报算法。已经取得的主要进展大致可以概括为四个方面：1) 网络化非高斯非线性随机系统的状态估计理论。提出了几种有损测量下的改进型粒子滤波算法，推导了相应的条件克拉美-罗下界，用来评价滤波器的性能。2）网络化不确定系统的鲁棒状态估计理论。给出了噪声协方差未知和有损测量影响下线性不确定系统的鲁棒卡尔曼滤波器；针对状态矩阵中具有范数有界和随机不确定性的线性不确定系统，在同时存在随机时变时延和测量丢失的情况下，提出了一种鲁棒卡尔曼滤波器；针对存在的测值丢失、随机发生不确定性和系统矩阵带范数有界不确定性的线性离散系统，给出了基于事件触发的鲁棒状态估计器。3）非线性随机系统故障估计与预报。对带有加性故障和乘性故障的一类非线性随机系统，分别给出了具有较高精度的故障估计算法；在这些工作基础上，给出了网络化非线性随机系统早期故障的估计和预报算法。4）故障预报与剩余寿命估计的互补组合方法。提出了基于双预报器的剩余寿命估计算法，该方法基于偏差校正的思想，融合了无迹卡尔曼滤波器算法、完备总体经验模态分解算法以及相关向量机算法；提出了一种具有不确定性评估能力的组合型故障预测算法，该方法组合了粒子滤波和相关向量机算法，预测结果由一组确定性预测值和评估不确定性的预测区间组成。这些研究进展具有重要理论价值和应用于众多工业领域的潜力。