随着我国在航空航天、高速轨道交通、核电等复杂装备制造领域的大规模投入,设备的可靠性与安全性保障技术正在从以往单纯的状态监控向覆盖所有关键系统的预测和健康管理进行演变。作为预测与健康管理体系框架的关键环节,研究设备可靠性建模与剩余寿命预测方法,实现主动故障预测,已经成为促使设备维修体制由预防性维修向预测性维修转化的核心技术。同时,由于现代设备功能集成度高,退化机理复杂,失效模式耦合关系强,这些因素为设备的健康评估带来了极大的挑战。如何实现有效、准确的设备可靠性建模与剩余寿命预测已成为亟待解决的重大工程问题。本论文针对数据驱动的设备可靠性建模与剩余寿命预测研究中存在的问题,系统分析了典型设备的失效机理和主要故障模式;在此基础上以连续时间马尔科夫链-比例风险模型的架构为主线,深入研究了多状态、灵活退化机制条件下的设备可靠性建模与剩余寿命预测技术、模型解算技术、模型参数估计技术,并将理论研究有效应用于关键电子部件功率MOSFETs(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors)的剩余寿命预测中;同时,进一步深入研究了连续退化设备的退化建模方法、设备在硬故障条件下与依赖型竞争风险条件下的可靠性建模与剩余寿命预测方法;通过数值案例的分析验证了方法的实用性和准确性,拓展了连续时间马尔科夫链-比例风险模型方法的适用范围,为数据驱动的设备可靠性建模与剩余寿命预测提供了一种新思路和新方法。本文的主要创新研究成果如下:1.提出了一种多退化状态、灵活退化机制下的设备可靠性建模和剩余寿命预测方法。通过全周期寿命矩阵将设备的退化和失效行为融入统一的模型框架,开发了转移矩阵法实现对设备条件可靠度、平均剩余寿命等健康参数的显式闭环求解与预测,突破了传统方法仅能处理少量退化状态、单一退化机制的设备健康评估的局限,拓展了连续时间马尔科夫链-比例风险模型的工程适用面。通过案例研究并与传统方法比较对所提方法的有效性和准确性进行了分析和验证。同时,健康参数的显式闭环形式具备优秀的算法复杂度和运算效率,满足嵌入式环境下对算法低功耗高效率的实际工程需求。2.基于关键电子部件功率MOSFETs的加速失效试验,开发了功率MOSFETs在硬故障失效模式下的可靠性建模与剩余寿命预测的工程案例,将所提的多退化状态、灵活退化机制下的设备剩余寿命预测理论方法进行了有效工程化应用。其中,功率MOSFETs的退化过程通过连续时间马尔科夫链的方法进行建模,然后该退化模型作为协变量过程引入比例风险模型对器件风险率函数进行建模。建立了基于k-means的连续退化过程离散化技术实现对部件退化过程的离散化表示。同时,提出了针对退化过程的参数估计方法和针对风险率模型的最大似然度的参数估计方法。研究表明,所提方法能够有效处理功率MOSFETs的可靠性建模和剩余寿命预测中的多退化状态、灵活退化机制难题,同时为该理论方法在其他关键设备上的应用提供了一个示范性的工程案例。3.提出了一种连续退化设备在硬故障失效模式下的可靠性建模和剩余寿命预测方法。其中,针对非单调、单调退化设备的退化过程分别采用Wiener、Gamma随机过程进行驱动,并将该退化过程作为协变量过程引入比例风险模型对设备的硬故障风险率进行建模。开发了连续随机退化过程与监测时间轴的离散化技术,实现了连续退化过程与连续时间马尔科夫链的对接。通过转移矩阵法实现模型架构的解算,并实现了设备健康参数的显式闭环形式求解。最后,通过案例对方法的有效性和准确性进行了分析和验证。4.提出了一种连续退化设备在依赖型竞争风险下的可靠性建模与剩余寿命预测方法。设备的软故障失效由退化过程超过预定的失效阈值触发,该退化过程作为协变量引入比例风险模型对硬故障的风险率进行建模,硬故障和软故障之间的依赖关系通过设备的退化过程实现。基于全周期寿命矩阵对联合退化和竞争风险失效过程的行为进行概率描述,实现设备在依赖型竞争风险下退化与失效行为的统一模型架构,并采用转移矩阵法实现了相关健康参数的显式闭环形式求解。研究表明,所提方法能够有效支持设备在依赖型竞争风险失效条件下的可靠性建模和健康评估。