电池退化是一个非平稳过程;相较于早期生命周期中的老化模式,近期的容量衰减趋势对即将发生的故障具有更强的预测性(Wu and Zhang, 2018b)。为了将这一概念嵌入建模框架,我们采用近时优先(NIP)原则(Cao et al., 2025),该原则主张距离当前时刻越近的观测值对预测具有更高的信息价值,应赋予更大的权重。 我们采用矩阵比较方法量化这一原则,为数据集中的每个周期生成权重q充放电循环m charge-discharge cycles (Yang et al., 2023)。构建m×m成对比较矩阵。对于任意周期对(i,j),将1分赋给较新的周期,较早周期则赋0分,以反映新数据更高的相关性。各行得分的总和q即为该行的总分Eq,代表其累积的“时效性优势”。最终权重Ωq为q第k个周期的评分通过如下归一化处理获得公式(2):(2)Ωq=Eq∑j=1mEj,q=1,2,…,m. 这些权重满足∑q=1mΩq=1并随以下条件单调递增q确保模型的自适应注意力偏向最新的退化数据。与隐含假设整个退化轨迹平稳性的等权重方法相比,这种基于序数比较的方案显式地编码了时间不对称性,且无需预先定义函数衰减形式。与需要选择衰减参数并假设信息以固定速率衰减的指数加权法不同,矩阵比较方法不引入额外超参数,仅依赖观测数据的相对时序关系。该方法具有尺度不变性,在退化速率可能不可预测演变的非平稳条件下仍保持结构鲁棒性。通过实施单调时效性优先策略而不对中间周期进行过度衰减,该方案在保持对晚期突变(如拐点引发的加速)高度敏感的同时,保留了有意义的中期寿命信息。这种加权机制使预测模型能对退化速率的关键变化(如快速拐点衰减的出现)产生固有响应,这对实现精确的剩余使用寿命(RUL)预测至关重要。从灰色系统理论视角看,这种基于次序的加权策略通过避免过度参数化并嵌入结构性时效偏差,天然适应小样本条件的约束。
2.2. AWFRAGM模型构建
为优先处理近期退化数据,我们采用逆向累积法进行序列构建。该方法可增强模型对电池容量衰减最新趋势的敏感性,这对健康状态(SOH)估计至关重要。 针对原始电池容量序列X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(m)},传统的一阶累加生成算子(AGO)定义为x(1)(p)=∑i=1px(0)(i) (Sifeng, 2024)。为提升模型灵活性与精度,本文引入分数阶反向累加生成算子(FRAGO)。设Y={y1,y2,…,ym}表示变换后的序列,利用Gamma函数Γ(⋅)对阶乘进行广义化,FRAGO定义为式(3):(3)y(ξ)(q)=∑i=1qΓ(ξ+q−i)Γ(q−i+1)Γ(ξ)yi,ξ>0,其中y(ξ)(q)是ξ- 阶反向累积值(控制记忆深度),且q为循环索引。与正向累积不同,该算子当ξ>0时,会固有地为近期观测赋予更高的有效权重。分数阶的引入实现了非整数记忆深度,使模型能够灵活平衡历史平滑性与对近期退化特征的响应性。 From an engineering perspective, the reverse accumulation mechanism can be intuitively interpreted as modelling degradation from a present-state or RUL viewpoint. In practical battery management, control decisions are primarily based on the current health condition and its near-future evolution rather than distant historical behaviour. By constructing the accumulated sequence in reverse order, the model naturally emphasises the most recent degradation information, which better reflects the active ageing regime and the immediate risk of accelerated failure. This interpretation aligns the mathematical structure of the operator with the decision-oriented logic of real-time BMS implementations. AWFRAGM模型的核心动力学特征由白化方程描述,这是一个控制分数阶累积序列的一阶微分方程,其定义为 %% Yong Wang et al., 2025d %% 从工程视角看,反向累积机制可直观理解为从当前状态或剩余使用寿命(RUL)角度建模性能衰退过程。实际电池管理中,控制决策主要基于当前健康状态及其近期演变趋势,而非遥远的历史行为。通过逆向构建累积序列,该模型天然强化了最新衰退信息,更准确地反映活性老化机制及突发加速失效风险。 %% 这一诠释使算子数学结构与实时电池管理系统(BMS)中面向决策的逻辑相契合。 %% (4a)方程(4a) (Yong Wang et al., 2025d):(4a)dy(ξ)(t)dt+αy(ξ)(t)=β 为估计参数α和β基于离散数据,我们将该方程离散化。通过对区间方程(4a)进行积分并应用积分中值定理,可得到模型的基本离散形式(t∈[q−1,q](4b)Sifeng, 2024):(4b)y(ξ)(q)−y(ξ)(q−1)+αz(ξ)(q)=β,q=2,3,…,m 在式(4c), zξ(q)=0.5y(ξ)(q)+y(ξ)(q−1)是背景值。重新整理后式(4b)可得到一个关于α和β:式(4b)y(ξ)(q)−y(ξ)(q−1)=β−αz(ξ)(q) 记作的线性方程当q=2,…,m时,可生成一个线性方程组(S),其可表示为矩阵形式:Y=ΨP其中:(4d)S:Ψ=−0.5(y(ξ)(1)+y(ξ)(2))1−0.5(y(ξ)(2)+y(ξ)(3))1⋮⋮−0.5(y(ξ)(m−1)+y(ξ)(m))1∈R(m−1)×2Y=y(ξ)(2)−y(ξ)(1)y(ξ)(3)−y(ξ)(2)⋮y(ξ)(m)−y(ξ)(m−1)∈R(m−1)×1P=αβ∈R2×1 参数的最小二乘解Pˆ因此为:(5)Pˆ=βˆαˆ=(ΨTΨ)−1ΨTY 求解方程(4a)采用估计参数Pˆ给出所给累加序列的时间响应函数为式(6a):(6a)yˆ(ξ)(q)=y(ξ)(1)−βˆαˆe−αˆq+βˆαˆ,q=1,2,…. 原始尺度下的最终SOH预测值,xˆ(0)(k)通过将逆FRAGO应用于yˆ(ξ)(q)获得。该逆运算以递归方式实现:(6b)xˆ(0)(q)=yˆ(ξ)(q)−∑j=1q−1Γ(ξ+q−j)Γ(q−j+1)Γ(ξ)xˆ(0)(j)初始条件为xˆ(0)(1)=x(0)(1). 因此,完整的AWFRAGM预测流程为:(i)通过数据转换式(3)(ii) 估计α,β通过式(5),(iii)通过方程(5a)生成累积预测值,(iv)通过以下方法恢复至原始尺度式(6b).
2.3. 基于GCRA的AWFRAGM优化
该数值ξ对AWFRAGM的预测精度具有显著影响。为确定其最优值,我们采用大蔗鼠算法(GCRA)——一种通过模拟大蔗鼠双季觅食行为来有效平衡探索与开发的群体智能优化器Agushaka et al., 2023)。该优化过程旨在最小化预测值与实际值之间的平均加权相对误差yˆ(0)和实际值y(0),其中加权方案来自第3.1节强调近期数据。目标函数fobj定义为: %%(7)fobj(ξ)=minξ1m−1∑q=2mΩ(q)y(0)(q)−yˆ(0)(q)y(0)(q) 是源自自适应周期依赖的权重式(7), Ω(q) are the adaptive cycle-dependent weights from 式(2)这种加权机制确保近期循环的预测误差对优化过程产生更强影响,从而使优化过程符合NIP原则。通过将自适应权重嵌入fobj(ξ)优化阶段始终优先考虑近期的退化动态。 GCRA优化通过以下六个步骤进行: