基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備故障診斷

朱曉琨

摘 要:電氣設(shè)備的故障診斷對于提高生產(chǎn)效率具有十分重要的意義。然而,隨著設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜度的不斷提高,故障診斷也成為一項越來越難的工作。在分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)上,提出一種基于3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電氣故障診斷方法,并以發(fā)動機故障檢測為實例,分析特征向量提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等問題。通過輸入樣本訓(xùn)練及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試表明,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障檢測診斷問題中具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞:電氣設(shè)備;故障診斷;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);學(xué)習(xí)算法

中圖分類號:TP183

近年來,隨著電氣設(shè)備復(fù)雜度的增加,其發(fā)生故障的概率也逐漸上升。即使是熟練工程師,面對日趨復(fù)雜的設(shè)備內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu),也難以迅速分析及判別其故障原因。與此同時,涌現(xiàn)出的各種智能算法、專家系統(tǒng)等,為設(shè)備診斷問題提供了可行的方案。其中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其特有優(yōu)勢在電氣設(shè)備故障診斷中發(fā)揮了重要作用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是人工智能、認(rèn)知學(xué)、腦神經(jīng)學(xué)、信息學(xué)等諸多學(xué)科融合發(fā)展的結(jié)果,它是由大量簡單的處理單元(稱為神經(jīng)元),通過廣泛的互相連接而形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)能力,可以根據(jù)電氣設(shè)備的正常歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練,將訓(xùn)練結(jié)果信息與當(dāng)前測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,以確定故障。同時它具有濾除噪聲的能力,這使其能在噪聲環(huán)境中有效地在線監(jiān)測及診斷。其具有的分辯故障原因及類型的能力,為未來實現(xiàn)故障智能診斷奠定了基礎(chǔ)。本文介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其學(xué)習(xí)算法,提出一種基于BP網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備故障診斷方法,通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練及結(jié)果測試表明,該方法具有良好的故障診斷能力。[JP]

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很多模型,例如BP網(wǎng)絡(luò)、Kohonen,Hopfield及ART等。其中,反向傳播網(wǎng)絡(luò)(Back[CD*2]Propagation Network)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用中有著十分重要的影響,工程應(yīng)用中的絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型都采用BP模型或其變形,可以說BP模型體現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的精華。

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

以三層前向BP網(wǎng)絡(luò)為例,對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,其組成包括輸入層、隱含層和輸出層。如圖1所示,圖中圓圈表示神經(jīng)元,W﹊r表示輸入層第i個神經(jīng)元與隱含層第r個神經(jīng)元的連接權(quán)值;V﹔j表示隱含層第r個神經(jīng)元與輸出層第j個神經(jīng)元的連接權(quán)值;其間的連線表示神經(jīng)元之間的相互作用強度。И

從圖1的結(jié)構(gòu)中可以得到,隱含層節(jié)點的輸出函數(shù)和輸出層節(jié)點的輸出函數(shù)分別為:

式中:T璻和θ璻分別為隱含層和輸出層的單元閾值。在本文設(shè)計的獴P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,式(1)中的f(?)采用玸igmoid函數(shù),即f(x)=(1+e-x)-1。И

1.2 BP學(xué)習(xí)算法

BP模型的成功得益于BP算法的應(yīng)用,即誤差反向傳播算法。BP算法屬于梯度下降算法,是一種監(jiān)督式的學(xué)習(xí)算法。用網(wǎng)絡(luò)的實際輸出與目標(biāo)矢量之間的誤差來修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,使輸出與期望盡可能接近(網(wǎng)絡(luò)輸出層的誤差平方和達(dá)到最小);通過反復(fù)在誤差函數(shù)梯度下降方向上調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的變化,逐漸逼近目標(biāo)。每次權(quán)值和偏差的變化都與網(wǎng)絡(luò)輸出誤差的影響成正比,并以反向傳播的方式傳遞到每一層。BP網(wǎng)絡(luò)是由兩部分組成:信息的正向傳遞和誤差的反向傳播。

設(shè)神經(jīng)元的輸入矢量為[WTHX]X[WTBX]=[x1,x2,…,x璶],其中n是輸入層的神經(jīng)元數(shù)。對應(yīng)于輸入[WTHX]X的輸出矢量是℡[WTBX]=[y1,y2,…,y璵],其中m 是輸出層的神經(jīng)元數(shù)。如果要求網(wǎng)絡(luò)的期望輸出是[WTHX]T[WTBX]=[t1,t2,…,t璵],г蛭蟛詈數(shù)可以定義為:

BP算法采用梯度下降法來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值,以使上述誤差函數(shù)減小,即:

Иw(n+1)=w(n)-η(礒/祑)[JY](3)И

式中:常數(shù)Е鞘僑ㄖ檔髡速率,通常取值0.01≤η≤1。權(quán)值WУ牡髡方法采用以下公式:

式中:ИΔ玾﹑q表示某層第p個節(jié)點到下一層第q個節(jié)點的權(quán)值修正量;x璸表示節(jié)點p的輸出;δ璹表示節(jié)點qУ畝說愕燃畚蟛,由輸出層的等效誤差反傳而來:

式中:對應(yīng)BP模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖1);節(jié)點玵位于輸出層;節(jié)點h位于隱層。

2 電氣設(shè)備故障檢測實例

在電氣設(shè)備中發(fā)動機是故障率比較高的設(shè)備之一,其在故障診斷中比較具有代表性。在此,以發(fā)動機為例,分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電氣設(shè)備故障診斷過程中的一般模式及步驟。

2.1 網(wǎng)絡(luò)樣本選取及參數(shù)選擇

分析發(fā)動機的常見故障模式,首先選擇具有代表性的故障作為特征向量,取[WTHX]X[WTBX]=[x1,x2,x3,x4]作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。其中:x1代表功率不足故障;x2代表聲音異常故障;x3代表排氣溫度高故障;x4代表消耗量過大故障。通過分析故障原因,取[WTHX]Y[WTBX]=[y1,y2,y3,y4,y5]作為目標(biāo)輸出向量。其中:y1代表點火不正確;y2代表高壓線圈損壞;y3代表出現(xiàn)燃爆現(xiàn)象;y4代表進(jìn)氣排氣管故障;y5代表增壓積炭過多故障。表1給出了輸入故障現(xiàn)象[WTHX]X和輸出原因分析Y[WTBX]е間的對應(yīng)關(guān)系。

由此可知,在設(shè)計基于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)中,輸入層神經(jīng)元節(jié)點數(shù)N=4,輸出層神經(jīng)元節(jié)點數(shù)M=5。由公式h=(N+M)+σ可得隱含層神經(jīng)元節(jié)點數(shù)h取3~6之間的數(shù)。И

2.2 訓(xùn)練及測試

通過輸入樣本組對所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,選擇訓(xùn)練誤差為10-6。例如,輸入樣本玔WTHX]X[WTBX]=[0,0,1,0],調(diào)整網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),使其輸出接近目標(biāo)[WTHX]Y[WTBX]=[1,0,0,1,0],即當(dāng)發(fā)生排氣溫度過高故障時,可能原因是點火不正確以及進(jìn)氣排氣管問題。訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的過程,實際上就是調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的過程,具體來說,最主要的就是確定各個網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。最終訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)在測試過程中,能較為準(zhǔn)確地診斷出故障問題的原因。在工程使用過程中,選擇故障檢測過程中各種儀器測量出來、有代表意義的測量數(shù)據(jù),根據(jù)先驗知識及專家分析,組成輸入樣本和目標(biāo)向量組,對設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中,可增加輸入樣本的數(shù)量。因為通過大量樣本訓(xùn)練,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能具有更好的適應(yīng)性和魯棒性,其故障診斷的準(zhǔn)確性有所提高。采用C++猙uilder及Matlab混合編程,前者負(fù)責(zé)做界面系統(tǒng)的開發(fā),后者集中在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的設(shè)計上,據(jù)此進(jìn)一步提高本工作的實際應(yīng)用能力。

3 結(jié) 語

電氣設(shè)備故障診斷對科研及生產(chǎn)過程有很大作用,快速準(zhǔn)確地尋找故障原因,能極大地提高工作生產(chǎn)效率。與此同時,各種智能算法、仿生算法正迅速發(fā)展,并逐漸從實驗室研究走向工程應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其學(xué)習(xí)能力、記憶性能及容錯能力等優(yōu)勢,在各種智能算法中脫穎而出。本文分析了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其學(xué)習(xí)算法,提出一種基于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電氣故障診斷方法,并以發(fā)動機故障檢測實例分析了特征向量的提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等問題,編程實現(xiàn)了工程應(yīng)用演示程序。輸入樣本訓(xùn)練及網(wǎng)絡(luò)測試表明,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障檢測診斷問題中具備容錯、推測、記憶、自適應(yīng)等特點,具有很高的實用價值。