基于EEMD排列組合熵的SVM轉子振動故障診斷研究

韓中合，焦宏超，朱霄珣，王智

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北省保定市 071003)

基于EEMD排列組合熵的SVM轉子振動故障診斷研究

韓中合，焦宏超，朱霄珣，王智

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北省保定市 071003)

對汽輪機轉子故障狀態進行準確判別一直是工程領域研究的重點。在使用支持向量機作為模式識別方法進行故障診斷的過程中，提取能明顯區別不同故障的信號特征參數，構建高質量的樣本可以較大提高支持向量機(support vector machine，SVM)模型的分類正確率。針對此問題，提出一種總體平均經驗模態分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)、排列組合熵和SVM相結合的汽輪機轉子振動多故障診斷方法。方法首先引入有向無環圖建立了多故障診斷模型，利用EEMD將振動信號分解成單一無混疊的內稟模態函數(intrinsic mode function，IMF)分量,然后計算對振動信號變化非常敏感的IMF排列組合熵作為特征向量，并應用到有向無環圖SVM進行多故障狀態識別。實驗結果表明，該方法實現了汽輪機轉子的振動多故障診斷，同時與基于EEMD能量法提取的特征向量進行對比，通過實驗證明，該方法具有更加準確的識別率。

總體平均經驗模態分解(EEMD) ；排列組合熵；支持向量機(SVM)；轉子；故障診斷

0 引 言

汽輪機轉子振動故障診斷是當前的重要研究方向。由于振動故障信號具有很大的非線性和非平穩性，會給故障診斷帶來巨大困難，所以特征提取與故障狀態識別作為故障診斷中的兩個關鍵過程，對其研究轉子振動故障診斷具有重要意義。

在特征提取方面，故障特征是振動信號與故障之間的橋梁，如何從復雜不規則的振動信號中獲取準確的特征信息，從而反應不同故障的類別，是后續故障狀態識別的基礎。

總體平均經驗模態分解[1](ensemble empirical mode decomposition，EEMD)，是在經驗模態分解方法(empirical mode decomposition，EMD)的基礎上發展的一種新的信號處理方法，不但適合處理非線性、非平穩信號，且很好地解決了EMD 方法的模態混疊和幅值失真等問題。通過EEMD可以自適應地將一個非平穩信號分解成一系列由高頻到低頻的內稟模態函數(intrinsic mode function，IMF)之和，當轉子發生不同故障時，IMF分量包含的信息也會相應地發生變化。

排列組合熵[2]是Bandt等人提出的一種衡量一維時間序列復雜度的新方法。其特點主要是計算簡單、抗噪聲能力強等，在心率信號處理[3]、旋轉機械振動信號的特征提取[4]、高速列車走行部故障診斷[5]等方面的應用中取得了良好效果，可以有效地檢測到信號的動態變化[6]。因此，可以將IMF的排列組合熵用于振動信號的分析，提取信號特征，為后續診斷模型構建特征向量。

在故障狀態識別方面，支持向量機(support vector machine，SVM)對二分類問題具有較好的診斷結果，然而實際故障往往是多分類問題。針對上述問題，在SVM的基礎上，可以利用有向無環圖方式實現多故障診斷，建立基于有向無環圖SVM的多故障診斷模型。通過引入汽輪機轉子常見的5種振動狀態，即油膜渦動、質量不平衡、動靜碰磨、轉子不對中及正常狀態，利用EEMD對振動信號進行分解，將得到的IMF分量的排列組合熵作為特征向量，應用到有向無環圖SVM進行多故障狀態識別，通過實驗證明了該方法的有效性和優越性。

1 EEMD基本原理

EEMD方法是為了解決EMD分解中模態混疊問題而提出的。原理是利用高斯白噪聲信號頻率均勻分布的特性，將其疊加到原始信號，使信號在不同尺度上具有連續性，從而達到減小模態混疊的目的。其分解步驟如下[7-8]：

(1) 在原始信號x(t)中多次加入均值為0、幅值標準差為常數的高斯白噪聲mi(t)，即：

(1)

(2) 對xi(t)分別進行EMD分解，得到一組IMF分量aij(t)和一個余項ri(t)，其中aij(t)表示第i次加入高斯白噪聲后，分解所得到的第j個IMF分量。

(3) 重復(1)和(2)步驟N次。由于加入了高斯白噪聲，因此利用不相關隨機序列統計均值為0的原理，把多次加入高斯白噪聲對原始IMF的影響消除掉。將上述對應的IMF進行總體平均運算，最終得到EEMD分解后的IMF和余項r(t)為：

(2)

(3)

式中aj(t)表示對原始信號進行EEMD分解后所得到的第j個IMF分量。

2 排列組合熵算法

排列組合熵算法的原理是基于相鄰數據的對比，其對信號變化具有較高的敏感性，能夠反映出系統的動力學突變，適于處理非線性數據。因此，利用排列組合熵進行振動信號的特征提取是可行的，具體算法[9]如下。

設長度為T的一維時間序列{xi}i=1,2,…,T。在該時間序列排列中，每隔1個樣本點取連續的m個樣點組成m維向量，即Xi=[x(i),x(i+1),…,x(i+m1)]，此時總共有Tm+1個Xi向量，對Xi中的元素進行升序排列，得：

[x(i+j1-1)≤x(i+j2-1)≤…≤x(i+jm-1)]

(4)

式中:j1,j2,…,jm表示各個元素所在的位置，這樣向量Xi的排列組合方式為{j1,j2,…,jm}，是m!種排列組合順序中的一種。在整個時間序列中，總共有Tm+1個Xi向量，所以相應的就有Tm+1個排列組合方式。設有π種不同的排列組合方式，則對每一種排列組合方式π出現的概率進行統計計算得：

(5)

式中：π=1,2,,k，且k≤m！，y表示任意一種排列組合方式π的個數。

當m≥2，排列組合熵可以用如下求和的方式計算：

(6)

可知，0≤H(m)≤ln(m!)，當時間序列是有規則的，則其排列組合熵為0；當時間序列是隨機的，則f(π！)=1/m！，排列組合熵為ln(m!)。

對排列組合熵進行歸一化處理得

H′(m)=H(m)/ln(m！)

(7)

歸一化后H′(m)的取值范圍是[0,1]，H′(m)值越大，說明時間序列越復雜；反之，則說明時間序列越規則。

3 有向無環圖SVM

SVM不但解決了小樣本問題，且有較強的非線性分類能力和故障診斷能力[10-11]。其最初是為了解決二分類問題而提出的，但是實際中故障診斷往往是多類別分類問題，所以需要構造多分類SVM。目前常用的多分類算法有“一對一”算法、“一對多”算法、有向無環圖算法等。

有向無環圖算法結構如圖1所示，對于K類分類問題(K>2)，需要構造K(K-1)/2個分類器。將這些子分類器按照一定的順序結構進行組合，分類時從最高節點開始，依據此節點的分類結果找到相應的下層節點繼續分類，直到分出某一個單獨類別為止。該算法診斷時，無須對所有的子分類器進行分析，且不存在不可分區域，有較快的分類速度[12]，所以采用有向無環圖算法進行多類分類。

圖1 四類分類問題有向無環圖結構

4 基于EEMD排列組合熵的SVM汽輪機振動故障診斷方法

將振動信號EEMD分解得到的IMF分量的排列組合熵作為特征向量，輸入有向無環圖SVM進行訓練與測試。具體步驟如下：

(1)分別在轉子的正常和4種故障狀態下，按照一定的采樣頻率進行采樣，獲得樣本數據。

(2)對每組樣本進行EEMD分解，得到若干IMF分量和一個殘余分量。

(3)利用相關性分析獲取有效IMF分量組成相應的倍頻成分，并將虛假IMF分量合并成高頻與低頻成分，維數不足的用零進行填補。

(4)計算上一步驟中不同倍頻IMF分量的排列組合熵 (計算排列組合熵時，嵌入維數m=6，時延λ=1)[6]，并進行歸一化，作為SVM的輸入特征向量。

(5)通過有向無環圖SVM進行故障識別。

5 實驗及結果分析

實驗利用Bently轉子試驗臺采集汽輪機轉子正常狀態和質量不平衡、轉子不對中、動靜碰磨、油膜渦動4種常見故障數據各20組，分別取10組作為訓練樣本，10組作為測試數據。采樣頻率為1 280 Hz，采樣點數為1 024，實驗臺轉速為3 000 r/min。

對5種狀態信號進行EEMD分解，以轉子不對中故障為例，通過相關性分析，將有效IMF分量組成相應的倍頻成分，并將虛假IMF分量合并成高頻與低頻成分，其分解結果如圖2所示。其中IMF1為二倍頻成分，IMF2為工頻成分，IMF3為低頻成分，準確地反映了不對中故障的特征信息。

圖2 不對中故障的EEMD分解結果

將5種狀態信號的IMF分量利用相關性分析進行篩選后，計算其排列組合熵，經過歸一化后作為SVM輸入的特征向量，如表1所示，是轉子5種狀態下的部分特征向量，可見排列組合熵有效地反映出分量的動態變化。

每種狀態信號各有20組數據，取10組作為訓練樣本，10組作為測試數據。由于需要診斷5種故障狀態，從而有向無環圖中需要設計10個二分類器。然后通過訓練樣本按照設計的有向無環圖結構依次訓練各個二分類器，得到診斷模型參數并保存。利用診斷模型對測試數據進行故障診斷，診斷結果如表2所示，正確識別率達到100%，證明了本方法的有效性。

此外，本文對上述100組樣本進行EEMD分解后，計算IMF分量的能量作為特征向量，用相同的診斷模型進行故障診斷，結果如表3所示，正確識別率是86%。通過比較2種方法的識別結果可知，排列組合熵方法比傳統的能量方法更準確地反映IMF分量包含的特征信息，證明了本方法的優越性。

表1 轉子5種狀態下的部分特征向量

Table 1 Parts of eigenvectors of rotor in five states

表2 基于樣本熵的診斷結果

表3 基于能量方法的診斷結果

6 結 論

(1)EEMD通過抑制EMD模態混疊可以得到更加可靠的IMF分量，同時IMF分量的排列組合熵能夠有效地反映振動信號的動態變化；

(2)將EEMD和排列組合熵結合，并運用到有向無環圖SVM進行訓練與測試，實驗結果表明，實現了汽輪機轉子的振動多故障診斷；

(3)與EEMD能量法提取的特征向量進行對比，結果表明，EEMD排列組合熵方法具有更高的準確識別率。

致 謝

本文中實驗方案的制定和實驗數據的測量記錄工作是在華北電力大學工作人員的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。

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(編輯 劉文瑩)

SVM Rotor Vibration Fault Diagnosis Based on EEMD Permutation Entropy

HAN Zhonghe，JIAO Hongchao，ZHU Xiaoxun，WANG Zhi

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

The accurate identification of the fault conditions of steam turbine rotor has been the research focus in the field of engineering. In the process of fault diagnosis by using support vector machine (SVM), extracting the signal characteristic parameters, which can clearly distinguish different fault signals to construct high-quality samples, plays a significant role in improving the classification accuracy of SVM model. To solve these problems, we propose a multiple fault diagnosis method for steam turbine rotor based on ensemble empirical mode decomposition (EEMD), permutation entropy and SVM. Firstly, this method applies directed acyclic graph to establish multiple faults diagnosis model, and uses EEMD to decompose the vibration signals into single and unmixed IMF components. Then, the permutation entropy of IMF component, which is very sensitive to the changes in vibration signal, is calculated as eigenvectors, and applied in directed acyclic graph SVM for multiple fault state recognition. The experimental results show that this method can realize the multiple faults diagnosis of turbine rotor vibration. Meanwhile, compared with the extracted eigenvectors based on EEMD energy method, the experiment proves that this method has more accurate recognition rate.

EEMD (ensemble empirical mode decomposition); permutation entropy; SVM (support vector machine); rotor; fault diagnosis

國家自然科學基金項目(51306059)

TM 62; TK 267

A

1000-7229(2016)01-0092-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.014

2015-10-12

韓中合(1964)，男，博士生導師，教授，主要研究方向為熱力設備狀態檢測與故障診斷、兩相流計算與測量 ；

焦宏超(1990)，男，通信作者，碩士研究生，主要研究方向為熱力設備狀態檢測與故障診斷 ;

朱霄珣(1985)，男，博士，講師，主要研究方向為熱力設備狀態檢測與故障診斷；

王智(1978)，男，博士，副教授，主要研究方向為濕蒸汽兩相流計算。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51306059)