家電產(chǎn)品故障自動(dòng)診斷的數(shù)據(jù)采集與處理

四川虹美智能科技有限公司 何 艷

隨著家電的物聯(lián)網(wǎng)化，原來(lái)僅能提供功能的家電設(shè)備，在擁有了物聯(lián)網(wǎng)功能后，能將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)上報(bào)到云端，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后能用于設(shè)備健康狀態(tài)的判定，對(duì)故障進(jìn)行診斷甚至是預(yù)判。

在故障診斷和預(yù)判的領(lǐng)域，多數(shù)人都將重心放在了算法方面，忽略了數(shù)據(jù)采集對(duì)模型預(yù)測(cè)的影響。目前圖像識(shí)別發(fā)展較快也相對(duì)比較成熟，但圖像識(shí)別是基于圖片清晰度和像素屬性規(guī)范的數(shù)據(jù)輸入的基礎(chǔ)上做出來(lái)的，輸入?yún)?shù)是豐富而完整的。而家電產(chǎn)品的故障自動(dòng)診斷中，哪些參數(shù)與故障診斷相關(guān)性較強(qiáng)，這些數(shù)據(jù)又如何獲取，這會(huì)是決定算法模型好壞的最根本因素。

本文主要討論為做家電產(chǎn)品故障自動(dòng)診斷而采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方法。

1 數(shù)據(jù)輸入

基于PHM思想，參考美國(guó)機(jī)械信息管理開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟提出的OSA/CBM體系結(jié)構(gòu)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)部分和故障預(yù)測(cè)部分是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。其中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集（Data Acquire）和數(shù)據(jù)處理(Data Processing)兩個(gè)模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊中，借助傳感器、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、傳統(tǒng)測(cè)試工具或者人工目測(cè)，采集被測(cè)對(duì)相關(guān)的各種紅參數(shù)和相關(guān)信息。

在家電產(chǎn)品中，由于產(chǎn)品數(shù)量多，且受硬件成本的限制，數(shù)據(jù)采集無(wú)法采用離線人工采集的方式，也無(wú)法應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)試工具或者專業(yè)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備采集相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集的來(lái)源范圍受限制。

輸入數(shù)據(jù)維度：家電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中可采集的數(shù)據(jù)主要有三類：設(shè)備運(yùn)行設(shè)定參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、傳感器采集的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，對(duì)這些數(shù)據(jù)加上設(shè)備ID、時(shí)間戳等一起上傳到云端。

輸入數(shù)據(jù)精度：對(duì)于每一維度的輸入數(shù)據(jù)，最初都按照業(yè)務(wù)解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳，比如溫度數(shù)據(jù)為兩位整數(shù)和小數(shù)點(diǎn)后一位，狀態(tài)數(shù)據(jù)則是0或者1。

輸入數(shù)據(jù)采集頻度：數(shù)據(jù)上報(bào)主要考慮設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的狀態(tài)變化快慢，數(shù)據(jù)采集頻度對(duì)故障診斷和預(yù)判的影響，考慮在線設(shè)備數(shù)量的多少，消息服務(wù)器的承載能力，存儲(chǔ)服務(wù)器的需求，設(shè)備持續(xù)增加帶來(lái)的服務(wù)器負(fù)載和容量的增加等因素，綜合設(shè)定。

數(shù)據(jù)采集需要論證和驗(yàn)證。數(shù)據(jù)采集的論證是指根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)理建立模型，分析健康設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)特征，在逐漸運(yùn)行至發(fā)生故障的過(guò)程中參數(shù)的特征，直至故障導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行的臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)的特征。

一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備運(yùn)行機(jī)理的模型建立，需要對(duì)設(shè)備系統(tǒng)非常專業(yè)的人來(lái)建立，這對(duì)人員的專業(yè)性和經(jīng)驗(yàn)有著相當(dāng)高的要求，這時(shí)我們可以采取另外一種方式，驗(yàn)證方法。主要的原理是先采集目前可獲取的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練模型，再用同樣的方法采集數(shù)據(jù)，但增加相應(yīng)的采集維度，再訓(xùn)練模型，在不同的輸入數(shù)據(jù)維度上訓(xùn)練模型的判斷準(zhǔn)確率有所不同，從而驗(yàn)證輸入?yún)?shù)對(duì)于算法的影響程度。

2 數(shù)據(jù)處理

原始采集的數(shù)據(jù)是不均衡數(shù)據(jù)集，即絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是健康設(shè)備正常工作的瞬時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，很小部分?jǐn)?shù)據(jù)是出現(xiàn)故障的狀態(tài)數(shù)據(jù)，還有一部分是設(shè)備從正常狀態(tài)逐步過(guò)渡到故障狀態(tài)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

從機(jī)器學(xué)習(xí)角度出發(fā)，對(duì)于不均衡數(shù)據(jù)集通常會(huì)進(jìn)行一些數(shù)據(jù)處理，比如，從數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，主要方法為采樣，分為欠采樣和過(guò)采樣以及對(duì)應(yīng)的一些改進(jìn)方法。從算法角度出發(fā)，考慮不同誤分類情況代價(jià)的差異性對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，主要是基于代價(jià)敏感學(xué)習(xí)算法，代表的算法有adacost。另外可以將不平衡數(shù)據(jù)集的問(wèn)題考慮為一分類（One Class Learning）或者異常檢測(cè)（Novelty Detection）問(wèn)題，代表的算法有One-class SVM。

在這里，我們從數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的角度出發(fā)，考慮故障機(jī)理，首先選取所有故障的數(shù)據(jù)，再?gòu)恼＿\(yùn)行數(shù)據(jù)中抽取與故障數(shù)據(jù)一定比例的正常數(shù)據(jù)，組成數(shù)據(jù)樣本。下面以空調(diào)數(shù)據(jù)處理為例，討論數(shù)據(jù)處理過(guò)程：

（1）數(shù)據(jù)解析：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全狀態(tài)數(shù)據(jù)解析。

（2）標(biāo)簽的標(biāo)定：以特征‘室內(nèi)機(jī)故障’的取值為依據(jù)，對(duì)樣本進(jìn)行分類。其中將存在室內(nèi)機(jī)故障的樣本標(biāo)為‘0’類（反例），反之標(biāo)為‘1’類（正例）。‘1’類樣本共計(jì)1087個(gè)，‘0’類樣本共計(jì)709個(gè)。

（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理：

●對(duì)缺失值、異常值的處理。異常值采用當(dāng)前特征列的3*（標(biāo)準(zhǔn)差）原則進(jìn)行識(shí)別。特征‘空調(diào)實(shí)際運(yùn)行溫度’含有102個(gè)異常值，其中最大的異常值為29，最小的異常值為21（取整數(shù)部分）。對(duì)缺失嚴(yán)重的特征列及缺失嚴(yán)重的樣本行、含有較多異常值的樣本行進(jìn)行刪除操作；對(duì)于特征缺失數(shù)較少的樣本行，采用樣條插值法進(jìn)行插值補(bǔ)充。

●對(duì)關(guān)鍵特征的篩選：因在所訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入了對(duì)各個(gè)參數(shù)的L1正則懲罰項(xiàng)，所以在訓(xùn)練的過(guò)程中，模型會(huì)自動(dòng)篩選關(guān)鍵特征。故在數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程中可省略該步驟。

●對(duì)離散型特征的處理。該數(shù)據(jù)集中的離散特征含有有序型離散特征和無(wú)序型離散特征兩種。對(duì)這兩種特征均進(jìn)行了獨(dú)熱編碼。為防止在進(jìn)行獨(dú)熱編碼的過(guò)程中，測(cè)試集中的特征值在訓(xùn)練集中從未出現(xiàn)過(guò)，因此首先使用‘CategoricalDtype’模塊將這些特征列轉(zhuǎn)換為全狀態(tài)的類型（即補(bǔ)充所有可能的取值），再對(duì)其進(jìn)行編碼。對(duì)于轉(zhuǎn)化為全狀態(tài)的無(wú)序型離散特征，例如‘開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)’、‘電加熱實(shí)際狀態(tài)’等，直接對(duì)其進(jìn)行獨(dú)熱編碼，處理為多維的二元啞變量。有序型離散特征列如‘空調(diào)當(dāng)前設(shè)定風(fēng)速’、‘濾網(wǎng)清潔程度’等，因特征值之間具有強(qiáng)弱關(guān)系，因此不同強(qiáng)度的特征值用不同大小的數(shù)字來(lái)表示強(qiáng)弱關(guān)系。例如特征‘空調(diào)污染程度’，取值有0級(jí)污染、1級(jí)污染、2級(jí)污染，三個(gè)取值由強(qiáng)到弱，分別用數(shù)字1,2,3來(lái)代替。原取值之間的強(qiáng)弱關(guān)系用數(shù)字的大小關(guān)系來(lái)傳給模型

●對(duì)連續(xù)性特征的處理：對(duì)連續(xù)型特征列，例如‘當(dāng)前室溫’、‘空調(diào)運(yùn)行電流’等，共做了兩種處理，然后根據(jù)模型效果進(jìn)行擇優(yōu)。其一是直接將連續(xù)型數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)差法標(biāo)準(zhǔn)化；標(biāo)準(zhǔn)化的作用是，不同的連續(xù)性特征，其量綱是不同的，有的大有的小，例如要研究某地區(qū)居民的年齡與收入的關(guān)系，年齡量綱在1—100，收入量綱遠(yuǎn)大于年齡量綱，一般量綱較大的特征會(huì)導(dǎo)致模型在該特征的偏重增大，降低模型的精度。其二，首先使用聚類法確定對(duì)應(yīng)連續(xù)型的特征的最優(yōu)劃分區(qū)間，根據(jù)最優(yōu)劃分區(qū)間將連續(xù)型特征進(jìn)行離散化，并用不同大小的數(shù)字表示不同區(qū)間的權(quán)重。該方法存在的Bug是最優(yōu)劃分區(qū)間有時(shí)不能覆蓋所有取值不為空的樣本，用該區(qū)間離散化后，易增加當(dāng)前列的空值。將這兩種方法用于建模，實(shí)驗(yàn)顯示用前者處理過(guò)的模型精度較高。

概括來(lái)說(shuō)，不管是離散特征的獨(dú)熱編碼還是連續(xù)特征的離散化，都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的數(shù)字化。

●數(shù)據(jù)集的劃分：隨機(jī)抽取70%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集、30%的數(shù)據(jù)集做為測(cè)試集建模。其中訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的維度為（1257,139），測(cè)試數(shù)據(jù)集（539,139）（第二維度包括標(biāo)簽列）。訓(xùn)練集中0類樣本數(shù)為499，占比為0.4；測(cè)試集中0類樣本數(shù)為210，占比約為0.38。

方法介紹：

3*（標(biāo)準(zhǔn)差）原則：假定數(shù)據(jù)分布符合正態(tài)分布，計(jì)算出數(shù)據(jù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)該原則，數(shù)值分布幾乎全部集中在(均值-3*標(biāo)準(zhǔn)差，均值+3*標(biāo)準(zhǔn)差)區(qū)間，超出這個(gè)范圍分布的概率不到0.3%，根據(jù)小概率原理，認(rèn)為這是不可能發(fā)生的，因此分布在該區(qū)間外的數(shù)據(jù)即為異常值。

樣條插值法：根據(jù)缺失值所在位置上下相鄰的幾個(gè)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。一般取值的數(shù)值分布不是線性關(guān)系，樣條插值的擬合效果較好。

L1正則懲罰項(xiàng)：訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程就是在訓(xùn)練一系列的參數(shù)，每一輪訓(xùn)練的出的參數(shù)，有的比較有用，有的不太有用，L1正則的作用就是過(guò)濾掉那些不太有用的參數(shù)。拘役的實(shí)現(xiàn)方法是加大那些貢獻(xiàn)值較大的參數(shù)的權(quán)重，而減小貢獻(xiàn)值較小的參數(shù)的權(quán)重，甚至讓這些參數(shù)的權(quán)重為0，這個(gè)參數(shù)也就不存在了。

將數(shù)據(jù)取值轉(zhuǎn)為全狀態(tài)、獨(dú)熱編碼：獨(dú)熱編碼簡(jiǎn)單說(shuō)就是給某一特征的所有可能取值進(jìn)行編碼，所有可能取值有幾個(gè)就有幾維，每一維的取值不是1就是0。例如，特征‘當(dāng)前運(yùn)行模式’的所有可能取值有‘制冷’、‘制熱’、‘除濕’、‘送風(fēng)’四個(gè)值，那么編碼后，這個(gè)特征的取值就變成了長(zhǎng)度為4的數(shù)組，用這個(gè)數(shù)組的第一位表示制冷，……,以此類推。放到集合中，這四位對(duì)應(yīng)的就是四個(gè)子特征，分別是‘當(dāng)前運(yùn)行模式-制熱’，……以此類推。

最終會(huì)把數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，在這兩部分中，對(duì)于同一個(gè)特征，兩部分內(nèi)的數(shù)據(jù)的取值是不相同的，也就是說(shuō)在測(cè)試集中的取值有可能在訓(xùn)練集中從未出現(xiàn)過(guò)，這會(huì)造成在獨(dú)熱編碼后，訓(xùn)練集測(cè)試集的維度不一樣。所以用這個(gè)模塊，現(xiàn)將這兩部分中的所有數(shù)據(jù)的取值都轉(zhuǎn)換為全狀態(tài)，統(tǒng)一了維度后再進(jìn)行編碼，即可避免維度不一的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以后再選擇相應(yīng)合適的算法模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。

結(jié)束語(yǔ)：家電產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集策略會(huì)對(duì)故障診斷和預(yù)判產(chǎn)生重要影響，在實(shí)際工作中需要結(jié)合產(chǎn)品系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理和數(shù)據(jù)采集分析實(shí)驗(yàn)，綜合尋找最合適的數(shù)據(jù)采集和處理方案。