基于機器學習的工業機械設備故障預測方法

范國棟 李博涵

基于機器學習的工業機械設備故障預測方法

范國棟 李博涵

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

為提高工業生產效率和安全性，研究基于機器學習的工業機械設備故障預測方法。首先，利用斯皮爾曼等級相關系數分析工業機械設備故障特征之間的相關性，并過濾冗余特征；然后，采用隨機森林算法篩選影響工業機械設備故障的3個核心特征；最后，基于邏輯回歸、樸素貝葉斯、XGBoost、決策樹等機器學習算法分別建立工業機械設備的故障預測模型和故障類型預測模型。經實驗驗證，基于XGBoost算法構建的工業機械設備故障預測模型和決策樹訓練出來的工業機械設備故障類型預測模型具有較高的準確性。該方法具有實際的應用價值，可有效地預測不同工業機械設備的故障類型，為工業安全生產提供技術支持。

機器學習；工業機械設備；故障預測；斯皮爾曼相關性分析；隨機森林算法；預測模型

0 引言

工業機械設備故障的突發性和不可預見性，會影響生產效率和生產成本。通過對工業機械設備進行預測性維護，可減少故障損失、提高生產效率、降低生產成本。傳統的工業機械設備故障預測大多通過專業的傳感器進行監測和分析，如高海軍[1]利用電氣類機械設備運行過程中產生的異常聲音和表面溫度升高進行故障診斷；張益沛[2]利用振動監測儀和溫度傳感器等，提高旋轉類機械設備的故障檢測效率；馬梁[3]采用狀態檢測和故障診斷平臺對煤礦機電設備進行故障預測。以上方法主要基于聲發射、熱成像、振動分析、超聲波檢測等技術，存在成本高、動態響應差等問題。

隨著人工智能技術的不斷進步，越來越多的學者將其應用于工業機械設備故障預測領域。李玉吉等[4]利用機器學習算法診斷煤礦汽車機械設備的故障，實驗結果表明，故障診斷的準確性和效率都優于傳統方法。

本文基于機器學習技術，利用工業機械設備作業的信息數據進行故障預測和故障類型診斷，不僅能提高設備的安全性和可靠性，還能實現更精準的故障預測和診斷。

1 數據描述及預處理

1.1 數據預處理

本文使用的數據集是由某行業協會提供的工業機械設備故障預測數據集和工業機械設備故障類型預測數據集。工業機械設備故障預測數據集主要包括機器編碼（工業機器人型號、電動機序列號等）、統一規范代碼、機器質量等級（機械、電氣、液壓等機器的性能指標和品質等級）、廠房室溫（整個廠房內的平均溫度，在數據集中用室溫（K）表示）、設備室溫（設備存放和工作的環境溫度，在數據集中用室溫（K）.1表示）、轉速、扭矩、使用時長、是否發生故障、具體故障類型等10個數據標簽。其中，機器編碼、廠房室溫、設備室溫、轉速、扭矩、使用時長6個數據標簽是連續變量；統一規范代碼、機器質量等級、是否發生故障、具體故障類型4個數據標簽是離散變量。因為機器編碼和統一規范代碼這2個數據標簽與設備故障無關，所以排除在設備故障預測的相關變量之外[5]。

利用統計分析軟件（SPSS、Excel等）可了解連續變量的數據分布和集中程度。箱型圖可清晰地展示數據的分布情況，包括中位數、四分位數、極值和異常值等信息。利用箱型圖對廠房室溫、設備室溫、轉速、扭矩的異常值進行可視化處理，分別如圖1～ 4所示。

圖1 廠房室溫異常值箱型圖

圖2 設備室溫異常值箱型圖

圖3 轉速異常值箱型圖

圖4 扭矩異常值箱型圖

由圖1～4可知，轉速和扭矩的個別異常值超出了箱型圖下界。通過分析設備的運行狀態和性能，進一步判斷這些異常值是因為不同機械設備的轉速和扭矩存在差異而導致的，因此不刪除這些異常值。

1.2 數據類型轉換

機器質量等級（L級、M級、H級）是離散數據，采用文字描述表示。然而，機器學習模型在訓練和預測過程中，只能處理連續數據。因此，需將離散數據轉換為連續數據。本文采用獨熱編碼技術，將離散數據轉換為二元數據，即用0、1、2分別替換L級、M級、H級，轉換后的數據如表1所示。

表1 機器質量等級離散數據轉換為連續數據

1.3 過采樣處理

本文使用的數據集包含了9 000條工業機械設備的信息，其中無故障和有故障的工業機械設備信息分別有8 697條和303條。無故障的工業機械設備信息數量遠多于有故障的工業機械設備信息數量，導致訓練后的模型偏差較大。

利用合成少數類過采樣技術（synthetic minority oversampling technique, SMOTE）算法，通過樣本合成的方法，生成與原始樣本相似的新樣本，達到擴充數據集的目的。利用SMOTE算法的過采樣方法，將有故障和無故障的工業機械設備信息數量均衡化，提升預測模型的準確性。均衡和擴充后的數據集中，無故障和有故障的工業機械設備信息數量均為6 300條。

2 機械設備故障預測相關變量分析與篩選

2.1 是否故障的相關變量分析與篩選

斯皮爾曼相關性分析是一種非參數檢驗方法，用于評估兩個連續變量之間的相關性。通過熱力圖，可直觀地看出變量之間的相關性指數，顏色越深表示相關性越強，顏色越淺表示相關性越弱。對均衡和擴充后的無故障和有故障的工業機械設備信息進行相關變量影響因素的可視化處理，如圖5所示。

圖5 是否故障熱力圖

由圖5可知：室溫（K）（廠房室溫）和室溫（K）.1（設備室溫）的相關性指數為0.84；轉速和扭矩的相關性指數為?0.92，說明它們之間的相關性較強，刪除室溫（K）（廠房室溫）和扭矩這2個變量，以避免信息冗余和多重共線性的問題。

根據每個變量在隨機森林中對模型預測結果的影響程度，得出變量的重要性評分[6]如圖6所示。

由圖6可知，機器質量等級變量對工業機械設備是否發生故障的影響較低，對該變量進行刪除處理。

通過對廠房室溫、設備室溫、扭矩、轉速、使用時長和機器質量等級等變量進行斯皮爾曼相關性分析和隨機森林重要性評分后，本文選擇室溫（K）.1（設備室溫）、轉速、使用時長3個變量為預測工業機械設備故障的指標。

圖6 是否故障重要性評分

2.2 故障類型的相關變量分析與篩選

工業機械設備故障類型預測數據集主要包括扭矩扳手故障（torque wrench fault, TWF）、高頻設備故障（high-frequency device fault, HDF）、電源故障（power supply fault, PWF）、規格超標故障（oversized specification fault, OSF）、隨機非重復故障（random non-repetitive fault, RNF）等5種故障類型。為預測工業機械設備故障類型，需刪除沒有故障的機械設備信息，保留有故障的機械設備信息，并將離散的具體故障類型轉換為連續數據，即用0、1、2、3、4分別替換TWF、HDF、PWF、OSF、RNF。通過斯皮爾曼相關性分析和隨機森林重要性評分，選出與故障類型預測相關的變量，如圖7、圖8所示。

圖7 具體故障類型熱力圖

圖8 故障類型重要性評分

由圖7可知，室溫（K）（廠房室溫）和室溫（K）.1（設備室溫）的相關性較高，刪除室溫（K）（廠房室溫）。

由圖8可知，機器質量等級變量對工業機械設備故障類型預測的影響程度最小[7]，對其進行刪除處理。

3 模型建立及評估

3.1 建立故障預測模型

將工業機械設備故障預測數據集按1:1的比例隨機劃分為訓練集和測試集。其中，訓練集用于故障預測模型的訓練和優化；測試集用于評估故障預測模型的性能和泛化能力。采用交叉驗證的方法進行多次實驗，以減少隨機誤差，提高模型的穩定性。利用隨機森林、XGBoost、邏輯回歸和樸素貝葉斯模型對故障預測模型進行性能評估。

利用訓練好的模型進行預測，采用準確率、精確率、召回率和F1值等4個指標來評價模型的預測性能[7]。混淆矩陣可直觀地表現預測模型的誤差。隨機森林、XGBoost、邏輯回歸和樸素貝葉斯模型的混淆矩陣分別如圖9～12所示，評價指標如表2所示。

圖9 隨機森林混淆矩陣

圖10 XGBoost混淆矩陣

圖11 邏輯回歸混淆矩陣

圖12 樸素貝葉斯混淆矩陣

表2 4個模型的評價指標

ROC曲線下面積（area under curve, AUC）是評估分類器性能的一個指標，取值范圍為0.5～1，指標數值越接近1，說明分類器的性能越好。根據4個模型的混淆矩陣繪制ROC曲線，可直觀地看出模型效果，如圖13所示。

圖13 4個模型的ROC曲線

由圖13、表2可知，XGBoost訓練出來的故障預測模型準確率、精確率、召回率、F1值較高，AUC值也最高，說明該模型的預測效果最好[8]。

3.2 建立故障類型預測模型

工業機械設備故障類型預測數據集按1:1的比例隨機劃分為訓練集和測試集。工業機械設備故障類型預測模型的性能評估利用決策樹、梯度提升樹、支持向量機等模型，采用準確率、精確率、召回率和F1值作為評價指標。

決策樹、梯度提升樹、支持向量機3個模型的混淆矩陣分別如圖14～16所示，評價指標如表3所示。

圖14 決策樹混淆矩陣

圖15 梯度提升樹混淆矩陣

圖16 支持向量機混淆矩陣

表3 3個模型的評價指標表

由表3可知，由決策樹訓練出來的故障類型預測模型的準確率、精確率、召回率、F1值最高，說明該模型預測故障類型的效果最好[9]。

對基于決策樹算法構建的故障類型預測模型進行調參時，易出現過擬合現象。因此，需先選擇合適的正則化參數，本文通過交叉驗證的方法確定了正則化參數為0.07，再定義超參數搜索范圍。本文定義max_depth（表示決策樹的最大深度）范圍為1～10，min_samples_split（表示節點在分裂之前所需的最小樣本數）范圍為2～10，min_samples_leaf（表示葉節點上的最小樣本數）范圍為1～5，max_features（表示在每個節點中考慮的最大特征數）范圍為1～10。將預測結果進行比較，具體結果如表4所示。

由表4可以看出，基于決策樹算法構建的故障類型預測模型調參后，其性能指標均有所提升。調整和優化基于決策樹算法構建的故障類型預測模型，能夠提高模型的識別準確率、泛化能力和穩定性，降低誤差率和資源占用率。

4 結論

本文基于機器學習算法建立了工業機械設備故障的預測模型和類型預測模型，具有較高的準確性，可為工業機械維護部門提供有效的參考。然而，本研究還存在不足之處：首先，只考慮了室溫、轉速、使用時長等少量特征，對其他可能影響工業機械設備故障的特征，如濕度、負載等沒有進行探究；其次，僅針對單一類型的工業機械設備故障進行預測，對于不同類型的機械設備模型還需進一步探究[10]；最后，該研究可擴展到工業互聯網領域，使各種工業設備實現數據的共享和交互，為工業設備的智能維護提供更多的可能性。

[1] 高海軍.化工電氣常見故障分析及處理方法[C].//中國機電一體化技術應用協會.第七屆全國石油和化工電氣技術大會論文集.[出版者不詳],2023:193-195.

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[3] 馬梁.煤礦機電設備實時監測故障診斷技術研究應用[J].煤炭科技,2023,44(1):64-68.

[4] 李玉吉,曹旭輝,王江宏,等.基于機器學習算法的煤礦汽車機械設備故障診斷模型[J].能源與環保,2021,43(10):241-245.

[5] 盛建龍,喬宇,王平,等.基于LOF-SMOTE算法的地下水影響下礦山巖溶塌陷風險預測研究[J].有色金屬科學與工程,2023,14(3):372-380;399.

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[10] 任利娟.滾動軸承性能退化評估與剩余壽命預測[D].濟南:山東大學,2019.

Fault Prediction Method of Industrial Machinery Equipment Based on Machine Learning

FAN Guodong LI Bohan

(School of Electromechanical and Vehicle Engineering, Chongqing Traffic University, Chongqing 400074, China)

To improve industrial production efficiency and safety, a machine learning based fault prediction method for industrial machinery and equipment is studied. Firstly, the Spearman rank correlation coefficient is used to analyze the correlation between fault features of industrial machinery equipment, and redundant features are filtered; Then, the random forest algorithm is used to screen the three core features that affect the faults of industrial machinery and equipment; Finally, based on machine learning algorithms such as logistic regression, naive Bayes, XGBoost, and decision tree, a fault prediction model and a fault type prediction model for industrial machinery equipment are established. Through experimental verification, the industrial machinery equipment fault prediction model constructed based on XGBoost algorithm and the industrial machinery equipment fault type prediction model trained from decision trees have high accuracy. This method has practical application value and can effectively predict the fault types of different industrial machinery and equipment, providing technical support for industrial safety production.

machine learning; industrial machinery and equipment; fault prediction; Spearman correlation analysis; random forest algorithm; prediction model

TP399

A

1674-2605(2023)04-0003-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2023.04.003

范國棟，男，1998年生，碩士研究生，主要研究方向：大數據分析與人工智能。E-mail: 1009569161@qq.com

李博涵，男，1999年生，碩士研究生，主要研究方向：數據挖掘與人工智能。E-mail: 290444608@qq.com

：范國棟,李博涵.基于機器學習的工業機械設備故障預測方法[J].自動化與信息工程,2023,44(4):13-18;50.

FAN Guodong, LI Bohan. Fault prediction method of industrial machinery equipment based on machine learning[J]. Automation & Information Engineering, 2023,44(4):13-18;50.