中北大學(xué) 蘆 斌 姚竹亭

1.引言

在發(fā)電機(jī)故障診斷中，故障多種多樣，而每種故障信息之間又存在著冗余性和相關(guān)性，針對(duì)某一個(gè)故障信息進(jìn)行分析已滿足不了對(duì)故障分析的可靠性。目前還沒有哪種單一傳感器對(duì)被測對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行完全可靠的描述，所以采用多傳感器進(jìn)行綜合的診斷，已成為當(dāng)前的趨勢(shì)。

采用多傳感器進(jìn)行測量師，由于測得信息量很大，各測點(diǎn)提取的故障征兆必然存在著隨機(jī)性和矛盾性。若將大量的高維信息輸入同一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的話，必然會(huì)導(dǎo)致診斷時(shí)間過長，效果變差等失真結(jié)果。為避免這種情況出現(xiàn)，提出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論結(jié)合的綜合診斷方法。首先對(duì)個(gè)測點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部診斷，這就將所測得高維信息分解成了低維的信息，而后將各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)局部診斷結(jié)果利用D-S理論進(jìn)行決策級(jí)融合，最終得到綜合的診斷結(jié)果。

2.數(shù)據(jù)融合的發(fā)電機(jī)故障診斷模型

本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S理論對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行綜合的故障診斷，首先將個(gè)測點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)局部診斷，對(duì)所有的局部診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，并對(duì)其進(jìn)行決策級(jí)的D-S理論融合，得到準(zhǔn)確的故障信息。

具體方法如下：

假設(shè)在故障征兆域S中，bel1對(duì)應(yīng)第一通道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，bel2對(duì)應(yīng)第二通道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，以此類推，每個(gè)信任函數(shù)的焦點(diǎn)元素都對(duì)應(yīng)不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)診斷結(jié)果，所有診斷結(jié)果構(gòu)成辨別框架，對(duì)每個(gè)通道的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值進(jìn)行歸一化處理，作為各焦點(diǎn)元素的基本概率分配mi,j，其中i=1, 2 ,…n,j=1,2,…p,n作為通道數(shù)，p為故障模式分類數(shù)，即焦元數(shù)，最后利用D-S理論的證據(jù)聯(lián)合規(guī)則得到最終結(jié)果mn(j)。如圖1所示。

3.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)局部診斷

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)發(fā)電機(jī)先進(jìn)行局部的診斷，根據(jù)從各測量的數(shù)據(jù)信息利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐個(gè)對(duì)其進(jìn)行診斷，并進(jìn)行歸一化處理，從而判斷故障情況。在進(jìn)行局部診斷時(shí)，為了使相同數(shù)據(jù)間具有可比性，對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)歸一化處理，歸一化公式如下：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)確定一個(gè)含有33個(gè)神經(jīng)元的三層網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)層的個(gè)數(shù)為10，18和5。創(chuàng)建符合要求的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：

圖1 發(fā)電機(jī)故障診斷模型

令P表示網(wǎng)絡(luò)輸入樣本向量，T表示網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)向量

創(chuàng)建該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的程序?yàn)椋?/p>

訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的程序?yàn)椋?/p>

該網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果為：

4.D-S證據(jù)理論決策融合診斷

本文中將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部診斷結(jié)果轉(zhuǎn)化為證據(jù)理論模型，設(shè)信任函數(shù)ibel對(duì)應(yīng)第i測點(diǎn)的判斷結(jié)果，i=1,2,…5,5個(gè)信任函數(shù)的焦點(diǎn)元素都是A1,A2,…A5，這些不同的故障模式構(gòu)成了分辨框θ，即bel1,bel2,bel3,bel4,bel5有共同的分辨框。

表1 第一次與第二次測量數(shù)據(jù)融合結(jié)果

表2 數(shù)據(jù)最終融合結(jié)果

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差作為不確定因素，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸出作歸一化處理，作為各焦點(diǎn)元素的基本概率值，計(jì)算公式為：

由于A1,A2,…A5中狀態(tài)相互獨(dú)立，所以有：

AiAj=Φ(Φ是空集，i≠j)，第一次的局部診斷數(shù)據(jù)排成橫排，第二次的數(shù)據(jù)成豎排，再用D-S合并規(guī)則計(jì)算表中的各欄，可以得到其融合的結(jié)果；用融合的結(jié)果再與第三次局部診斷數(shù)據(jù)融合，即可得最終的結(jié)果，如表1，2所示。

從表2可以看出，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合的結(jié)果與理想目標(biāo)輸出比較接近，誤差滿足實(shí)際需求，從而證明了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S理論綜合診斷方法的實(shí)效性。

5.結(jié)論

針對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合發(fā)電機(jī)故障特點(diǎn)，提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的綜合診斷思路，設(shè)計(jì)了診斷模型，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行局部診斷，然后采用D-S證據(jù)理論對(duì)局部診斷進(jìn)行決策級(jí)融合，得到的結(jié)果基本滿足實(shí)際需求，證明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的發(fā)電機(jī)故障綜合診斷方法的實(shí)效性。

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