郭增波等

摘 要： 學(xué)習(xí)向量量化（LVQ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)完成對(duì)輸入向量模式的準(zhǔn)確分類(lèi)，提出了一種基于改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法，介紹了LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其改進(jìn)的學(xué)習(xí)算法。以長(zhǎng)城哈佛GW2.8TC型發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障設(shè)置，利用金德KT600電腦故障診斷儀采集發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流，運(yùn)用改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立診斷模型，診斷結(jié)果表明，改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障做出正確分類(lèi)，準(zhǔn)確率比較高。

關(guān)鍵詞： 改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 發(fā)動(dòng)機(jī)； 故障診斷； 神經(jīng)元

中圖分類(lèi)號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）17?0107?03

Fault diagnosis for engines based on improved LVQ neural network

GUO Zengbo1， BA Yinliang2， WANG Shuti2， XIE Xin2

（1. Karamay Vocational & Technical College， Karamay 834000， China；

2. College of Machinery and Traffic， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Since learning vector quantization （LVQ） neural network can classify input vector pattern accurately by supervised learning， the fault diagnosis method for engines based on LVQ neural network is proposed. LVQ neural network and its improved learning method are introduced. Taking Great Wall Harvard GW2.8TC engine as the experimental subject， faults are set for the engine under idle speed condition. The data stream of the engine is collected by using Kinder KT600 computer fault diagnosis tester. The diagnosis model was established by using the improved LVQ neural network. The diagnosis results show that the improved LVQ neural network can classify engine faults accurately， and the precision rate is relatively high.

Keywords： improved LVQ neural network； engine； fault diagnosis； neurone

0 引 言

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANNs），也稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs），是模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息處理的一種數(shù)學(xué)模型。它以對(duì)大腦的生理研究成果為基礎(chǔ)，目的在于模擬大腦的某些機(jī)理與機(jī)制，實(shí)現(xiàn)一些特定的功能。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶功能、優(yōu)化計(jì)算能力以及其他的一些性質(zhì)，所以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的分類(lèi)識(shí)別功能。學(xué)習(xí)向量量化（LVQ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是常用的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種有導(dǎo)師訓(xùn)練競(jìng)爭(zhēng)層的方法，競(jìng)爭(zhēng)層自動(dòng)學(xué)習(xí)識(shí)別輸入向量，并對(duì)輸入向量分類(lèi)。

本文以長(zhǎng)城哈佛GW2.8TC型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，運(yùn)用LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障診斷。

1 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1.1 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是兩層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即競(jìng)爭(zhēng)層和線性層。競(jìng)爭(zhēng)層對(duì)輸入向量進(jìn)行學(xué)習(xí)分類(lèi)，把競(jìng)爭(zhēng)層的分類(lèi)稱(chēng)為子分類(lèi)；線性層根據(jù)用戶(hù)的要求將競(jìng)爭(zhēng)層的分類(lèi)結(jié)果映射到目標(biāo)分類(lèi)結(jié)果中，把線性層的分類(lèi)稱(chēng)為目標(biāo)分類(lèi)。LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可以看出，競(jìng)爭(zhēng)層和線性層每一類(lèi)別各有一個(gè)神經(jīng)元，競(jìng)爭(zhēng)層通過(guò)學(xué)習(xí)，可以得到S1類(lèi)子分類(lèi)結(jié)果；然后，線性層將S1類(lèi)子分類(lèi)結(jié)果再分成S2類(lèi)目標(biāo)分類(lèi)結(jié)果（S1始終大于S2）。例如，假設(shè)競(jìng)爭(zhēng)層的第1，2，3個(gè)神經(jīng)元對(duì)輸入空間的子分類(lèi)所對(duì)應(yīng)的線性層的目標(biāo)分類(lèi)為第2類(lèi)，則競(jìng)爭(zhēng)層的第1，2，3個(gè)神經(jīng)元與線性層的第2個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)將全部為1，而與其他線性層神經(jīng)元的連接權(quán)全部為0，這樣，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)層的第1，2，3個(gè)神經(jīng)元中的任意一個(gè)神經(jīng)元在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝時(shí)，線性層的第2個(gè)神經(jīng)元將輸出1。

1.2 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的改進(jìn)

LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的改進(jìn)是在LVQ1的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它可以改善LVQ1學(xué)習(xí)結(jié)果的性能。

改進(jìn)的LVQ網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程與LVQ1類(lèi)似，在應(yīng)用LVQ1進(jìn)行學(xué)習(xí)后，再用改進(jìn)的LVQ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不同的是，改進(jìn)的LVQ是針對(duì)最接近輸入向量的兩個(gè)相鄰神經(jīng)元的權(quán)值進(jìn)行的，其中一個(gè)神經(jīng)元對(duì)應(yīng)正確的分類(lèi)模式，另一個(gè)神經(jīng)元對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤的分類(lèi)模式，而輸入向量位于定義的窗口時(shí)，有：

[mindidj，djdi>s，s=1-ω1+ω] （1）

式中：[di，][dj]分別表示輸入向量[p]與[iIW1，][jIW1]的歐幾里得距離，[ω]在0.2～0.3之間取值。例如，當(dāng)[ω]取為0.25時(shí)，[s]=0.6，那么，當(dāng)[di]和[dj]兩個(gè)距離之比大于0.6時(shí)，則對(duì)[iIW1]和[jIW1]進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)?shù)赱i]個(gè)神經(jīng)元對(duì)應(yīng)的輸出分類(lèi)模式錯(cuò)誤時(shí)，[IW1]的第[i]行可以按下式進(jìn)行修正：

[iIW1（q）=iIW1（q-1）-αp（q）-iIW1（q-1）] （2）

當(dāng)?shù)赱j]個(gè)神經(jīng)元對(duì)應(yīng)的輸出分類(lèi)模式正確時(shí)，[IW1]的第[j]行可以按下式進(jìn)行修正：

[jIW1（q）=jIW1（q-1）+αp（q）-jIW1（q-1）] （3）

這樣，如果給定兩個(gè)很相近的輸入向量，其中一個(gè)對(duì)應(yīng)正確的分類(lèi)，而另一個(gè)對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤的分類(lèi)，則改進(jìn)的LVQ也能對(duì)靠的非常近，甚至對(duì)剛剛可分的模式進(jìn)行正確地分類(lèi)，從而提高分類(lèi)結(jié)果的魯棒性。

2 改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中

的應(yīng)用

基于改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的故障診斷仿真步驟如下：

（1） 讓發(fā)動(dòng)機(jī)處在怠速狀態(tài)下，并對(duì)其進(jìn)行故障設(shè)置，用電腦檢測(cè)儀及其他設(shè)備測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)有無(wú)故障時(shí)的數(shù)據(jù)流參數(shù)；

（2） 用改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立診斷模型，并用已知的樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)；

（3） 用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障診斷，并對(duì)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障設(shè)置及采集樣本

為了驗(yàn)證改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的可行性，本文以長(zhǎng)城哈佛GW2.8TC型發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障設(shè)置，并利用金德KT600故障診斷儀采集發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流。以發(fā)動(dòng)機(jī)在正常怠速、油門(mén)踏板1接地線開(kāi)路、凸輪軸傳感器線路故障、1缸噴油器線路故障、冷卻液溫度傳感器線路串聯(lián)某阻值電阻和油門(mén)踏板插頭開(kāi)路六種狀態(tài)下，采集發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流，采集到的樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 程序設(shè)計(jì)

在Matlab環(huán)境中，調(diào)用LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，創(chuàng)建的代碼如下：

在代碼中，[p]中數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)；[t]中以1表示正常狀態(tài)，以2表示故障狀態(tài)；T=ind2vec（t）為使[t]中的向量轉(zhuǎn)換成學(xué)習(xí)向量量化網(wǎng)絡(luò)使用的目標(biāo)向量；net=newlvq（）為創(chuàng)建LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)元數(shù)目設(shè)置為20，0.17和0.83，分別表示所采集的樣本種類(lèi)中正常狀態(tài)和故障狀態(tài)所占的比例，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率設(shè)為0.5；net=init（net）為網(wǎng)絡(luò)初始化，使其每次訓(xùn)練時(shí)權(quán)值都是隨機(jī)的，這樣可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練步數(shù)設(shè)置為200；訓(xùn)練間隔設(shè)置為50；訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)置為0；網(wǎng)絡(luò)設(shè)置好后，開(kāi)始訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行程序后所得的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練狀態(tài)圖如圖2所示，訓(xùn)練曲線如圖3所示。

由圖2和圖3所示，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練只訓(xùn)練了8次，用時(shí)不到1 s，就達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可見(jiàn)，用改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷，速度非常快，精確度很高。

3 結(jié) 語(yǔ)

LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)結(jié)合起來(lái)，可以完成對(duì)輸入向量模式的準(zhǔn)確分類(lèi)。本文以長(zhǎng)城哈佛GW2.8TC型發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)例，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障設(shè)置，采集數(shù)據(jù)流，介紹了LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其改進(jìn)的學(xué)習(xí)算法，運(yùn)用改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立診斷模型，診斷結(jié)果表明，改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行模式識(shí)別和準(zhǔn)確分類(lèi)，診斷結(jié)果完全正確，而且訓(xùn)練速度極快。改進(jìn)的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的研究?jī)r(jià)值，該方法不僅可以運(yùn)用到汽車(chē)診斷領(lǐng)域，而且可以運(yùn)用到其他故障診斷領(lǐng)域。

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