車(chē)暢暢, 王華偉, 倪曉梅, 洪驥宇
(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院, 南京 210016)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,數(shù)學(xué)模型嚴(yán)重非線性,多故障類(lèi)型之間監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化相似程度高,同時(shí)測(cè)量誤差容易對(duì)氣路故障診斷造成干擾,從而影響故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的研究主要有[1]:基于模型的故障診斷(如卡爾曼濾波器模型)、基于信號(hào)和數(shù)據(jù)處理的故障診斷(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等智能算法)、基于知識(shí)的故障診斷(如D-S證據(jù)理論、故障樹(shù)理論、蒙特卡羅方法)。薛薇和王濤[2]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器特征,設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的濾波器來(lái)進(jìn)行故障診斷,提出傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)信息融合的診斷方案。俞剛和黃金泉[3]先將航空發(fā)動(dòng)機(jī)異常監(jiān)測(cè)參數(shù)輸入到最小二乘支持向量機(jī)模型中,得出故障分類(lèi)結(jié)果;再用卡爾曼濾波器估計(jì)故障參數(shù),從而完成故障綜合診斷。廖洪一[4]使用費(fèi)舍爾判別分析法和云模型理論,將從子空間中提取出的特征輸入到極限學(xué)習(xí)機(jī)模型中來(lái)診斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障,進(jìn)一步確定相應(yīng)的故障類(lèi)型。趙世榮和黃向華[5]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件故障,融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模糊集合論,建立故障診斷模型,估計(jì)與判斷出故障狀態(tài)。徐啟華等[6]建立了基于層次支持向量機(jī)的快速多分類(lèi)算法模型,研究了大數(shù)據(jù)樣本條件下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)多類(lèi)故障診斷問(wèn)題。孫偉超等[7]融合粗糙集和證據(jù)診斷理論,提出了用于解決航空電子裝備多源故障診斷信息沖突問(wèn)題的故障診斷方法。于勁松等[8]建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的量化評(píng)價(jià)指標(biāo),為故障診斷系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。Tai等[9]使用了隱馬爾可夫模型監(jiān)測(cè)在過(guò)程控制中的機(jī)械故障,該模型能夠?qū)杀鎰e以及不可辨識(shí)的單元進(jìn)行分析。 Gómez等[10]使用小波變換與徑向基人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)結(jié)合的模型從振動(dòng)信號(hào)入手檢測(cè)轉(zhuǎn)軸裂縫,對(duì)機(jī)械參數(shù)和缺陷條件進(jìn)行故障識(shí)別,并調(diào)節(jié)模型參數(shù)對(duì)成功率進(jìn)行優(yōu)化。Bajric等[11]提出了一種基于離散小波變換和時(shí)間同步平均的故障診斷新方法,用于高速軸齒輪剝落故障診斷和跟蹤,提高了變速箱故障診斷能力。Simani[12]從模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)辨識(shí)方法、殘差生成技術(shù)和故障診斷策略出發(fā),建立了基于模糊識(shí)別的故障診斷模型,用于復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障診斷。
從上述研究可以發(fā)現(xiàn),使用單一模型進(jìn)行故障診斷時(shí)結(jié)果抗干擾性較差;但使用多種模型結(jié)合進(jìn)行故障診斷又存在建模復(fù)雜,輸出結(jié)果不直觀等問(wèn)題,當(dāng)研究對(duì)象的故障特征發(fā)生變換時(shí),就會(huì)嚴(yán)重影響故障診斷準(zhǔn)確度。基于上述問(wèn)題,本文在結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型和決策融合算法的基礎(chǔ)上,提出了基于深度學(xué)習(xí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障融合診斷方法,把航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)和故障類(lèi)型樣本輸入到深度信念網(wǎng)絡(luò)(DBN)模型中,提取出樣本特征,從而輸出故障分類(lèi)數(shù)據(jù),然后把輸出數(shù)據(jù)代入到?jīng)Q策融合算法模型中進(jìn)行決策融合,得出航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障融合診斷結(jié)果。該方法能夠在結(jié)合2種模型優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建故障融合診斷模型,該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不僅有效提高故障診斷準(zhǔn)確度,而且能夠得出更加直觀的故障診斷結(jié)果,同時(shí)有一定抗干擾性。通過(guò)數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證該方法具有有效性。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷能夠在檢測(cè)出系統(tǒng)故障時(shí),分離故障部件、判斷故障種類(lèi)、評(píng)估故障嚴(yán)重程度,從而在第一時(shí)間展開(kāi)維修工作,減少經(jīng)濟(jì)損失。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)故障診斷中,可利用的狀態(tài)信息有:發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、氣動(dòng)熱力等過(guò)程參數(shù)、滑油參數(shù)以及試驗(yàn)操縱控制信息等。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,單純依靠單一信息進(jìn)行故障診斷的準(zhǔn)確度不高,多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息從不同角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的深層次認(rèn)識(shí),能夠提高故障診斷的準(zhǔn)確度。本文,首先采用基于深度學(xué)習(xí)的故障融合診斷方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)[13]如:低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(N1)、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(N2)、排氣口燃?xì)鉁囟?EGT)、燃油量消耗量(FF)建立模型,然后進(jìn)行故障融合診斷。
深度學(xué)習(xí)是相對(duì)于淺層學(xué)習(xí)而言的,淺層學(xué)習(xí)包可以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和最大熵方法等。這些模型結(jié)構(gòu)只含有一層隱層或者沒(méi)有隱層,理論分析難度大,同時(shí)訓(xùn)練方法依賴于經(jīng)驗(yàn)和技巧,得出的樣本特征也較為淺顯。相對(duì)于淺層學(xué)習(xí),深度學(xué)習(xí)模型是多隱層的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型的逐層學(xué)習(xí),具有良好的特征提取和學(xué)習(xí)能力,在樣本分類(lèi)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。深度學(xué)習(xí)模型的主要包括深度信念網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。深度信念網(wǎng)絡(luò)模型較為靈活,與其他方法的兼容性較好,因此本文采用深度信念網(wǎng)絡(luò)模型用于故障分類(lèi),并將分類(lèi)結(jié)果輸入決策融合模型得出故障融合診斷結(jié)果。
DBN模型由多個(gè)限制玻爾茲曼機(jī)(RBM)[14]層組成,一個(gè)典型的RBM結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括3個(gè)部分:顯層、隱層、偏置層。其中顯層作為輸入層,隱層作為輸出層,偏置層用來(lái)控制隱層和顯層節(jié)點(diǎn)的激活,層內(nèi)單元間相互獨(dú)立。
圖1 RBM結(jié)構(gòu)
設(shè)顯層向量為v,隱層向量為h,權(quán)值向量為w;對(duì)顯層偏置為a,隱層偏置為b。對(duì)隱層和顯層各單元參數(shù)定義如下:
v=(v1,v2,…,vi,…,vm)Ti,m∈Z*
h=(h1,h2,…,hj,…,hn)Tj,n∈Z*
w=(wij)i∈[1,m],j∈[1,n]
a=(a1,a2,…,ai,…,am)T
b=(b1,b2,…,bj,…,bn)T
2.1.1 建立深度信念網(wǎng)絡(luò)模型
DBN模型需要引入能量函數(shù),首先用能量函數(shù)推導(dǎo)出顯層和隱層的條件概率;然后求解偏置層,得出顯層和隱層被激活的概率;最后求解能量函數(shù),對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行更新。
1) 引入能量函數(shù)
網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)對(duì)應(yīng)能量函數(shù)最低值狀態(tài),針對(duì)RBM模型而言,輸入v向量和隱層輸出向量h之間的能量函數(shù)為
(1)
2) 求隱層和顯層的條件概率分布
v和h的聯(lián)合概率為
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
3) 偏置層求解
通過(guò)隱層和顯層的條件概率分布和能量函數(shù)能夠得到隱層和顯層節(jié)點(diǎn)被激活(取值為1)的概率,從而得到偏置層的求解結(jié)果:
(7)
(8)
4) 能量函數(shù)求解
(9)
從式(1)可以看出,如果要使系統(tǒng)(這里即指DBN網(wǎng)絡(luò))達(dá)到穩(wěn)定,則應(yīng)該是系統(tǒng)的能量值最小,由式(9)可知,要使能量E(v,h)最小,應(yīng)該使f(v)最小,也就是要使P(v)最大。因此,此時(shí)的損失函數(shù)可以看做是-P(v),且求導(dǎo)時(shí)需要是加上負(fù)號(hào)的。設(shè)θ={a,b,w},對(duì)P(v;θ)求偏導(dǎo)取負(fù)可得
(10)
將式(1)中的E(v,h)代入可得
1|v))vi)
(11)
同理可得P(v;θ)的偏導(dǎo)展開(kāi)有
(12)
(13)
從偏導(dǎo)結(jié)果可以看出左邊的減數(shù)是輸入樣本數(shù)據(jù)的自由能量函數(shù)期望值,v狀態(tài)已知。右邊的被減數(shù)是模型產(chǎn)生樣本數(shù)據(jù)的自由能量函數(shù)期望值,v狀態(tài)未知。
2.1.2 訓(xùn)練深度信念網(wǎng)絡(luò)模型
1) 深度信念網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程
DBN由多層RBM組成,是一種無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)模型,有一定的“黑箱性”。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中為了方便理解,更加直觀得出分類(lèi)結(jié)果,需要利用已知特征的樣本對(duì)模型反向修正,相當(dāng)于上述的RBM結(jié)構(gòu)從隱層推導(dǎo)出顯層,使故障樣本的性能參數(shù)與故障類(lèi)型想匹配,提高故障分類(lèi)置信度。本文采用如今比較成熟的有監(jiān)督算法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)DBN網(wǎng)絡(luò)反向調(diào)節(jié)參數(shù)。由圖2可以看出DBN網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程,先輸入樣本的狀態(tài)參數(shù)到多層RBM中,逐層更新參數(shù);其后把RBM訓(xùn)練結(jié)果和樣本特征輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中反向調(diào)節(jié)完成對(duì)模型的參數(shù)優(yōu)化。
2) RBM訓(xùn)練過(guò)程
RBM的訓(xùn)練就是為了通過(guò)反復(fù)迭代得出DBN的隱藏特征。根據(jù)式(11)~式(13)可以得出參數(shù)θ的更新流程如圖3所示,k為訓(xùn)練次數(shù)[15]。
圖2 DBN訓(xùn)練流程圖
步驟1參數(shù)初始化。初始化參數(shù)w、a、b、學(xué)習(xí)率ε,允許重構(gòu)誤差r、最大訓(xùn)練次數(shù)p,k初值賦為1。把原始的數(shù)據(jù)v輸入到網(wǎng)絡(luò)。
步驟2參數(shù)更新。更新w、a、b,計(jì)算輸出從顯層v推導(dǎo)到隱層h的第1次訓(xùn)練結(jié)果h.1,然后又反推v.1,繼續(xù)計(jì)算h.2,h.3,…,h.k。
(14)
a=a+ε(v(k)-v(k+1))
(15)
(16)
圖3 RBM訓(xùn)練過(guò)程
決策融合算法以D-S證據(jù)理論[16]為基礎(chǔ),假設(shè)共有m個(gè)故障,其集合為{A1,A2,…,Am},n次診斷結(jié)果{B1,B2,…,Bn}對(duì)應(yīng)的函數(shù)為{F1,F2,…,Fn},結(jié)果Fi(Ak)和Fj(Ak)的相似度函數(shù)定義為
(17)
式中:i≠j;i,j=1,2,…,n;k=1,2,…,m。
可以看出2個(gè)結(jié)果之間相似度相差越小,相似度值越大。當(dāng)2個(gè)結(jié)果的相似度完全相同時(shí),相似度為最高值1。定義結(jié)果Bi(Ak)的支持度為和置信度分別為
(18)
(19)
求出經(jīng)n個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)融合后得出的置信度,然后取max(C(A1),C(A2),…,C(Ak))作為最終結(jié)果。
基于深度學(xué)習(xí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障融合模型結(jié)合了DBN模型和決策融合模型,先通過(guò)DBN模型提取故障樣本的性能參數(shù)特征,再對(duì)故障分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行決策融合。具體診斷流程如圖4所示。
步驟1采集故障樣本數(shù)據(jù),構(gòu)建訓(xùn)練樣本矩陣、樣本標(biāo)簽矩陣和測(cè)試樣本矩陣。樣本是m×n矩陣,其中n為狀態(tài)參數(shù)個(gè)數(shù)。
步驟3模型參數(shù)優(yōu)化,把訓(xùn)練樣本輸入DBN網(wǎng)絡(luò)中,從高層到底層訓(xùn)練DBN中的所有RBM,得出權(quán)值w和各參數(shù)。把訓(xùn)練得到的參數(shù)輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行反向優(yōu)化訓(xùn)練,得到最終的DBN網(wǎng)絡(luò)模型。
圖4 基于深度學(xué)習(xí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障融合診斷流程
步驟4輸入測(cè)試樣本的故障狀態(tài)參數(shù)得出故障分類(lèi)置信度。
步驟5重復(fù)步驟4進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),把得出的故障分類(lèi)置信度結(jié)果輸入到?jīng)Q策融合模型中。
步驟6根據(jù)決策融合結(jié)果得出故障融合診斷結(jié)果。
步驟7分析故障融合診斷結(jié)果,與實(shí)際故障情況對(duì)比并統(tǒng)計(jì)正確率。
本文選用普惠公司的JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)[17]為研究對(duì)象,選擇排氣口燃?xì)鉁囟绕?ΔEGT)、燃油消耗量偏差(ΔFF)、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差(ΔN1)、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差(ΔN2)作為狀態(tài)參數(shù),用表1的發(fā)動(dòng)機(jī)故障表作為原始樣本進(jìn)行仿真拓展,公式[14]如下:
表1 JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)故障
x=x0+lσ·rand
(20)
式中:x0為原始樣本;l為噪聲控制因子用來(lái)模擬噪聲受到環(huán)境干擾的情況;σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差;rand函數(shù)用來(lái)生成服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。
首先建立4維樣本矩陣,每維代表各個(gè)性能參數(shù)。根據(jù)仿真建立1 000個(gè)有樣本故障狀態(tài)標(biāo)簽的訓(xùn)練樣本,每種故障類(lèi)型100個(gè),其中故障因子設(shè)置為0.1~0.5,每隔0.1仿真20個(gè)樣本。另外建立1 000個(gè)無(wú)標(biāo)簽的訓(xùn)練樣本,參數(shù)設(shè)置與有標(biāo)簽樣本相同。然后構(gòu)建層數(shù)分別為2、3、4的共7個(gè)4DBN網(wǎng)絡(luò),代入所有訓(xùn)練樣本求出樣本的總重構(gòu)誤差如表2所示,可以看出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為[4,8,9,10]的DBN網(wǎng)絡(luò),重構(gòu)誤差最小,說(shuō)明該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠更加準(zhǔn)確地挖掘出性能參數(shù)中的隱藏特征。因此,本文選取該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的反向調(diào)節(jié)優(yōu)化。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為[4,8,9,10]的DBN網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)誤差見(jiàn)圖5。可以看出在多次重構(gòu)后,重構(gòu)誤差逐步下降到較小值。
表2 DBN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與重構(gòu)誤差
圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為[4,8,9,10]的DBN網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)誤差圖
圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差圖
并對(duì)帶標(biāo)簽樣本進(jìn)行反向調(diào)節(jié),可以得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差曲線如圖6所示,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差反映出狀態(tài)參數(shù)的隱藏特征與故障類(lèi)型的匹配程度,其誤差為所有訓(xùn)練樣本的特征值與故障類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)差總和。由于RBM訓(xùn)練過(guò)程為無(wú)監(jiān)督訓(xùn)練,所以提取出的樣本特征不能直接與故障類(lèi)型相對(duì)應(yīng)。從圖6可以看出,剛開(kāi)始訓(xùn)練時(shí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差很大,在2 500次左右樣本誤差已經(jīng)大幅度下降。在運(yùn)算30 000次后最終BP誤差僅為0.41,已滿足要求。
截取故障F05的5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其置信度見(jiàn)表3。從表中可以看出每次診斷得出的置信度(置信度1~置信度5)都有一定偏差,對(duì)于F05的置信度1約為0.278,同時(shí)F09的置信度1約為0.716,發(fā)生了明顯的分類(lèi)錯(cuò)誤。對(duì)比故障F05和F09的狀態(tài)參數(shù)可以看出由于范圍較為接近,在故障仿真中的數(shù)據(jù)特征較為模糊,因此容易在單次故障診斷結(jié)果出錯(cuò)。為了消除個(gè)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)診斷結(jié)果的影響,需要決策融合再進(jìn)行更準(zhǔn)確的診斷。同時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)那些特征不明顯的樣本,應(yīng)再仿真出一些類(lèi)似樣本,添加到深度信念網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集中,從而對(duì)深度信念網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。
為了消除運(yùn)算結(jié)果偏差對(duì)最終故障診斷結(jié)果所造成的影響,進(jìn)一步提高診斷正確率,把表3中數(shù)據(jù)代入到?jīng)Q策融合算法中可得到最終結(jié)果見(jiàn)表4。其中C(F) 為決策融合算法得出的置信度,診斷結(jié)果0表示無(wú)故障,1表示有故障。從表中可以看出經(jīng)過(guò)決策融合,故障在所屬F05的置信度極高,達(dá)到了故障分類(lèi)要求。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn),選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為[4,6,8,10]的深度信念網(wǎng)絡(luò)模型和決策融合模型組合成故障融合診斷模型。仿真出1 000個(gè)有故障狀態(tài)標(biāo)簽的測(cè)試樣本,每種故障類(lèi)型100個(gè),為檢驗(yàn)?zāi)P涂垢蓴_性,故障因子設(shè)置為0.1~1.0每隔0.1仿真10個(gè)樣本。把測(cè)試樣本代入到故障融合診斷模型中,把得出故障融合診斷結(jié)果與故障狀態(tài)標(biāo)簽對(duì)比可以得出故障融合診斷正確率。
表3 故障分類(lèi)置信度
表4 故障診斷結(jié)果
表5 故障診斷正確率對(duì)比
下面將測(cè)試樣本代入到基于深度學(xué)習(xí)的故障融合診斷模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和單獨(dú)深度信念網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對(duì)比,并統(tǒng)計(jì)正確率。從表5中的可以看出,本文所采用的基于深度學(xué)習(xí)的故障融合診斷模型正確率為99.58%,比無(wú)決策融合模型略高,同時(shí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在多故障診斷中效果較差。說(shuō)明通過(guò)決策融合有效地提高了模型抗干擾型,有更高地故障診斷正確率。
1) 本文提出的基于深度學(xué)習(xí)的故障融合診斷模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和單獨(dú)深度信念網(wǎng)絡(luò)模型相比有更高的故障診斷正確率,例如對(duì)JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障診斷的正確率達(dá)到99.58%。
2) 本文模型中的深度學(xué)習(xí)方法能夠充分發(fā)掘大樣本特征,對(duì)多故障進(jìn)行分析,提取故障樣本隱含特征。
3) 本文模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,輸入輸出清晰直觀。先把故障樣本的狀態(tài)參數(shù)作為輸入,輸出各個(gè)故障分類(lèi)置信度;然后再用決策融合算法把多次故障分類(lèi)結(jié)果相融合得出最終診斷結(jié)果。
4) 本文模型使用決策融合算法消除了深度信念網(wǎng)絡(luò)故障分類(lèi)結(jié)果中的偶然誤差,有較好的抗干擾能力。
為了使本模型的故障診斷結(jié)果更精確、速度更快,仍需要優(yōu)化相關(guān)參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)。
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