梁川

摘 ?要：風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片積冰會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組的效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂，嚴(yán)重威脅風(fēng)電場的正常生產(chǎn)運(yùn)行。文章提出了一種基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰預(yù)測方法，能夠根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的SCADA數(shù)據(jù)對葉片結(jié)冰的早期過程進(jìn)行精確預(yù)測，并采用某風(fēng)電場的2臺風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證和對比試驗(yàn)，并提出了針對不平衡數(shù)據(jù)集處理的加權(quán)精確率的評價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文章所提方法能有效預(yù)測風(fēng)機(jī)的早期故障，對設(shè)備作出預(yù)測性維護(hù)，減少經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);葉片結(jié)冰;故障預(yù)測

中圖分類號：TH165 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0132-04

Abstract： Ice accumulation on wind turbine blades of wind farms will reduce the efficiency of wind turbines. In severe cases， the blades will break， which seriously threatens the normal production and operation of wind farms. This paper proposes a wind turbine blade icing prediction method based on a one-dimensional convolutional neural network， which can accurately predict the early process of blade icing based on the SCADA data of the wind turbine operation. Using2 wind turbine data of a wind farm， this paper conducts model verification and comparative experiments， and then puts forward evaluation indexes of weighted accuracy rate for imbalanced data set processing. The experimental results show that the method proposed in this paper can effectively predict the early failure of the fan， make predictive maintenance on the equipment， and reduce economic losses.

Keywords： convolutional neural network; blade icing; fault prediction

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于能源的依賴逐步加強(qiáng)，化石燃料能源對生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響很大，因此，可再生能源的發(fā)展備受關(guān)注。其中，風(fēng)能便是常用可再生能源之一[1]。但將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的風(fēng)機(jī)時(shí)常會(huì)受到低溫潮濕環(huán)境影響，葉片容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，從而影響風(fēng)機(jī)的發(fā)電性能和安全性[2]。因此，對風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰預(yù)測研究具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

故障預(yù)測與健康管理[3]（PHM）是指利用傳感器采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，借助于信息技術(shù)、人工智能推理算法來監(jiān)控，在系統(tǒng)發(fā)生故障之前對其故障進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合現(xiàn)有的資源信息提供一系列的維護(hù)保障建議或決策，它是一種集故障檢測、隔離、健康預(yù)測與評估及維護(hù)決策于一身的綜合技術(shù)。在整個(gè)過程中，故障的預(yù)測的精確性和準(zhǔn)確性對整個(gè)系統(tǒng)起的關(guān)鍵作用，具有很大的潛在研究價(jià)值。Mostafa B等人[4]提出了一種基于時(shí)域和頻域（FFT相角和PSD）統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析（PCA）和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）的智能故障預(yù)測方法。Amruthnath N等人[5]提出了一種基于模型聚類的無監(jiān)督學(xué)習(xí)故障類別預(yù)測，避免了對歷史數(shù)據(jù)的需求。

國內(nèi)外對于風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰的故障預(yù)測的研究尚處于起步階段，由于風(fēng)機(jī)葉片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此一般的結(jié)冰狀態(tài)監(jiān)測主要是在風(fēng)機(jī)葉片上加裝葉片傳感器。Simani等[6]提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法對風(fēng)機(jī)的早期故障進(jìn)行檢測，主要運(yùn)用了模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來描述測量和故障之間的強(qiáng)非線性關(guān)系。Hongyuan Xiao等[7]采用人工蜂群（ABC）和EMD分解方法對支持向量機(jī)（SVM）的模型進(jìn)行優(yōu)化，提高了對風(fēng)機(jī)故障診斷和預(yù)測的精度。張明德等[8]提出了一種基于多尺度卷積策略CNN的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，其將表征滾動(dòng)軸承故障的一維振動(dòng)信號輸入模型，然后利用卷積層中的多尺度卷積結(jié)構(gòu)對原始信號進(jìn)行卷積運(yùn)算，最后通過池化層進(jìn)行特征信息的提煉和簡化，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障診斷。

本文以國內(nèi)某風(fēng)機(jī)場的2臺風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行模型訓(xùn)練和測試，采用了一種基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)對風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰進(jìn)行預(yù)測，有效提高對風(fēng)機(jī)結(jié)冰故障的預(yù)測準(zhǔn)確率。提出了針對不平衡數(shù)據(jù)集處理的加權(quán)精確率評價(jià)指標(biāo)，提升了結(jié)果的可靠性。

2 基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)機(jī)故障預(yù)測算法

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network， CNN）是一種深度學(xué)習(xí)架構(gòu)[9]。其獨(dú)特的多卷積層次結(jié)構(gòu)使得模型具有學(xué)習(xí)序列數(shù)據(jù)更深層次特征的能力，提高模型的魯棒性。卷積運(yùn)算是CNN的核心操作，其本質(zhì)就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，其通過不同的卷積核對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，從而獲取數(shù)據(jù)的全局化特征，再經(jīng)過池化操作對提取到的特征進(jìn)行下采樣，在降低運(yùn)算量的同時(shí)也可以一定程度抑制模型的過擬合。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要涉及三個(gè)基本概念[8]：局部感知、參數(shù)共享和池化。在卷積層中，每一個(gè)卷積核都會(huì)連接到輸入數(shù)據(jù)的一個(gè)小區(qū)域上，然后通過時(shí)間步的方式在輸入矩陣上進(jìn)行不斷掃描，這個(gè)過程就是局部感知。卷積核通過對掃描區(qū)域不斷進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)特征映射。其數(shù)學(xué)模型表述如下：

其中，Xt：t+k-1表示經(jīng)過時(shí)間步處理的時(shí)間序列，k表示卷積核的大小;WT為共享的權(quán)重參數(shù)，b為共享偏置，共享權(quán)重和共享偏置的機(jī)制使得模型的訓(xùn)練參數(shù)大大減少，也使得卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)到的模式具有了平移不變性，從而使得卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練模型時(shí)可以高效利用數(shù)據(jù)，提高模型的訓(xùn)練速度和泛化能力。f（·）為激活函數(shù)，激活函數(shù)為模型引入了非線性因素，使得模型的表達(dá)能力大大增強(qiáng)。max（·）函數(shù)為最大池化函數(shù)，其可以在保留卷積層特征的同時(shí)降低模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初是被設(shè)計(jì)出來處理圖像數(shù)據(jù)，由于每次都是直接在圖像矩陣上用同樣的卷積核對像素點(diǎn)進(jìn)行卷積操作，所以與傳統(tǒng)的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠大幅降低模型訓(xùn)練所需要的參數(shù)，從而提高模型的訓(xùn)練速度。一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的演變版，可以很好地應(yīng)用于傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析，與專門用來處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)更加簡單，處理速度更快的優(yōu)點(diǎn)。圖1為一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理，其利用一維卷積核在時(shí)間序列上進(jìn)行滑動(dòng)，由于其每次處理的數(shù)據(jù)為一個(gè)時(shí)間周期而不是某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，所以它能夠提取到序列數(shù)據(jù)在時(shí)間維度上體現(xiàn)出來的前后變化關(guān)系，從而學(xué)習(xí)到更多的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而提高模型的精度以及泛化能力。

3 實(shí)驗(yàn)

本文采用的數(shù)據(jù)集來自2017年國內(nèi)首屆工業(yè)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新競賽，該數(shù)據(jù)集包含兩臺風(fēng)機(jī)近兩個(gè)月的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)及對應(yīng)的正常和故障狀態(tài)的時(shí)間段，數(shù)據(jù)集共有26個(gè)特征維度，共包含584382條樣本。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)集中包含了正常數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)以及無效數(shù)據(jù)，分別將其對應(yīng)的樣本標(biāo)簽標(biāo)記為0，1，2。其中，對于無效數(shù)據(jù)，在實(shí)際的模型訓(xùn)練中將其刪除。如圖2所示，在風(fēng)機(jī)的26個(gè)特征維度中，由于風(fēng)機(jī)三個(gè)葉片的相同屬性值表現(xiàn)出強(qiáng)線性關(guān)系，可通過取這些相同屬性的平均值來代替原有的多個(gè)特征。經(jīng)處理后，數(shù)據(jù)集剩余553715×20組數(shù)據(jù)。

為了將單純的分類問題轉(zhuǎn)換成故障預(yù)測問題，需要對風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)集進(jìn)行重新分割，但該數(shù)據(jù)集本身存在數(shù)據(jù)采樣周期不一致的問題，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，將數(shù)據(jù)處理成等時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序數(shù)據(jù)。通過計(jì)算，該數(shù)據(jù)集采樣的平均周期維持在7.5s左右，考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)量的要求比較高，本文采用周期為10s對原數(shù)據(jù)集進(jìn)行重新采樣，把數(shù)據(jù)分割成等時(shí)間間隔的時(shí)序數(shù)據(jù)。通過重采樣處理好的數(shù)據(jù)為一個(gè)時(shí)間步對應(yīng)一個(gè)標(biāo)簽，但是這種數(shù)據(jù)無法被用作故障預(yù)測，故障預(yù)測問題需要用設(shè)備歷史數(shù)據(jù)來推斷設(shè)備未來的狀態(tài)，所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分割。如圖3所示，經(jīng)過多次嘗試，本文最終選擇每次取20條數(shù)據(jù)作為一個(gè)時(shí)間窗口，將其作為歷史數(shù)據(jù)，再取對應(yīng)時(shí)間窗口后面的第10條數(shù)據(jù)的標(biāo)簽值作為設(shè)備未來狀態(tài)的標(biāo)簽，最后以10為步長在數(shù)據(jù)集上進(jìn)行滑動(dòng)，將數(shù)據(jù)集重新分割成符合故障預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。經(jīng)數(shù)據(jù)分割處理后，數(shù)據(jù)集被分為55369組大小為（20，20）的新樣本。

3.2 數(shù)據(jù)集劃分及模型訓(xùn)練

在處理完成的新數(shù)據(jù)集中取最后的15369條樣本作為模型最終的測試集，其中故障樣本971條，正常樣本14398條。將前面的40000條樣本按7：3的比例劃分為訓(xùn)練集與驗(yàn)證集，將數(shù)據(jù)輸入所提模型進(jìn)行訓(xùn)練，模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5和圖6分別展示了模型訓(xùn)練過程中訓(xùn)練集和驗(yàn)證集上的損失和準(zhǔn)確率的變化曲線，其中橫坐標(biāo)為模型訓(xùn)練次數(shù)。從圖中可以看出，無論是訓(xùn)練集還是驗(yàn)證集，損失值整體呈下降趨勢，精度呈上升趨勢，模型擬合情況良好，沒有出現(xiàn)過擬合情況。后期的精度雖然出現(xiàn)了一定的下降，但仍具有上升趨勢，通過增加訓(xùn)練次數(shù)可能讓模型具有更好的表現(xiàn)效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在測試集上對模型進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5所示，其中上方部分為真實(shí)值，下方部分為預(yù)測值。

為判定此算法的性能，本文采用了準(zhǔn)確率（Accuracy）、精確率（Precision）、召回率（Recall）、特異度（Specificity）和加權(quán)正確率（Weighted-Accuracy）。各個(gè)指標(biāo)的定義如下：

其中，TP指正類判定為正類，F(xiàn)P指負(fù)類判定為正類，F(xiàn)N指正類判定為負(fù)類，TN指負(fù)類判定為負(fù)類。準(zhǔn)確率是指分類模型所有判斷正確的結(jié)果占總觀測值的比重;精確率是指被分為正類的示例中實(shí)際為正類的比例;召回率是指在所有正類樣本中被預(yù)測正確的概率;特異度是值在所有負(fù)類樣本中被預(yù)測正確的概率;加權(quán)正確率是綜合考慮正類和負(fù)類的樣本數(shù)量，使用加權(quán)的方法來解決樣本不均衡所帶來的評價(jià)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯栴}。

表1展示了本文所提方法在各個(gè)評價(jià)指標(biāo)下的故障預(yù)測效果。

5 結(jié)論

現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組結(jié)冰預(yù)測方式的準(zhǔn)確率和精確率還有一定欠缺，本文提出的基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)機(jī)結(jié)冰故障預(yù)測方法，對準(zhǔn)確率和精確率有了些許提升，該方法在風(fēng)機(jī)預(yù)測時(shí)提前預(yù)測給出結(jié)冰預(yù)警，有效避免因風(fēng)機(jī)結(jié)冰而產(chǎn)生的不必要損失，有效運(yùn)用了風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)，對風(fēng)機(jī)結(jié)冰故障預(yù)測的研究有實(shí)際意義。

使用加權(quán)精確率的評價(jià)指標(biāo)可以綜合正類的準(zhǔn)確率和負(fù)類的準(zhǔn)確率，進(jìn)一步降低原始數(shù)據(jù)不平衡而導(dǎo)致的單個(gè)精確率的可參考性。

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