崔瀾,張宏立,馬萍,王聰
(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,烏魯木齊 830046)
滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中極易發(fā)生故障的重要部件, 鑒于滾動(dòng)軸承故障物理模型的不確定性以及智能化處理技術(shù)的飛速發(fā)展,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法成為一個(gè)深具潛力的研究方向[1],其核心在于狀態(tài)變化敏感特征的提取,最優(yōu)退化特征的選擇以及預(yù)測(cè)模型的建立3個(gè)方面。
對(duì)于敏感特征的提取,文獻(xiàn)[2]提取滾動(dòng)軸承的時(shí)域指標(biāo)并通過(guò)主成分分析法構(gòu)建敏感特征,但該方法增加了人工提取的難度,且易受噪聲的影響。文獻(xiàn)[3]提出了一種從二維圖形上分析非線(xiàn)性時(shí)間序列內(nèi)部動(dòng)力學(xué)特性的遞歸方法——遞歸圖法(Recurrence Plot,RP),但遞歸圖僅是對(duì)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的定性描述,觀察起來(lái)極不方便。文獻(xiàn)[4]在遞歸圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行遞歸定量分析(Recurrence Quantification Analysist,RQA),從定量的角度對(duì)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析,克服了傳統(tǒng)方法對(duì)過(guò)程平穩(wěn)的嚴(yán)格要求且對(duì)噪聲具有一定的抑制作用。文獻(xiàn)[5]采用遞歸定量分析方法,利用遞歸量指標(biāo)進(jìn)行離心泵的故障診斷并得到了較好的結(jié)果,但未對(duì)故障的預(yù)測(cè)進(jìn)行討論。因此,本文嘗試采用遞歸定量分析方法提取滾動(dòng)軸承的遞歸量,并選取最能體現(xiàn)滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)的遞歸量作為滾動(dòng)軸承的退化指標(biāo)。
為更好預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承的退化趨勢(shì),需進(jìn)行退化狀態(tài)分割,滾動(dòng)軸承在完全失效之前需要經(jīng)歷多狀態(tài)過(guò)程,文獻(xiàn)[6]利用自動(dòng)譜聚類(lèi)的方法將滾動(dòng)軸承全壽命周期劃分為多狀態(tài),文獻(xiàn)[7]將譜聚類(lèi)與遺傳算法相結(jié)合進(jìn)行時(shí)序曲線(xiàn)的聚類(lèi)。因此,本文利用譜聚類(lèi)方法對(duì)提取的遞歸量指標(biāo)進(jìn)行時(shí)序曲線(xiàn)聚類(lèi),劃分滾動(dòng)軸承的多種運(yùn)行狀態(tài)。
在對(duì)滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)進(jìn)行的研究中,文獻(xiàn)[8]將遞歸定量分析與卡爾曼濾波方法結(jié)合,但卡爾曼濾波方法需要建立具體的物理模型,對(duì)于滾動(dòng)軸承的非平穩(wěn)狀態(tài)而言,建立準(zhǔn)確的物理模型比較困難。長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9](Long Short-Term Memory,LSTM)可以處理長(zhǎng)期依賴(lài)問(wèn)題,與卡爾曼濾波和馬爾可夫模型[10]相比,LSTM不需要預(yù)先選擇有限個(gè)狀態(tài)即可進(jìn)行預(yù)測(cè),文獻(xiàn)[11]利用LSTM進(jìn)行了故障序列的多步預(yù)測(cè)且取得了比傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型要好的結(jié)果,故本文選擇LSTM作為預(yù)測(cè)模型,對(duì)滾動(dòng)軸承的退化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)時(shí),提取最優(yōu)特征是關(guān)鍵步驟,嵌入定理[12]指出,在確定合適的延遲時(shí)間τ和嵌入維數(shù)m的情況下,可以從一維混沌時(shí)間序列中重構(gòu)一個(gè)與原動(dòng)力系統(tǒng)在拓?fù)湟饬x下一樣的相空間。對(duì)于長(zhǎng)度為n的時(shí)間序列{x1,x2,x3,…,xn},重構(gòu)后的相空間向量為{xi,xi+τ,…,xi+(m-1)τ},其中M為相空間向量個(gè)數(shù),M=n-(m-1)τ,重構(gòu)后的相空間可表示為
(1)
由此可見(jiàn),選擇合適的τ和m至關(guān)重要,本文利用互信息量法確定延遲時(shí)間τ并選擇虛假臨近點(diǎn)法確定嵌入維數(shù)m,從而對(duì)滾動(dòng)軸承的原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu),得到體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的高維特征,并對(duì)高維特征進(jìn)行定性以及定量分析,以挖掘能夠體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息量。
對(duì)重構(gòu)相空間向量進(jìn)行定性分析,可得遞歸矩陣
(2)
式中:Θ為階躍函數(shù);Yi,Yj為相空間中任意2個(gè)點(diǎn);ε為遞歸閾值。
采用基于原始時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差的方法改進(jìn)遞歸閾值,具體步驟如下:
1)采用最大相空間尺度的10%[13]確定t1時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)遞歸閾值ε1。
2)確定t1時(shí)刻數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ1,得比例系數(shù)k=ε1/σ1。
3)確定t2時(shí)刻數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ2,則t2時(shí)刻的遞歸閾值為ε2=kσ2,以此類(lèi)推得tn時(shí)刻的遞歸閾值為εn=kσn。
從遞歸圖的點(diǎn)線(xiàn)關(guān)系求出系統(tǒng)的遞歸量[14],結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 遞歸量特征指標(biāo)Tab.1 Characteristic index of recurrent quantity
(3)
(4)
式中:p(l),p(v)分別為遞歸圖中45°和垂直方向直線(xiàn)的長(zhǎng)度;Nl,Nv分別為遞歸圖中45°和垂直方向上長(zhǎng)度為l/v的直線(xiàn)的條數(shù);lmin,vmin分別為遞歸圖中45°和垂直方向上直線(xiàn)的最小長(zhǎng)度(一般取2);lmax,vmax分別為遞歸圖中45°和垂直方向直線(xiàn)的最大長(zhǎng)度。
滾動(dòng)軸承在其全壽命周期內(nèi)依次經(jīng)歷平穩(wěn)運(yùn)行階段、輕微退化階段、加速退化階段和失效階段,對(duì)滾動(dòng)軸承所處的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行明確劃分,只針對(duì)失效階段前的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)更具有實(shí)際意義。因此,采用譜聚類(lèi)的方法對(duì)退化指標(biāo)進(jìn)行時(shí)序曲線(xiàn)聚類(lèi),以此區(qū)分不同的運(yùn)行階段。
譜聚類(lèi)源于圖論中的圖譜[15],通過(guò)建立各數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相似度矩陣,將數(shù)據(jù)聚為不同類(lèi)別,具體步驟如下:
1)采用全連接法確定所有數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相似度矩陣wij,即
(5)
式中:xi,xj為任意2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);σ為距離閾值,控制著樣本點(diǎn)的鄰域?qū)挾?,即σ越小表示樣本點(diǎn)與距離較遠(yuǎn)的樣本點(diǎn)相似度越小。
2)確定權(quán)重矩陣W
(6)
3)確定度矩陣D為
(7)
4)確定量綱一化后的拉普拉斯矩陣L
(8)
5)計(jì)算L的特征向量和特征值,將特征值按降序排列得{λ1>λ2>…>λm},取前m個(gè)最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量X=[v1,v2,…,vm],其中m就是要聚成的類(lèi)別個(gè)數(shù)。
6)將X量綱一化得到Y(jié),對(duì)矩陣Y按每行為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),進(jìn)行k-means聚類(lèi),其中第i行所屬類(lèi)就是原來(lái)xi所屬的類(lèi)。
由于滾動(dòng)軸承全壽命周期共經(jīng)歷4個(gè)階段,因此規(guī)定譜聚類(lèi)數(shù)目為4。
處理非線(xiàn)性時(shí)間序列時(shí)首選具有時(shí)間步的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Neural Network,RNN),但在處理較長(zhǎng)的時(shí)間序列時(shí),RNN容易造成梯度消失和梯度爆炸的問(wèn)題,導(dǎo)致更早時(shí)刻的數(shù)據(jù)在訓(xùn)練過(guò)程中丟失。針對(duì)RNN的缺陷,提出如圖1所示的長(zhǎng)短期記憶循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),相對(duì)于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)建立的遞歸計(jì)算,3個(gè)門(mén)控對(duì)LSTM單元的內(nèi)部狀態(tài)建立了自循環(huán)(self loop),從而使其具有長(zhǎng)期記憶功能。
圖1 LSTM隱藏層細(xì)胞結(jié)構(gòu)Fig.1 LSTM cell structure in hidden layer
LSTM的長(zhǎng)期記憶能力可表示為
(9)
式中:xt為當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)輸入;ht-1為前一時(shí)刻的細(xì)胞輸出;ft為長(zhǎng)期記憶c的遺忘比例;it為當(dāng)前信息輸入到長(zhǎng)期記憶c的比例;ot為長(zhǎng)期記憶c輸出到當(dāng)前狀態(tài)h的比例。
由(9)式可以求出當(dāng)前細(xì)胞的狀態(tài),即
(10)
則t時(shí)刻隱含層的狀態(tài)值ht為
ht=ottanh(ct) 。
(11)
規(guī)定輸入層數(shù)據(jù)為提取的遞歸熵Fo={f1,f2,…,fl},LSTM輸入層數(shù)據(jù)需滿(mǎn)足的格式為(樣本個(gè)數(shù),時(shí)間步,特征個(gè)數(shù)),假定遞歸熵長(zhǎng)度為l,時(shí)間步大小為s,特征個(gè)數(shù)為a,則總樣本個(gè)數(shù)為l-s,具體步驟如下:
1)確定訓(xùn)練集樣本個(gè)數(shù)m,則訓(xùn)練集數(shù)據(jù)輸入為
X={X1,X2,…,Xm},
(12)
X1={f1,f2,…,fs},
X2={f2,f3,…,fs+1},
Xm={fm,fm+1,…,fm+s-1},
若Xm為s×a的二維矩陣,則X為m×s×a的三維矩陣。
2)確定對(duì)應(yīng)的理論輸出,即
Y={Y1,Y2,…,Ym},
(13)
Y1={fs+1},
Y2={fs+2},
Ym={fs+m},
若Ym為a×a的二維矩陣,則Y為m×a×a的三維矩陣。
3)確定測(cè)試集輸入數(shù)據(jù),即
X′={X′1,X′2,…,X′n};n=l-s-m,
(14)
X′1={fm+1,fm+2,…,fm+s},
X′2={fm+2,fm+3,…,fm+s+1},
X′n={fm+n,fm+n+1,…,fm+n+s-1},
若X′n為s×a的二維矩陣,則X′為n×s×a的三維矩陣。
4)測(cè)試集對(duì)應(yīng)的理論輸出為
Y′={Y′1,Y′2,…,Y′n},
(15)
Y′1={fm+s+1},
Y′2={fm+s+2},
Y′n={fm+s+n},
若Y′n為a×a的二維矩陣,則Y′為n×a×a的三維矩陣。
5)將RMS作為誤差函數(shù),采用Adam優(yōu)化器對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練結(jié)束后對(duì)測(cè)試集數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。
結(jié)合上述理論分析,所設(shè)計(jì)的滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)算法如圖2所示,具體步驟為:
圖2 滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)算法流程圖Fig.2 Flowchart of rolling bearing degradation trend prediction algorithm
1)選擇合適的延遲時(shí)間和嵌入維數(shù)對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu),得到滾動(dòng)軸承高維相空間向量。
2)對(duì)高維相空間向量進(jìn)行遞歸定量分析,計(jì)算遞歸熵、遞歸率、層流性和確定性等退化指標(biāo)。
3)利用譜聚類(lèi)方法對(duì)各退化指標(biāo)進(jìn)行時(shí)序曲線(xiàn)聚類(lèi),找到最能體現(xiàn)滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)的退化指標(biāo)。
4)譜聚類(lèi)后劃分滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過(guò)程中的各個(gè)狀態(tài),選擇滾動(dòng)軸承處于正常運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。
5)將正常運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)輸入長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行滾動(dòng)軸承的退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)。
為驗(yàn)證本文所提方法的有效性,采用美國(guó)辛辛那提大學(xué)NSF I/UCR智能維護(hù)系統(tǒng)中心提供的滾動(dòng)軸承全壽命周期振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),該試驗(yàn)共安裝了4套R(shí)exnord ZA-2115雙列圓柱滾子軸承,通過(guò)PCB353B33加速度計(jì)每隔10 min采集1次數(shù)據(jù),采樣頻率為20 kHz,一次共采集20 480個(gè)數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)共采集3組數(shù)據(jù)集,每組數(shù)據(jù)集都包含4套軸承的振動(dòng)信號(hào),其中數(shù)據(jù)集1包含X,Y這2個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào),數(shù)據(jù)集2和3則只包含X方向的振動(dòng)信號(hào)。本文選用數(shù)據(jù)集2的1#軸承進(jìn)行驗(yàn)證,該數(shù)據(jù)集共有984組數(shù)據(jù),該組試驗(yàn)起始于2004-02-12T10:32:39,一直監(jiān)測(cè)到2004-02-19T06:22:39,約7天,在該組試驗(yàn)結(jié)束后,拆解發(fā)現(xiàn)軸承外圈損壞。
對(duì)984組數(shù)據(jù)進(jìn)行相空間重構(gòu),畫(huà)出系統(tǒng)的遞歸圖,以第1組數(shù)據(jù)為例,利用互信息量法求得τ=4,利用虛假臨近點(diǎn)法求得m=4,標(biāo)準(zhǔn)差σ1=0.073 5,利用最大相空間尺度的10%求得遞歸閾值ε1=0.904,比例系數(shù)κ=12.3,將第1時(shí)刻的20 480個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分為10等份,每2 048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)做一次遞歸圖并求遞歸量,取10次遞歸量的平均值作為第1時(shí)刻的遞歸量。以此類(lèi)推,共可求出984組遞歸量。將滾動(dòng)軸承全壽命周期數(shù)據(jù)平均分為9份,觀察9類(lèi)不同時(shí)刻的遞歸圖,畫(huà)出每個(gè)時(shí)刻前2 048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的遞歸圖,如圖3所示。
由圖3可以看出,不同衰退程度的遞歸特征具有較明顯的差別,遞歸圖中黑色區(qū)域越大,表明動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的急劇或突然的變化越多。在滾動(dòng)軸承的正常運(yùn)行階段不會(huì)出現(xiàn)大面積的黑色區(qū)域,隨著滾動(dòng)軸承磨損,會(huì)產(chǎn)生大量的沖擊信號(hào),導(dǎo)致在滾動(dòng)軸承最后運(yùn)行階段出現(xiàn)大面積的黑色區(qū)域。因此,可以用遞歸量作為反映滾動(dòng)軸承退化程度的退化指標(biāo)。
圖3 不同時(shí)刻的遞歸圖Fig.3 Recurrence diagram at different moments
對(duì)遞歸圖進(jìn)行定量分析得到4個(gè)遞歸量作為評(píng)價(jià)所選的退化指標(biāo),對(duì)各遞歸量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)性[16]分析,結(jié)果見(jiàn)表2,由表可知改進(jìn)后遞歸量(利用標(biāo)準(zhǔn)差改進(jìn)遞歸閾值的方法)的灰色關(guān)聯(lián)性指標(biāo)均要高于改進(jìn)前。因此,對(duì)改進(jìn)后的遞歸量指標(biāo)以及均方根、峭度進(jìn)行譜聚類(lèi)。
表2 各退化參數(shù)灰色關(guān)聯(lián)性Tab.2 Gray correlation of degradation parameters
選擇聚類(lèi)數(shù)目m=4,距離閾值σ=0.1,譜聚類(lèi)的結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 時(shí)域指標(biāo)譜聚類(lèi)Fig.4 Spectral clustering of time-domain index
圖5 改進(jìn)后遞歸量指標(biāo)譜聚類(lèi)Fig.5 Spectral clustering of recurrent quantity index after improvement
不同退化指標(biāo)對(duì)滾動(dòng)軸承全壽命周期不同退化階段的劃分見(jiàn)表3,其中T1~T4表示滾動(dòng)軸承在不同退化階段停留的時(shí)間。
表3 退化停留時(shí)刻Tab.3 Degraded residence times
由圖4、圖5、表3綜合分析可知:均方根、峭度、確定性,層流性以及遞歸率指標(biāo)均在第490個(gè)時(shí)刻附近判斷滾動(dòng)軸承進(jìn)入加速衰退階段。國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者經(jīng)大量試驗(yàn)表明,該試驗(yàn)中1#軸承的早期故障點(diǎn)在第530—550的時(shí)刻區(qū)間,由圖5d可見(jiàn),改進(jìn)遞歸熵指標(biāo)判斷系統(tǒng)在第539個(gè)時(shí)刻進(jìn)入加速衰退階段,結(jié)果更加接近真實(shí)情況。
相較于其他指標(biāo),選擇遞歸熵作為退化指標(biāo)可確定該軸承的平穩(wěn)階段持續(xù)時(shí)間比輕微退化階段長(zhǎng),符合滾動(dòng)軸承的實(shí)際運(yùn)行情況。對(duì)遞歸熵進(jìn)行譜聚類(lèi)時(shí),在第710個(gè)時(shí)刻處遞歸熵發(fā)生突變,標(biāo)志著軸承進(jìn)入失效階段,而其他指標(biāo)的譜聚類(lèi)結(jié)果均表明軸承在第760個(gè)時(shí)刻附近進(jìn)入失效階段,但此時(shí)相應(yīng)指標(biāo)并未發(fā)生明顯突變。雖然確定性和層流性的灰色關(guān)聯(lián)性高于遞歸熵,但在進(jìn)行譜聚類(lèi)時(shí),遞歸熵能更好體現(xiàn)軸承的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),兩者結(jié)合能夠更加準(zhǔn)確的區(qū)分軸承的運(yùn)行狀態(tài)。
采用長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)路模型進(jìn)行滾動(dòng)軸承的退化趨勢(shì)預(yù)測(cè),從圖5d可以看出該軸承在運(yùn)行的第710個(gè)時(shí)刻進(jìn)入失效階段,軸承已受到嚴(yán)重?fù)p壞,遞歸熵值上下波動(dòng)較大,不具備實(shí)際研究意義,故刪除第710—984時(shí)刻的數(shù)據(jù)點(diǎn),利用前710時(shí)刻的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行研究。
時(shí)間步確定為4,特征值為遞歸熵,大小為1,一共構(gòu)成706個(gè)樣本,取前682個(gè)樣本作為訓(xùn)練集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練,后24個(gè)樣本作為測(cè)試集對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,采用Adam優(yōu)化器,迭代訓(xùn)練120次,LSTM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表4。將LSTM模型與傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比,預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6所示。
表4 LSTM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Tab.4 Network structure of LSTM
圖6 各模型的退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)曲線(xiàn)Fig.6 Prediction curve of degradation trend for each model
選擇均方誤差eMSE和均方根誤差eRMSE對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),其表達(dá)式分別為
(16)
(17)
式中:Fi為實(shí)際值;Fp為預(yù)測(cè)值。
由表5可知,相比于其他3種網(wǎng)絡(luò)模型,LSTM模型的eMSE和eRMSE更低,表明LSTM模型對(duì)滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)更加有效。
表5 不同預(yù)測(cè)方法的性能比較Tab.5 Performance comparison of different prediction methods
采用相空間重構(gòu)法得到滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)特性并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遞歸定量分析,選擇更加符合滾動(dòng)軸承實(shí)際運(yùn)行工況的遞歸熵作為滾動(dòng)軸承的退化指標(biāo)。然后,采用譜聚類(lèi)方法,通過(guò)對(duì)退化指標(biāo)的劃分,明確了滾動(dòng)軸承的多狀態(tài)模式并去除滾動(dòng)軸承失效點(diǎn)。最后,采用具有記憶功能的長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滾動(dòng)軸承的退化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果表明其預(yù)測(cè)精度要高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),證明了遞歸熵退化指標(biāo)結(jié)合譜聚類(lèi)及LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的有效性。