兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 2451-2462.doi: 10.12382/bgxb.2023.0413
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收稿日期:
2023-05-12
上线日期:
2023-12-24
通讯作者:
基金资助:
LÜ Jiapeng1,*(), SHI Xianjun1, WANG Yuanxin2
Received:
2023-05-12
Online:
2023-12-24
摘要:
对系统进行可诊断性设计,能优化诊断方案、提升诊断方案与系统的契合程度,对于准确检测或隔离系统故障具有重大意义。为此提出一种基于故障敏感度学习和集成学习的可诊断性设计方法。对于采集到的不同状态下的系统测试点信号进行特征提取,结合系统的可诊断性评价结果,提出特征贡献度量化算法,对信号中不同特征对故障诊断的贡献度进行评估,使用改进的D-S证据理论算法对不同信号的特征进行融合,确定适用于故障检测与隔离的故障敏感特征集合;采用集成学习方法对基分类器的诊断效果进行加强,最终获得对当前系统的诊断方案。仿真实验结果表明,采用新的可诊断性设计方法设计出来的针对系统的诊断方案,可以对系统故障进行良好的诊断,其中与未进行故障敏感度学习环节相比,故障诊断的错误率由5.33%下降到2.66%,与未进行集成学习环节相比,故障诊断的错误率由16.22%(基诊断器的平均值)下降到2.66%。在与其他诊断方案的对比实验中,新方法的故障诊断错误率相较于对比方法的平均值下降了3.34%。
中图分类号:
吕佳朋, 史贤俊, 王元鑫. 基于故障敏感度学习和集成学习的可诊断性设计方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2451-2462.
LÜ Jiapeng, SHI Xianjun, WANG Yuanxin. Diagnosability Design Method Based on Fault-sensitive Learning and Integrated Learning[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(7): 2451-2462.
故障 | 元件 | 故障值 |
---|---|---|
f0 | - | |
f1 | C1/nf | 10 |
f2 | Rs/kΩ | 50 |
f3 | R1s/kΩ | 短路 |
f4 | R1s/kΩ | 20 |
表1 电路故障设置
Table 1 Circuit fault setting
故障 | 元件 | 故障值 |
---|---|---|
f0 | - | |
f1 | C1/nf | 10 |
f2 | Rs/kΩ | 50 |
f3 | R1s/kΩ | 短路 |
f4 | R1s/kΩ | 20 |
序号 | 信号特征 | 表达式 |
---|---|---|
1 | 最大值 | Smax= $\mathscr{S}$ (i) |
2 | 最小值 | Smin= $\mathscr{S}$ (i) |
3 | 平均值 | Save= $\mathscr{S}$ (i) |
4 | 均方根 | SRMS= |
5 | 峰峰值 | Speak=Smax-Smin |
6 | 峰值因子 | SpeakF=Speak/Srms |
7 | 峭度 | Skurtosis= |
8 | 偏度 | Sskewness= |
9 | 波形因子 | SwaveF=SRMS/( | $\mathscr{S}$ (i)|) |
10 | 脉冲因子 | SimpulseF=Speak/( | $\mathscr{S}$ (i)|) |
11 | 裕度因子 | SclearF=Speak/( ( )2) |
表2 信号特征种类
Table 2 Types of signal characteristics
序号 | 信号特征 | 表达式 |
---|---|---|
1 | 最大值 | Smax= $\mathscr{S}$ (i) |
2 | 最小值 | Smin= $\mathscr{S}$ (i) |
3 | 平均值 | Save= $\mathscr{S}$ (i) |
4 | 均方根 | SRMS= |
5 | 峰峰值 | Speak=Smax-Smin |
6 | 峰值因子 | SpeakF=Speak/Srms |
7 | 峭度 | Skurtosis= |
8 | 偏度 | Sskewness= |
9 | 波形因子 | SwaveF=SRMS/( | $\mathscr{S}$ (i)|) |
10 | 脉冲因子 | SimpulseF=Speak/( | $\mathscr{S}$ (i)|) |
11 | 裕度因子 | SclearF=Speak/( ( )2) |
故障可检测 性和测点 | 故障 | |||
---|---|---|---|---|
f1 | f2 | f3 | f4 | |
故障可检测性 | 0.4207 | 0.3120 | 0.1871 | 0.5884 |
测点 | 测点3 | 测点3 | 测点6 | 测点6 |
表3 故障可检测性评价结果
Table 3 Fault detectability evaluation results
故障可检测 性和测点 | 故障 | |||
---|---|---|---|---|
f1 | f2 | f3 | f4 | |
故障可检测性 | 0.4207 | 0.3120 | 0.1871 | 0.5884 |
测点 | 测点3 | 测点3 | 测点6 | 测点6 |
故障 | f1 | f2 | f3 | f4 |
---|---|---|---|---|
f1 | 0 | 0.7327 | 0.4207 | 0.9664 |
f2 | 测点3 | 0 | 0.4679 | 0.3204 |
f3 | 测点3 | 测点6 | 0 | 0.7751 |
f4 | 测点6 | 测点6 | 测点6 | 0 |
表4 故障可隔离性评价结果
Table 4 Fault isolability evaluation results
故障 | f1 | f2 | f3 | f4 |
---|---|---|---|---|
f1 | 0 | 0.7327 | 0.4207 | 0.9664 |
f2 | 测点3 | 0 | 0.4679 | 0.3204 |
f3 | 测点3 | 测点6 | 0 | 0.7751 |
f4 | 测点6 | 测点6 | 测点6 | 0 |
故障及合计 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | 合计 |
---|---|---|---|---|---|---|
诊断错误率/% | 0 | 6.67 | 0 | 6.67 | 0 | 2.66 |
表5 诊断算法诊断结果
Table 5 Diagnosis results of diagnostic algorithm
故障及合计 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | 合计 |
---|---|---|---|---|---|---|
诊断错误率/% | 0 | 6.67 | 0 | 6.67 | 0 | 2.66 |
故障及 合计 | 基分类 器1 | 基分类 器2 | 基分类 器3 | 基分类 器4 | 基分类 器5 | 基分类 器6 | 集成分 类器 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
f0 | 0 | 13.33 | 26.67 | 0 | 6.67 | 80 | 0 |
f1 | 0 | 0 | 26.67 | 6.67 | 13.33 | 100 | 6.67 |
f2 | 6.67 | 13.33 | 33.33 | 0 | 0 | 66.67 | 0 |
f3 | 6.67 | 6.67 | 13.33 | 0 | 6.67 | 13.33 | 6.67 |
f4 | 0 | 0 | 20 | 6.67 | 6.67 | 13.33 | 0 |
合计 | 2.66 | 6.67 | 24 | 2.66 | 6.67 | 54.7 | 2.66 |
表6 不同诊断器的诊断结果
Table 6 Diagnostic results of different diagnosers %
故障及 合计 | 基分类 器1 | 基分类 器2 | 基分类 器3 | 基分类 器4 | 基分类 器5 | 基分类 器6 | 集成分 类器 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
f0 | 0 | 13.33 | 26.67 | 0 | 6.67 | 80 | 0 |
f1 | 0 | 0 | 26.67 | 6.67 | 13.33 | 100 | 6.67 |
f2 | 6.67 | 13.33 | 33.33 | 0 | 0 | 66.67 | 0 |
f3 | 6.67 | 6.67 | 13.33 | 0 | 6.67 | 13.33 | 6.67 |
f4 | 0 | 0 | 20 | 6.67 | 6.67 | 13.33 | 0 |
合计 | 2.66 | 6.67 | 24 | 2.66 | 6.67 | 54.7 | 2.66 |
序号 | 特征组合 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | 合计 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 2 3 4 5 6 | 0 | 6.67 | 0 | 6.67 | 0 | 2.66 |
2 | 1 2 | 40 | 6.67 | 20 | 13.33 | 0 | 16 |
3 | 4 5 6 | 0 | 0 | 6.67 | 6.67 | 6.67 | 4 |
4 | 4 5 | 13.33 | 6.67 | 26.67 | 20 | 6.67 | 14.67 |
5 | 4 | 20 | 0 | 6.67 | 13.33 | 6.67 | 9.33 |
6 | 5 | 53.3 | 33.33 | 53.3 | 53.3 | 20 | 42.67 |
7 | 1 2 4 5 | 40 | 6.67 | 20 | 20 | 0 | 17.33 |
8 | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | 6.67 | 0 | 6.67 | 13.33 | 0 | 5.33 |
9 | 7 8 | 46.67 | 20 | 80 | 80 | 0 | 45.33 |
10 | 9 10 11 | 66.67 | 33.33 | 73.33 | 53.3 | 6.67 | 46.67 |
11 | 7 8 9 10 11 | 33.33 | 26.67 | 66.67 | 73.33 | 6.67 | 41.33 |
表7 不同特征组合对于集成诊断结果的影响
Table 7 Effects of different feature combinations on integrated diagnosis results %
序号 | 特征组合 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | 合计 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 2 3 4 5 6 | 0 | 6.67 | 0 | 6.67 | 0 | 2.66 |
2 | 1 2 | 40 | 6.67 | 20 | 13.33 | 0 | 16 |
3 | 4 5 6 | 0 | 0 | 6.67 | 6.67 | 6.67 | 4 |
4 | 4 5 | 13.33 | 6.67 | 26.67 | 20 | 6.67 | 14.67 |
5 | 4 | 20 | 0 | 6.67 | 13.33 | 6.67 | 9.33 |
6 | 5 | 53.3 | 33.33 | 53.3 | 53.3 | 20 | 42.67 |
7 | 1 2 4 5 | 40 | 6.67 | 20 | 20 | 0 | 17.33 |
8 | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | 6.67 | 0 | 6.67 | 13.33 | 0 | 5.33 |
9 | 7 8 | 46.67 | 20 | 80 | 80 | 0 | 45.33 |
10 | 9 10 11 | 66.67 | 33.33 | 73.33 | 53.3 | 6.67 | 46.67 |
11 | 7 8 9 10 11 | 33.33 | 26.67 | 66.67 | 73.33 | 6.67 | 41.33 |
方法 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | 合计 |
---|---|---|---|---|---|---|
本文方法 | 0 | 6.67 | 0 | 6.67 | 0 | 2.66 |
文献[ | 0 | 0 | 26 | 13.33 | 0 | 8 |
文献[ | 0 | 0 | 0 | 13.33 | 6.67 | 4 |
表8 不同诊断方案诊断结果
Table 8 Diagnostic results of different diagnosis schemes %
方法 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | 合计 |
---|---|---|---|---|---|---|
本文方法 | 0 | 6.67 | 0 | 6.67 | 0 | 2.66 |
文献[ | 0 | 0 | 26 | 13.33 | 0 | 8 |
文献[ | 0 | 0 | 0 | 13.33 | 6.67 | 4 |
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