兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (9): 240818-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0818
收稿日期:
2024-09-09
上线日期:
2025-09-24
通讯作者:
GAO Zhenhua1, QIN Fenqi2, WANG Linlin2, YU Cungui*()
Received:
2024-09-09
Online:
2025-09-24
摘要:
针对某舰炮开关闩机构关重件磨损和弹簧弹性减弱两类典型故障模式,传统故障诊断方法主要依赖于人工检查、专家经验推理和理论仿真等方法,不仅时间周期较长,而且诊断精度难以保证。针对此问题,采用深度学习的方法,提出一种基于麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)的格拉姆角场结合卷积神经网络和长短期记忆神经网络(Graham Angle Field-Convolutional Neural Network-Long Short-Term Memory,GAF-CNN-LSTM)的开关闩故障诊断方法。通过试验台架采集开关闩机构故障原始信号并进行预处理,通过时频分析法和格拉姆角场法建立一维时序数据和二维图像故障数据集;将故障数据集分别输入到使用卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)通道中,利用CNN强大的空间特征提取能力和LSTM挖掘数据时序特征能力进行特征提取,并将二者得到的特征信息进行融合,在全连接层和激活函数的作用下输出诊断结果;通过SSA对GAF-CNN-LSTM网络结构中的超参数进行优化,提高模型的诊断精度和适用性。经测试数据验证:提出的SSA-GAF-CNN-LSTM故障诊断模型不仅可以更精准地诊断开关闩机构故障类型,而且具有更强的泛化能力及抗干扰能力,有效地提高了开关闩机构故障诊断的性能。
高振华, 秦奋起, 王琳琳, 于存贵. 基于改进CNN-LSTM的开关闩故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 240818-.
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IMF 分量 | IMF1 | IMF2 | IMF3 | IMF4 | IMF5 | IMF6 |
---|---|---|---|---|---|---|
相关 系数 | 0.95919 | 0.27252 | 0.178269 | 0.104951 | 0.059511 | 0.047242 |
表1 关闩簧弹性减弱IMF分量相关系数
Table 1 The elasticity of the latch spring weakens the correlation coefficient of the IMF component
IMF 分量 | IMF1 | IMF2 | IMF3 | IMF4 | IMF5 | IMF6 |
---|---|---|---|---|---|---|
相关 系数 | 0.95919 | 0.27252 | 0.178269 | 0.104951 | 0.059511 | 0.047242 |
故障类型 | GASF图像 |
---|---|
正常状态 | |
开闩弹簧弹性减弱 | |
曲臂磨损 | |
表2 不同故障工况GASF图像
Table 2 GASF images for different fault cases
故障类型 | GASF图像 |
---|---|
正常状态 | |
开闩弹簧弹性减弱 | |
曲臂磨损 | |
故障模式 | 故障标签 |
---|---|
抽筒子、闩体挂臂磨损 | 1 |
滚轮磨损 | 2 |
关闩簧弹性减弱 | 3 |
开闩模板磨损 | 4 |
开闩弹簧弹性减弱 | 5 |
曲臂磨损 | 6 |
起落弹簧弹性减弱 | 7 |
表3 开关闩机构典型故障模式标签
Table 3 Typical failure mode labels for breechblock opening-closing mechanism
故障模式 | 故障标签 |
---|---|
抽筒子、闩体挂臂磨损 | 1 |
滚轮磨损 | 2 |
关闩簧弹性减弱 | 3 |
开闩模板磨损 | 4 |
开闩弹簧弹性减弱 | 5 |
曲臂磨损 | 6 |
起落弹簧弹性减弱 | 7 |
故障特征类别 | 网络层 | 节点大小 | 步长 | 卷积核数量 |
---|---|---|---|---|
一维 | 卷积层1 | 2×1 | 1×1 | 32 |
池化层1 | 2×1 | 2×1 | ||
卷积层2 | 2×1 | 1×1 | 16 | |
LSTM层 | 60 | |||
全连接层1 | 10×1 | 1 | ||
全连接层2 | 7×1 | 1 | ||
二维 | 卷积层1 | 2×2×3 | 1×1 | 32 |
池化层1 | 2×2 | 2×2 | ||
卷积层2 | 2×2×3 | 1×1 | 16 |
表4 模型主要参数
Table 4 The main parameters of the model
故障特征类别 | 网络层 | 节点大小 | 步长 | 卷积核数量 |
---|---|---|---|---|
一维 | 卷积层1 | 2×1 | 1×1 | 32 |
池化层1 | 2×1 | 2×1 | ||
卷积层2 | 2×1 | 1×1 | 16 | |
LSTM层 | 60 | |||
全连接层1 | 10×1 | 1 | ||
全连接层2 | 7×1 | 1 | ||
二维 | 卷积层1 | 2×2×3 | 1×1 | 32 |
池化层1 | 2×2 | 2×2 | ||
卷积层2 | 2×2×3 | 1×1 | 16 |
算法 | 学习率 | 卷积层1 大小 | 卷积核1 数量 | 卷积层2 大小 | 卷积核2 数量 | LSTM神经 元个数 |
---|---|---|---|---|---|---|
GWO 算法 | 0.00717 | 2 | 23 | 2 | 10 | 6 |
SSA | 0.001 | 5 | 21 | 2 | 19 | 51 |
WOA | 0.00854 | 4 | 11 | 5 | 26 | 95 |
表5 优化后超参数取值
Table 5 The values of the optimized hyperparameters
算法 | 学习率 | 卷积层1 大小 | 卷积核1 数量 | 卷积层2 大小 | 卷积核2 数量 | LSTM神经 元个数 |
---|---|---|---|---|---|---|
GWO 算法 | 0.00717 | 2 | 23 | 2 | 10 | 6 |
SSA | 0.001 | 5 | 21 | 2 | 19 | 51 |
WOA | 0.00854 | 4 | 11 | 5 | 26 | 95 |
诊断模型 | 最高准确率 | 最低准确率 | 10次平均准确率 |
---|---|---|---|
CNN | 88.09 | 80.09 | 85.71 |
LSTM | 90.47 | 80.09 | 86.42 |
CNN-LSTM | 95.23 | 85.71 | 90.23 |
GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 88.09 | 96.19 |
GWO-GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 95.23 | 98.09 |
WOA-GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 97.61 | 99.04 |
SSA-GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 97.61 | 99.28 |
表6 诊断结果对比
Table 6 Comparison of diagnostic results %
诊断模型 | 最高准确率 | 最低准确率 | 10次平均准确率 |
---|---|---|---|
CNN | 88.09 | 80.09 | 85.71 |
LSTM | 90.47 | 80.09 | 86.42 |
CNN-LSTM | 95.23 | 85.71 | 90.23 |
GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 88.09 | 96.19 |
GWO-GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 95.23 | 98.09 |
WOA-GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 97.61 | 99.04 |
SSA-GAF-CNN-LSTM | 100.00 | 97.61 | 99.28 |
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