
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-.
GAO Zhenhua, QIN Fenqi, WANG Linlin, YU Cungui. An Improved CNN-LSTM-based Fault Diagnosis Method for Breechblock Opening-closing Mechanism[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(9): 240818-.
| 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 |
| [1] |
付帅. 某火炮开闩动力学特性分析及可靠性研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2014.
|
|
|
|
| [2] |
付彩越, 王长庚. 基于故障树的某舰炮提前关闩故障分析[J]. 兵工自动化, 2018, 37(8):67-72.
|
|
|
|
| [3] |
付昆. 某火炮炮闩系统故障预测研究及关键件寿命分析[D]. 南京: 南京理工大学, 2012.
|
|
|
|
| [4] |
胡慧斌, 侯小锋, 曹立军, 等. 击发装置关重件磨损特性分析及失效寿命预测[J]. 火炮发射与控制学报, 2014, 35(4):62-66.
|
|
|
|
| [5] |
|
| [6] |
李英顺, 于昂, 李茂, 等. 基于KLDA-IDBO-BP的装甲车发动机故障诊断[J]. 兵工学报, 2025, 46(3):240083.
doi: 10.12382/bgxb.2024.0083 |
|
|
|
| [7] |
姜斌, 程月华, 孙颢, 等. 一种利用LSTM-FCN的导弹舵回路故障诊断算法[J]. 宇航学报, 2023, 44(5):687-698.
|
|
|
|
| [8] |
|
| [9] |
|
| [10] |
张学飞. 某大口径火炮装填装置液压系统故障诊断研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2021.
|
|
|
|
| [11] |
杨宁. 某大口径火炮药协调装置故障诊断研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2021.
|
|
|
|
| [12] |
邵夕安. 火炮供输弹系统健康监测技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2019.
|
|
|
|
| [13] |
黄文宽, 钱林方, 尹强, 等. 基于迁移学习的供药装置故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(10):2964-2974.
doi: 10.12382/bgxb.2022.0767 |
|
doi: 10.12382/bgxb.2022.0767 |
|
| [14] |
|
| [15] |
崔江, 周凡, 陈永凡, 等. 一种基于GAMF-CNN的航空发电机整流器故障诊断技术[J]. 航空学报, 2024, 45(24):237-248.
|
|
|
|
| [16] |
胡小利, 孙苗苗, 徐宁骏. 舰炮武器装备智能化维修保障研究[J]. 兵器装备工程学报, 2023, 44(7):135-141.
|
|
|
|
| [17] |
代普, 李永锋, 韩建刚, 等. 基于CAN总线和大容量数据存储的舰炮远程监控系统设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(增刊1):88-96.
|
|
doi: 10.12382/bgxb.2022.A006 |
|
| [18] |
|
| [19] |
唐伯宇, 邵星, 王翠香, 等. 基于双通道CNN与SSA-SVM的滚动轴承故障诊断[J]. 控制理论与应用, 2024, 41(9):1626-1635.
|
|
|
|
| [20] |
赵妍, 唐文石, 聂永辉, 等. 基于格拉姆角差场和卷积神经网络的宽频振荡分类方法[J]. 电网技术, 2022, 46(11):4364-4372.
|
|
|
|
| [21] |
姚洋, 陈涛, 贾然, 等. 基于改进CNN-LSTM的综合传动装置异常检测方法[J]. 机电工程, 2024, 41(11):1986-1994.
|
|
|
|
| [22] |
|
| [23] |
|
| [24] |
|
| [25] |
|
| [1] | 李英顺, 于昂, 李茂, 贺喆, 刘师铭. 基于KLDA-IDBO-BP的装甲车发动机故障诊断[J]. 兵工学报, 2025, 46(3): 240083-. |
| [2] | 郭一鸣, 童一飞, 何非, 谢中取, 宋世达, 黄静. 基于多通道数据双层增强的样本不平衡故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240012-. |
| [3] | 崔素晓, 武哲, 崔彦平, 张强, 赵月静. 基于频率切片小波变换和注意力增强ConvNeXt模型的行星齿轮箱故障诊断[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240329-. |
| [4] | 王伽豪, 那文波, 刘志威, 昝琪, 王铮. 双闭环比值控制系统传感器故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1252-1263. |
| [5] | 王斌, 徐亚栋, 王亮宽. 火炮供输弹系统故障诊断方法研究进展与趋势[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 3765-3780. |
| [6] | 吕卫民, 孙晨峰, 任立坤, 赵杰, 李永强. 一种基于TCN-LGBM的航空发动机气路故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 253-263. |
| [7] | 魏剑峰, 张发平, 卢继平, 杨向飞, 杨鹏楷. 基于高斯模型和RMSD-DS的火炮反后坐装置故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 3101-3114. |
| [8] | 黄文宽, 钱林方, 尹强, 刘太素. 基于迁移学习的供药装置故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 2964-2974. |
| [9] | 李良钰, 苏铁熊, 马富康, 吴小军, 徐春龙. 基于集合经验模态分解-支持向量机的高压共轨系统故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 992-1001. |
| [10] | 李泽东, 李志农, 陶俊勇, 毛清华, 张旭辉. 基于特征融合的注意力增强卷积神经网络的航空发动机滚动轴承故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(12): 3228-3239. |
| [11] | 李炜, 韩寅龙, 孙晓静. 基于特征优选与深度学习的车载电源微小故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(11): 2935-2944. |
| [12] | 李志农, 胡志峰, 毛清华, 张旭辉, 陶俊勇. 非线性调频模态分解-同步提取变换方法及其在滚动轴承故障诊断中的应用[J]. 兵工学报, 2021, 42(6): 1324-1330. |
| [13] | 朱敏, 许爱强, 许晴, 李睿峰. 基于改进多层核超限学习机的模拟电路故障诊断[J]. 兵工学报, 2021, 42(2): 356-369. |
| [14] | 李佳蔚, 崔涛, 刘宇航, 师帅楠, 孙强. 基于排气温度动态模型的在线观测器研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(8): 1562-1571. |
| [15] | 郭伟超, 赵怀山, 李成, 李言, 汤奥斐. 基于小波包能量谱与主成分分析的轴承故障特征增强诊断方法[J]. 兵工学报, 2019, 40(11): 2370-2377. |
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