兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 240635-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0635
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王旋1, 石章松1, 佘博1,*(), 孙世岩1, 秦奋起2
收稿日期:
2024-07-26
上线日期:
2025-05-07
通讯作者:
基金资助:
WANG Xuan1, SHI Zhangsong1, SHE Bo1,*(), SUN Shiyan1, QIN Fenqi2
Received:
2024-07-26
Online:
2025-05-07
摘要:
剩余寿命(Remaining Useful Life,RUL)预测对于维护工业设备的可靠性和安全性至关重要,但现有的RUL预测方法在处理高维传感器数据以及捕捉时间退化模式方面仍然面临诸多挑战。为了解决上述问题,提出一种退化趋势平滑约束下基于双向长短时记忆网络-变分自编码器(Bidirectional Long Short Term-Memory-Variational Auto Encoder,BLSTM-VAE)的RUL预测方法。该方法首先进行数据预处理,包括数据降噪、滑动窗口分段和标签修正等步骤。然后设计基于BLSTM的VAE型特征提取器,以有效提取时间序列数据中的非线性关系和长距离依赖关系。最后提出一种基于流形学习的退化趋势平滑约束模块,通过局部不变性假设来增强模型的稳健性和泛化能力。通过航空发动机数据集数据集进行验证,结果表明所提出的RUL预测方法在数据集上的表现优于现有的多种RUL预测方法,具有更低的预测误差和更高的稳定性。
中图分类号:
王旋, 石章松, 佘博, 孙世岩, 秦奋起. 退化趋势平滑约束下基于BLSTM-VAE的剩余寿命预测方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(5): 240635-.
WANG Xuan, SHI Zhangsong, SHE Bo, SUN Shiyan, QIN Fenqi. Remaining Life Prediction Method Based on BLSTMN-VAE under Degradation Trend Smoothing Constraint[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(5): 240635-.
算法1: | 本文提出模型 |
---|---|
输入: | 训练集X(t),Y(t),t=1,2,…,k;模型参数:batch size,学习率η,training epochs等 |
输出: | 已训练完毕的模型 |
1: | 数据预处理 |
2: | 初始化基于BLSTM的VAE型特征提取器的参数θ |
3: | 初始化基于退化趋势平滑约束的回归模型的参数ϕ |
4: | while not converged do |
5: | for each batch xt⊆X(t) do: |
6: | //通过基于BLSTM的VAE型特征提取器(E)进行前向传递 |
7: | μ,σ,z=E(xt,θ); |
8: | //基于流形学习的平滑性约束模块 |
9: | 通过式(8)计算平滑性约束损失函数Lsmo; |
10: | //量化XRMSE |
11: | 通过式(13)计算XRMSE; |
12: | //总损失函数 |
13: | 通过式(12)计算总损失函数L; |
14: | //反向传递和优化 |
15: | θ,ϕ=UpdateParameters(θ,ϕ,L,η); |
16: | end for |
17: | end while |
算法1: | 本文提出模型 |
---|---|
输入: | 训练集X(t),Y(t),t=1,2,…,k;模型参数:batch size,学习率η,training epochs等 |
输出: | 已训练完毕的模型 |
1: | 数据预处理 |
2: | 初始化基于BLSTM的VAE型特征提取器的参数θ |
3: | 初始化基于退化趋势平滑约束的回归模型的参数ϕ |
4: | while not converged do |
5: | for each batch xt⊆X(t) do: |
6: | //通过基于BLSTM的VAE型特征提取器(E)进行前向传递 |
7: | μ,σ,z=E(xt,θ); |
8: | //基于流形学习的平滑性约束模块 |
9: | 通过式(8)计算平滑性约束损失函数Lsmo; |
10: | //量化XRMSE |
11: | 通过式(13)计算XRMSE; |
12: | //总损失函数 |
13: | 通过式(12)计算总损失函数L; |
14: | //反向传递和优化 |
15: | θ,ϕ=UpdateParameters(θ,ϕ,L,η); |
16: | end for |
17: | end while |
数据集相关条件 | 数据集 | |||
---|---|---|---|---|
FD001 | FD002 | FD003 | FD004 | |
训练发动机数 | 100 | 260 | 100 | 249 |
测试发动机数 | 100 | 259 | 100 | 248 |
运行条件 | 1 | 6 | 1 | 6 |
故障条件 | 1 | 1 | 2 | 2 |
表1 CMAPSS数据集的组成
Table 1 Composition of CMAPSS dataset
数据集相关条件 | 数据集 | |||
---|---|---|---|---|
FD001 | FD002 | FD003 | FD004 | |
训练发动机数 | 100 | 260 | 100 | 249 |
测试发动机数 | 100 | 259 | 100 | 248 |
运行条件 | 1 | 6 | 1 | 6 |
故障条件 | 1 | 1 | 2 | 2 |
传感器 | 符号 | 单调性[ | 预测性[ | 趋势性[ | 总和 |
---|---|---|---|---|---|
3号 | T30 | 0.798 | 0.814 | 0.824 | 2.436 |
4号 | T50 | 0.863 | 0.867 | 0.914 | 2.644 |
7号 | P30 | 0.782 | 0.742 | 0.703 | 2.227 |
9号 | Nc | 0.552 | 0.315 | 0 | 0.867 |
11号 | Ps30 | 0.904 | 0.893 | 0.926 | 2.723 |
12号 | Phi | 0.791 | 0.785 | 0.713 | 2.289 |
15号 | BPR | 0.857 | 0.814 | 0.872 | 2.543 |
表2 候选传感器的参数适用性指标
Table 2 Parameter applicability indicators of candidate sensors
传感器 | 符号 | 单调性[ | 预测性[ | 趋势性[ | 总和 |
---|---|---|---|---|---|
3号 | T30 | 0.798 | 0.814 | 0.824 | 2.436 |
4号 | T50 | 0.863 | 0.867 | 0.914 | 2.644 |
7号 | P30 | 0.782 | 0.742 | 0.703 | 2.227 |
9号 | Nc | 0.552 | 0.315 | 0 | 0.867 |
11号 | Ps30 | 0.904 | 0.893 | 0.926 | 2.723 |
12号 | Phi | 0.791 | 0.785 | 0.713 | 2.289 |
15号 | BPR | 0.857 | 0.814 | 0.872 | 2.543 |
模型 | FD001 | FD002 | FD003 | FD004 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
XRMSE | Score | XRMSE | Score | XRMSE | Score | XRMSE | Score | |
SVR | 20.96 | 1380 | 42.00 | 590000 | 21.05 | 1600 | 45.35 | 371000 |
RVR | 23.80 | 1500 | 31.30 | 17400 | 22.37 | 1430 | 34.34 | 26500 |
CNN | 18.45 | 1299 | 30.29 | 13600 | 19.82 | 1600 | 29.16 | 7890 |
LSTM | 16.14 | 338 | 24.49 | 4450 | 16.18 | 852 | 28.17 | 5550 |
BLSTM | 21.14 | 2410 | 18.81 | 2135 | 23.91 | 2418 | 24.89 | 6521 |
Semi-supervised | 12.56 | 231 | 22.73 | 3366 | 12.10 | 251 | 22.66 | 2840 |
DCNN | 12.61 | 274 | 22.36 | 10412 | 12.64 | 284 | 23.31 | 12466 |
VAE+RNN | 15.81 | 326 | 24.12 | 4183 | 14.88 | 722 | 26.54 | 5634 |
AEQRNN | 11.25 | 182 | 19.10 | 3220 | 12.48 | 276 | 20.67 | 4597 |
BLSTM-VAE | 11.42 | 223.82 | 14.92 | 1379.17 | 12.51 | 256.36 | 16.37 | 1845.99 |
本文模型 | 11.22 | 162.68 | 14.78 | 1221.45 | 12.50 | 254.41 | 15.86 | 1759.88 |
表3 不同模型的XRMSE和Score对比
Table 3 Comparison of XRMSE and Score values for different models
模型 | FD001 | FD002 | FD003 | FD004 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
XRMSE | Score | XRMSE | Score | XRMSE | Score | XRMSE | Score | |
SVR | 20.96 | 1380 | 42.00 | 590000 | 21.05 | 1600 | 45.35 | 371000 |
RVR | 23.80 | 1500 | 31.30 | 17400 | 22.37 | 1430 | 34.34 | 26500 |
CNN | 18.45 | 1299 | 30.29 | 13600 | 19.82 | 1600 | 29.16 | 7890 |
LSTM | 16.14 | 338 | 24.49 | 4450 | 16.18 | 852 | 28.17 | 5550 |
BLSTM | 21.14 | 2410 | 18.81 | 2135 | 23.91 | 2418 | 24.89 | 6521 |
Semi-supervised | 12.56 | 231 | 22.73 | 3366 | 12.10 | 251 | 22.66 | 2840 |
DCNN | 12.61 | 274 | 22.36 | 10412 | 12.64 | 284 | 23.31 | 12466 |
VAE+RNN | 15.81 | 326 | 24.12 | 4183 | 14.88 | 722 | 26.54 | 5634 |
AEQRNN | 11.25 | 182 | 19.10 | 3220 | 12.48 | 276 | 20.67 | 4597 |
BLSTM-VAE | 11.42 | 223.82 | 14.92 | 1379.17 | 12.51 | 256.36 | 16.37 | 1845.99 |
本文模型 | 11.22 | 162.68 | 14.78 | 1221.45 | 12.50 | 254.41 | 15.86 | 1759.88 |
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doi: 10.12382/bgxb.2022.0581 |
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许晓东, 唐圣金, 谢建, 等. 随机退化应力作用下设备剩余寿命预测方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(3): 712-719.
doi: 10.12382/bgxb.2021.0018 |
doi: 10.12382/bgxb.2021.0018 |
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