CN110263846B - 基于故障数据深度挖掘及学习的故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发电机组设备故障诊断技术领域,尤其涉及一种基于故障数据深度挖掘及学习的故障诊断方法,包括:对发电机组历史数据进行采集、预处理后采用深度长短时记忆网络算法进行学习和训练,得到故障数据筛选模型后遍历海量历史数据库,筛选形成故障数据样本集;对故障数据样本集采用Medoids周围分类法估计故障类型数目,采用K‑Means聚类算法进行聚类分析,形成多类典型故障样本集;对多类典型故障样本集采用LSTM神经网络算法进行训练和学习,建立故障诊断模型;基于故障诊断模型对***实时运行数据进行监测,对***运行状态进行判别并记录新产生的故障样本,利用更新后的多类典型故障样本集对故障诊断模型进行更新。
Description
技术领域
本发明属于发电机组设备故障诊断技术领域,尤其涉及一种基于故障数据深度挖掘及学习的故障诊断方法。
背景技术
设备故障诊断技术对于工业设备日常安全至关重要,它不仅关系到日常生产安排和设备检修,还能发现设备隐性故障并及时排除,避免重要设备突发性故障影响生产过程的整体安全及稳定。故障诊断的前提是对设备状态量的监测与分析,以发电厂为例,发电厂中监控***应用十分广泛,且配备了可以存储电厂海量运行数据的历史数据库。电厂运行数据内容丰富,几个月的数据往往就能涵盖设备运行的所有工况,但电厂的数据存储量庞大且分析困难,近些年来兴起的数据挖掘方法结合深度学习技术能有效地解决这一问题。
故障诊断识别方法本质就是数据挖掘的和深度学习中的分类和回归问题,以往的故障诊断方法常用傅里叶变换、小波变换、统计分析、频谱分析等方法,这些处理方法往往依赖信号处理技术和诊断经验,人工提取故障特征繁琐复杂,增加了诊断的复杂性。
发明内容
针对上述问题,本发明提出了一种基于历史数据挖掘及深度学习的故障诊断方法,包括:
步骤1:对发电机组历史数据进行采集、预处理后采用深度长短时记忆网络算法进行学习和训练,得到故障数据筛选模型后遍历海量历史数据库,筛选形成故障数据样本集;
步骤2:对故障数据样本集采用Medoids周围分类法估计故障类型数目,采用K-Means聚类算法进行聚类分析,形成多类典型故障样本集;
步骤3:对多类典型故障样本集采用LSTM神经网络算法进行训练和学习,建立故障诊断模型;
步骤4:基于故障诊断模型对***实时运行数据进行监测,对***运行状态进行判别并记录新产生的故障样本,利用更新后的多类典型故障样本集对故障诊断模型进行更新。
所述预处理包括:对历史数据进行里离散点检测、缺失值补全和归一化处理,将特征缩放到特定区间,保留了原有的分布,使得神经网络快速收敛。
所述深度长短时记忆网络算法包括:遗忘门、输入门、记忆门和输出门;
所述步骤1中的训练采用RMSProp优化算法,结合梯度平方的指数移动平均数调节学习率的变化。
所述筛选形成故障数据样本集包括:用故障数据筛选模型进行前向计算,将故障数据筛选模型的预测值与历史实际值进行比较,根据皮尔逊相关系数进行数据异常判别,挖掘***故障数据并形成故障数据样本集。
所述步骤3包括:在LSTM神经网络的输出层之后添加一个适用于多分类的激活函数,得到最终各个分类的概率值并且概率值总和为1。
所述激活函数采用Softmax激活函数。
本发明的有益效果:
(1)使用了深度神经网络来建立故障数据筛选模型,故障判断准确快速,可迁移性强,适合应用于很多工业现场场景的故障诊断
(2)***实时运行,记录新故障,不断采集可能发生的新故障和混合故障,形成新的故障样本库更新故障判断网络,模型做到了自更新,提升故障诊断模型的鲁棒性和可靠性。
(3)本方法不需要具有很丰富的先验知识,也不需要专业性极强的信号前处理过程,可以从数据中直接挖掘故障特征,进而进行故障分类和定量识别。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为LSTM基本结构图。
图3为故障判断效果图。
图4为故障聚类效果图。
具体实施方式
如图1所示,本发明所述的一种基于深度学习、历史数据挖掘的故障诊断技术,实现了对***实时运行故障的监测和诊断,保证***安全可靠运行,包括以下步骤:
第一步,历史故障数据深度挖掘。
(1)历史数据采集。根据***的输入/输出变量,从机组海量历史数据库中,采集***正常运行时间段内的有效历史数据,并对历史数据进行里离散点检测、缺失值补全和归一化等预处理,将特征缩放到特定区间,保留了原有的分布,使得神经网络快速收敛。归一化的公式为:
(2)故障数据筛选模型训练和学习。将归一化后的数据进行深度学习的训练,考虑到历史数据包含时间信息且前后数据具有较强的相关性,采用了包含有时间信息、能对***参数良好预测的深度长短时记忆网络(Long Short Term Memory Network,LSTM)算法对预处理后的历史数据进行学习和训练,循环神经网络包含有时间信息,能对故障进行更好的分类。LSTM的基本结构如图2所示,基本的结构包括遗忘门(Forget Gate)、输入门(InputGate)、记忆门(Cell Gate)和输出门(Output Gate)。
遗忘门选择忘记过去的某些信息:
ft=σ(Wf·[ht-1,xt]+bf) (2)
输入门记忆现在的某些信息:
记忆门将过去与现在的记忆合并:
输出门输出神经网络的计算值:
其中,输入向量xt对应输入的测点,it,ft,Ct,ot分别表示t时刻输入门、遗忘门、记忆门和输出门的向量值,Wi,Wf,WC,Wo分别表示t时刻输入门、遗忘门、记忆门和输出门的权重矩阵,bi,bf,bC,bo分别表示t时刻输入门、遗忘门、记忆门和输出门的偏置值。tanh(·)为双曲正切函数。σ(·)为sigmoid函数。
训练过程中为了使模型收敛且快速达到极值,采用有监督学习的算法,得到正常运行工况下的深度神经网络故障数据筛选模型。
损失函数采用交叉熵代价函数:
其中,x表示样本,n表示样本总数,y表示真实值,a表示判断值。
训练神经网络采用RMSProp优化算法,结合梯度平方的指数移动平均数调节学习率的变化,神经网络在目标函数下能够很好地收敛。
(3)故障数据筛选。遍历海量的历史工况数据,用故障数据筛选模型进行前向计算,将故障数据筛选模型的预测值与历史实际值进行比较,根据皮尔逊相关系数进行数据异常判别,挖掘***故障数据并形成故障数据样本集。对于两个样本数据,皮尔逊相关系数的计算公式为:
其中,r为皮尔逊相关系数值,值在[0,1]区间之间,Xi,Yi为两个不同的样本数据。
第二步:故障样本数据分类
在筛选出故障数据后,需要对故障数据进行聚类分析。聚类算法是一种无监督的方法,使用数据挖掘中聚类分析方法检测,根据不同样本之间的距离大小进行计算,从而形成新的故障样本。
(1)针对形成的故障数据样本集,采用Medoids周围分类法方法估计最优的聚类数目,即***故障类型数目。
(2)采用K-Means聚类算法对故障样本集进行聚类分析,将故障模式分为固定类别并标记标签,形成多类典型故障样本集。
K-Means算法首先通过估计算法和交叉验证确定分类数目k和根据启发式算法确定质心。然后根据公式8计算N个样本和k个初始中心点的距离,按照距离大小将N个样本分给最近的中心点,形成k个聚类。
之后求解聚类中心点:计算每类中所有对象的平均值,并以此作为k个聚类新的聚类中心。直到达到收敛时结束,用公式9判断是否收敛。
其中mi为Ci类的聚类中心,Zq为Ci类中的样本,聚类的效果如图3所示。
第三步:神经网络故障诊断模型训练
以多类典型故障样本集为基础,采用LSTM神经网络算法进行训练和学习,建立LSTM神经网络故障诊断模型,故障的分类为多分类的任务,在LSTM神经网络的输出层之后添加一个适用于多分类的激活函数,得到最终各个分类的概率值并且概率值总和为1。
在神经网络的输出层的多分类的激活函数采用Softmax激活函数,得到最终各个分类(正常及各种故障)的概率值。
其中,zi为每个元素的值,S(·)为各个元素的概率值,各元素的概率值和为1。
在利用磨煤机***为例的故障诊断分类中,训练效果如图4所示,可见诊断正确率可达到98.5%以上。
第四步:***故障在线识别及故障数据库在线更新
(1)基于LSTM神经网络故障诊断模型对实时数据进行监测,将***实时运行数据接入故障诊断模型进行神经网络正向计算,对***运行状态进行实时识别;
(2)对于判断不够准确的故障样本,可能是发生了混合故障或新的故障,将判断不够准确的故障样本数据进行记录保存;在第三步中,计算出的最终Softmax函数值在区间[0.3,0.7]之间的数据,说明故障诊断模型判断不精准,很有可能发生了混合故障或者出现了新的故障,将这部分的数据保存下来,进行下一步的分析。
***运行一段时间后,当混合故障或新故障样本数据达到一定要求后,再次对故障数据进行聚类分析处理,形成新的多类典型故障样本集,利用新多类典型故障样本集去实施更新LSTM神经网络故障诊断模型,使得故障诊断模型能够学习到新的样本数据,提高故障诊断方法的准确性和实时更新性能。模型在初步投入使用时需要进行海量数据的训练模型达到一个初步的故障诊断分类效果,随着***的一直运行,本方法会一直实时自动更新,学习得到新的故障样本特征,使模型学习得到新的故障样本特征和分类,达到故障诊断方法的全自动运行与更新。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于历史数据挖掘及深度学习的故障诊断方法,其特征在于,包括:
步骤1:对发电机组历史数据进行采集、预处理后采用深度长短时记忆网络算法进行学习和训练,得到故障数据筛选模型后遍历海量历史数据库,筛选形成故障数据样本集;
步骤2:对故障数据样本集采用Medoids周围分类法估计故障类型数目,采用K-Means聚类算法进行聚类分析,形成多类典型故障样本集;
步骤3:对多类典型故障样本集采用LSTM神经网络算法进行训练和学习,建立故障诊断模型;
步骤4:基于故障诊断模型对***实时运行数据进行监测,对***运行状态进行判别并记录新产生的故障样本,利用更新后的多类典型故障样本集对故障诊断模型进行更新;
所述预处理包括:对历史数据进行里离散点检测、缺失值补全和归一化处理,将特征缩放到特定区间,保留了原有的分布,使得神经网络快速收敛;
所述深度长短时记忆网络算法包括:遗忘门、输入门、记忆门和输出门;
所述步骤1中的训练采用RMSProp优化算法,结合梯度平方的指数移动平均数调节学习率的变化;
所述筛选形成故障数据样本集包括:用故障数据筛选模型进行前向计算,将故障数据筛选模型的预测值与历史实际值进行比较,根据皮尔逊相关系数进行数据异常判别,挖掘***故障数据并形成故障数据样本集;
所述步骤3包括:在LSTM神经网络的输出层之后添加一个适用于多分类的激活函数,得到最终各个分类的概率值并且概率值总和为1;
所述激活函数采用Softmax激活函数。
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