基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的電子設(shè)備故障診斷

吳蘇+吳文全+王薇

摘要：針對電子裝備故障診斷中單一類型故障特征量和診斷方法無法完成診斷任務(wù)，導(dǎo)致故障診斷率不高的問題，將多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用于多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)裝備故障診斷。構(gòu)建故障診斷模型，提出把故障診斷過程分為兩個層次。首先，借助不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多輸入信號的函數(shù)變換的功能，獲得各種故障基本概率分配值；然后，在決策層利用D-S證據(jù)理論的合成法則將各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果融合起來統(tǒng)一判決，得到最終綜合診斷結(jié)果，通過實(shí)例仿真，并與初步診斷結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明早期故障識別率大大提高。

關(guān)鍵詞：故障診斷；數(shù)據(jù)融合；發(fā)射機(jī)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；DS證據(jù)理論

中圖分類號：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

現(xiàn)代電子裝備結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，自動化程度越來越高，一個故障部位常常引起多種故障現(xiàn)象，或者一個故障現(xiàn)象可能由不同的故障部位引起的，使得僅靠單一類型故障特征量和診斷方法往往無法完成診斷任務(wù)，從而導(dǎo)致故障診斷率不高的結(jié)果，必須運(yùn)用多傳感器協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)故障檢測和定位，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)特別適合解決電路中前后元件互相影響以至不能測準(zhǔn)元件的故障以及由于容差、非線性及元件參數(shù)相互影響而出現(xiàn)的診斷不確定性[1，2]。

目前，數(shù)據(jù)融合技術(shù)在發(fā)動機(jī)故障診斷、電力系統(tǒng)故障診斷、智能交通、機(jī)電設(shè)備故障診斷等領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用[3-8]，本文在以上研究成果的基礎(chǔ)上，嘗試將數(shù)據(jù)融合技術(shù)引入多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)裝備故障診斷。

2故障診斷模型

由于故障與征兆之間關(guān)系很難用數(shù)學(xué)模型來表示，本文依據(jù)多源數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)處理方式，結(jié)合電子裝備故障診斷的特點(diǎn)，建立了基于特征信息融合的電子裝備故障診斷決策模型，如圖1所示。

2.1特征層的數(shù)據(jù)融合

經(jīng)過對采集的特征信號進(jìn)行預(yù)處理后，得到p種故障特征，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射特性，經(jīng)過對大量樣本的學(xué)習(xí)，獲得每次測量結(jié)果對不同故障的基本概率分配值。經(jīng)BP網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算后，得到相應(yīng)結(jié)果，由公式（1）算出BP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出與理想輸出之間的誤差為

Ep=12∑Nj=1（tpj-ynj）2（1）

其中，Ep是第p個表征矢量的誤差；tpj是第j個輸出神經(jīng)元的期望值；ynj是第j個輸出神經(jīng)元的實(shí)際值。將以上面公式算出的網(wǎng)絡(luò)誤差做為不確定因素。

然后，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式為：

m（Ai）=y（Ai）S（2）

式中：Ai表示故障模式，i=1，2，3，…，n；y（Ai）表示BP網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)果；

S=∑ni=1y（Ai）+Ep

計(jì)算結(jié)果m（Ai）即為每個樣本中第i種故障模式的基本概率值。

2.2決策層的數(shù)據(jù)融合

決策層融合輸出是一個聯(lián)合決策結(jié)果，主要方法有貝葉斯推斷、模糊集理論、DS證據(jù)理論、專家系統(tǒng)等。Bayes方法曾是解決多傳感器數(shù)據(jù)融合的最佳方法，文獻(xiàn)[2]提出一種基于多Bayes方法的融合模型，但在應(yīng)用的過程中Bayes決策理論不能將不知道和不確定嚴(yán)格分開，并且要求精確知道先驗(yàn)概率，而在電子裝備的故障診斷的過程中，由于各種環(huán)境因素的影響，以及傳感器本身精度的限制，所得到的測量數(shù)據(jù)有很大的不確定性，因而不適宜采用Bayes方法。文獻(xiàn)[3]采用模糊故障診斷方法，通過隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣的概念來解決故障與征兆的不確定關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障的檢測和診斷，但在應(yīng)用過程中，構(gòu)造隸屬函數(shù)是實(shí)現(xiàn)模糊故障診斷的前提，是人為構(gòu)造的，具有主觀因素。DS證據(jù)理論憑借其能夠表示不確定性未知等概念的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)據(jù)融合中得到廣泛應(yīng)用，特別是成功應(yīng)用于圖像處理、機(jī)器人導(dǎo)航、醫(yī)療診斷決策分析等需要處理不確定信息的領(lǐng)域[4]。

計(jì)算技術(shù)與自動化2015年12月

第34卷第4期吳蘇等：基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的電子設(shè)備故障診斷

2.3融合診斷的主要流程

依據(jù)融合故障診斷決策模型，本文分別提取多注速調(diào)管的陰極電流信號和溫度信號2種不同類別的信息做為故障特征，并分別輸入不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN1和NN2進(jìn)行初步診斷。由于將多維的測試信息同時輸入到同一網(wǎng)絡(luò)處理，將使得訓(xùn)練時間長，診斷效果差，有時甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不收斂。因此，不同的測試信息應(yīng)由各自的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來診斷。然而用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行局部診斷后，從每一個或幾個診斷參數(shù)都可以得到各自的診斷結(jié)果，但這些結(jié)果不盡相同，難以確定準(zhǔn)確結(jié)果。

針對這一不足，可利用DS證據(jù)理論提供的一種有效證據(jù)組合的方法，對同一狀態(tài)的不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)論分別看作是對同一現(xiàn)象的不同證據(jù)體，那么就可以利用DS證據(jù)理論的證據(jù)組合規(guī)則將不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)論融合，完成決策級的融合診斷工作，得到最終的綜合診斷結(jié)果。

3診斷實(shí)例

發(fā)射機(jī)是雷達(dá)中的重要組成部件，也是雷達(dá)故障率最高的模塊，其中多注速調(diào)管是發(fā)射機(jī)的核心部件，多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)的組成如圖2所示。由于電子元器件老化和發(fā)射機(jī)使用時間的增加等因素，多注速調(diào)管的陰極電流會逐漸改變，造成信號各頻帶能量所占比重的變化，反映了發(fā)射機(jī)健康狀態(tài)的發(fā)展趨勢，本文通過對多注速調(diào)管陰極電流早期故障檢測估計(jì)發(fā)射機(jī)的故障狀況[9，10]。3.1故障模式及特征樣本的確定

由雷達(dá)發(fā)射機(jī)的工作原理可知，速調(diào)管陰極電流主要是由線性調(diào)制器產(chǎn)生的脈沖信號通過脈沖變壓器耦合到速調(diào)管陰極，作用于速調(diào)管的加速電場后產(chǎn)生的電流。

脈沖變壓器簡化示意圖如圖3所示，R2為多注速調(diào)管的等效電阻，本質(zhì)上是非線性電阻，其阻值的變化反映了速調(diào)管的故障狀態(tài)[11]。

在實(shí)驗(yàn)中選擇該電阻的變化模擬速調(diào)管的故障漸進(jìn)狀態(tài)。設(shè)置該電阻正常容差為±5%，當(dāng)阻值超過標(biāo)稱值±50%時，設(shè)備失效，其中，設(shè)置阻值變化超過標(biāo)稱值20%為故障狀態(tài)一，超過30%為故障狀態(tài)二，超過40%為故障狀態(tài)三，超過50%為完全故障狀態(tài)，這樣就共有正常、狀態(tài)一、狀態(tài)二、狀態(tài)三、完全故障五種狀態(tài)。用Matlab對每種狀態(tài)做仿真，結(jié)果如圖4所示，可以看出隨著電阻值偏移度增加，脈沖起伏程度略有增大，但增大并不明顯。endprint

本文通過小波變換，將時域范圍難以區(qū)分的信號分解到頻域。首先通過小波變換獲取特征信息，對采集到的陰極電流信號選取“db1”小波包對其進(jìn)行3層正交分解，并分別提取第3層低頻到高頻共8個頻段的信號特征。

設(shè)置線性調(diào)制器的脈沖信號參數(shù)為脈沖重復(fù)頻率500Hz，脈沖寬度4μs的電壓脈沖串，通過高變比為10.0的脈沖變壓器，要求脈沖變壓器耦合脈沖滿足脈沖上升時間小于等于0.3μs，脈沖頂降小于等于1.5%，脈沖過沖小于等于25%。采集每種狀態(tài)下多注速調(diào)管的陰極電流1s，分100幀（每5個周期采集到的點(diǎn)組成1幀），對每幀進(jìn)行小波能量分析，獲得100個特征向量。周期采集到的點(diǎn)組成1幀），對每幀進(jìn)行小波能量分析，獲得100個特征向量。

將每種故障狀態(tài)獲得100個8維特征向量取50個作為訓(xùn)練訓(xùn)練序列樣本，剩余50個特征向量組成50組測試觀測序列。

另外再建立一個新項(xiàng)目，在故障元件兩端加一直流電流源，其值為先前測各頻段下的陰極電流信號，然后，對其分別做Smoke電應(yīng)力分析，即可得到此刻的溫度值，這樣便得到2種不同類別的故障信息。

3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷

本文分別提取五種狀態(tài)下電流和溫度作為故障特征，將兩種故障特征信號歸一理后分別輸入不同的NN1和NN2進(jìn)行訓(xùn)練。設(shè)計(jì)采用單隱層的BP網(wǎng)絡(luò)，用兩個網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均為8×17×5，初步診斷結(jié)果如表1所示。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練階段，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出實(shí)質(zhì)上就是對輸入數(shù)據(jù)空間的分類結(jié)果。如果輸出值取0或1的離散值，則輸出結(jié)果可作為該組數(shù)據(jù)屬于某一分類的判決。若如輸出取連續(xù)值，則輸出結(jié)果可以作為該組數(shù)據(jù)屬于某一分類的概率。由公式（2）歸一化處理各種故障模式的基本概率值，并把網(wǎng)絡(luò)誤差也作同樣的處理，作為DS證據(jù)理論中不確定度，這樣可以用DS證據(jù)理論做全局決策診斷。

3.3DS證據(jù)理論融合決策

現(xiàn)用BP網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)果來建立DS證據(jù)理論模型。設(shè)信任函數(shù)Bel1對應(yīng)于節(jié)點(diǎn)電流的診斷結(jié)果，信任函數(shù)Bel2對應(yīng)溫度的診斷結(jié)果，這兩個信任函數(shù)的焦點(diǎn)元素都是A1、A2、A3、A4、A5。它們構(gòu)成了信任函數(shù)Bel1、Bel2的共同分辨框Θ。由于A1、A2、A3、A4、A5相互獨(dú)立，即Ai∩Aj=Φ（Φ為空集，i≠j），利用DS證據(jù)理論組合規(guī)則（式3）及決策方法（式4）進(jìn)行融合，得出計(jì)算結(jié)果如表2所示。

分析結(jié)果可知，得到表2中的最后診斷結(jié)果非常理想，系統(tǒng)的精度得到很大的提高，從總體上看，表1中，單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出表征樣本類型的量的精度為0.01，而表2中融合結(jié)果表征樣本類型的量的精度為0.001，從而增大了診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性；經(jīng)過決策方法診斷所得故障模式的結(jié)果，與實(shí)際電路狀態(tài)是符合的，表明了綜合診斷的正確性。4結(jié)論

基于此，本文采用兩層數(shù)據(jù)融合模型，在特征層采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)多輸入信號的某種函數(shù)變換的功能，輸出對應(yīng)的基本概率分配，在決策層利用D-S證據(jù)理論的合成法則將各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果融合起來統(tǒng)一判決，是證據(jù)理論可信度不再依靠專家進(jìn)行主觀化賦值，實(shí)現(xiàn)賦值客觀化。這兩種模型優(yōu)勢互補(bǔ)，本文將其結(jié)合，處理電子裝備故障的高混疊樣本，實(shí)驗(yàn)表明，效果優(yōu)于單一的算法。

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第35卷第1期2016年3月計(jì)算技術(shù)與自動化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016第35卷第1期2016年3月計(jì)算技術(shù)與自動化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016endprint