自適應(yīng)灰關(guān)聯(lián)算法的動(dòng)力裝置故障診斷

李靖超，　王　生，　馮云鶴，　曹曼琳，　應(yīng)雨龍

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院, 上海 201306;2. 上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司 工程技術(shù)部, 上海 200240)

自適應(yīng)灰關(guān)聯(lián)算法的動(dòng)力裝置故障診斷

李靖超1，王生1，馮云鶴1，曹曼琳1，應(yīng)雨龍2

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院, 上海 201306;2. 上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司 工程技術(shù)部, 上海 200240)

摘要?jiǎng)恿ρb置在長(zhǎng)期運(yùn)行后，其部件性能會(huì)逐漸衰退，容易導(dǎo)致各種故障發(fā)生。因此，對(duì)裝置進(jìn)行一定的氣路數(shù)據(jù)測(cè)量，進(jìn)而對(duì)裝置進(jìn)行診斷、預(yù)測(cè)具有重要意義。提出一種自適應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)算法的動(dòng)力裝置故障診斷算法，通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力裝置故障模式的診斷。

關(guān)鍵詞灰關(guān)聯(lián)算法; 動(dòng)力裝置; 故障診斷; 故障識(shí)別

動(dòng)力裝置長(zhǎng)期在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，其部件性能會(huì)逐漸衰退，容易導(dǎo)致各種故障發(fā)生，從而帶來(lái)嚴(yán)重的人力或物力的損失。因此，對(duì)于用戶而言，當(dāng)前動(dòng)力裝置的健康狀況是非常重要的信息。將由監(jiān)測(cè)或間接計(jì)算得到的信息作為判據(jù)，可以判斷動(dòng)力裝置可能存在的故障，以便采取相應(yīng)的維護(hù)措施。目前的故障診斷技術(shù)[1]主要有2種： ① 非氣路診斷技術(shù)，如振動(dòng)分析、油液分析、內(nèi)孔窺視儀監(jiān)測(cè)等，主要用于評(píng)估機(jī)組部件內(nèi)部(如軸承、轉(zhuǎn)子、輪盤(pán)、葉片、燃燒室氣缸、透平噴嘴等)機(jī)械結(jié)構(gòu)的物理?yè)p傷狀況[1]；② 氣路診斷技術(shù)，利用機(jī)組各主要部件的熱力性能狀況，來(lái)評(píng)估機(jī)組各主要?dú)饴凡考?如壓氣機(jī)、燃燒室、透平等)的總體性能和健康狀況[2]。由于氣路診斷技術(shù)能夠提供機(jī)組總體的性能狀況和各主要部件的健康狀況的關(guān)鍵信息，故其已在動(dòng)力裝置故障診斷中被廣泛應(yīng)用，特別是基于模式識(shí)別的氣路診斷技術(shù)。

目前，各種不同類型的模式識(shí)別方法[3-4]已廣泛應(yīng)用于動(dòng)力裝置的健康監(jiān)測(cè)中，它們的共同特征是具備自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)的柔性處理能力，能夠根據(jù)待識(shí)別對(duì)象的特征向量(氣路測(cè)量參數(shù)向量)及其他的約束條件，判斷其屬于哪種性能衰退或故障模式的類別?；谀Ｊ阶R(shí)別的氣路診斷技術(shù)具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： ① 無(wú)需建立復(fù)雜的目標(biāo)動(dòng)力裝置的熱力性能模型；② 可以準(zhǔn)確識(shí)別并隔離發(fā)生性能衰退的部件。其中，應(yīng)用最為廣泛的模式識(shí)別方法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5-7]和支持向量機(jī)[8]法。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常需要大量的樣本數(shù)據(jù)，尤其是故障樣本數(shù)據(jù)，這在實(shí)際工程應(yīng)用中很難滿足條件。而支持向量機(jī)方法基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠在小樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練的情況下表現(xiàn)出更優(yōu)的泛化能力，并能確保局部最優(yōu)解和全局最優(yōu)解的基本一致[8]。然而，采用支持向量機(jī)方法進(jìn)行故障模式識(shí)別的準(zhǔn)確性主要取決于其最優(yōu)參數(shù)的選擇[8-9]。為確保故障模式識(shí)別的準(zhǔn)確性，通常需要為支持向量機(jī)選擇一個(gè)最優(yōu)算法[9-10]和(或)設(shè)計(jì)復(fù)雜的多層分類結(jié)構(gòu)[11]來(lái)改善故障模式識(shí)別的有效性。

為解決當(dāng)前基于模式識(shí)別的氣路診斷技術(shù)中算法通用性與準(zhǔn)確性的問(wèn)題，本文提出了一種基于自適應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)算法的氣路診斷方法，通過(guò)計(jì)算測(cè)試氣路數(shù)據(jù)與故障樣本數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度，在小樣本數(shù)據(jù)情況下能簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障模式識(shí)別，進(jìn)而達(dá)到對(duì)動(dòng)力裝置的健康狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的。

1灰色關(guān)聯(lián)理論

1.1普通灰色關(guān)聯(lián)理論

灰關(guān)聯(lián)理論[12-13]是灰色系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)，它主要基于空間數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)理論來(lái)計(jì)算參考特征向量與每個(gè)待識(shí)別的特征向量的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。將灰色關(guān)聯(lián)理論應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)氣路性能診斷，相較于其他模式識(shí)別方法，該方法具有以下特點(diǎn)[14-15]： ① 具有良好的抗噪能力；② 能夠?qū)?shù)進(jìn)行特征選擇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分類的目的；③ 能夠解決小樣本數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)問(wèn)題；④ 算法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能解決算法通用性與準(zhǔn)確性相矛盾的問(wèn)題。

假設(shè)待識(shí)別的動(dòng)力裝置氣路測(cè)量參數(shù)序列如下：

(1)

式中，Xi為第i個(gè)待識(shí)別氣路的性能衰退模式；x1為第i個(gè)氣路的測(cè)量參數(shù)；i∈N；n為被選擇作為特征向量的氣路測(cè)量參數(shù)的總個(gè)數(shù)。

假設(shè)故障模式庫(kù)中故障征兆(即氣路測(cè)量參數(shù)向量)和故障模式(即發(fā)生性能衰退的部件情況)的分類如下：

(2)

式中，Cj為第j個(gè)已知的故障模式；cj為第j個(gè)氣路的測(cè)量參數(shù)；m為已知的故障模式數(shù)目。

對(duì)于分辨系數(shù)ρ∈(0，1)，Xi和Cj的第k個(gè)特征參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(3)

i∈N，j=1，2，…，m

Xi和Cj的關(guān)聯(lián)度為

(4)

i=N，j=1，2，…,m

式中，ρ通常設(shè)為0.5。

求得ξ(Xi，Cj)(j=1，2，…，m)后，就可將Xi分類至最大關(guān)聯(lián)度所屬的故障模式。

1.2自適應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)理論

為增強(qiáng)算法的自適應(yīng)能力，本文提出了自適應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)算法，引入信息論中關(guān)于熵[16-18]的概念，來(lái)計(jì)算樣本之間的關(guān)聯(lián)度。

(1) 計(jì)算特征參數(shù)的距離和概率如下：

(5)

(6)

(2) 定義熵為

(7)

(3) 計(jì)算最大熵值為

(8)

(4) 計(jì)算相對(duì)熵值為

eij(k)=Eij(k)/Emax

(9)

(5) 參考信息論中剩余度的概念，定義第k個(gè)特征參數(shù)的剩余度為

Dij(k)=1-eij(k)

(10)

剩余度的本質(zhì)意義在于消除第k個(gè)特征參數(shù)的熵值與特征參數(shù)的最優(yōu)熵值的差別。當(dāng)Dij(k)越大，則表明第k個(gè)特征參數(shù)越重要，應(yīng)當(dāng)賦予更大的權(quán)重。

(6) 計(jì)算第k個(gè)特征參數(shù)的權(quán)重系數(shù)為

(11)

(7) 利用權(quán)重系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)度，即

(12)

由此求得Xi與已知故障模式庫(kù)中每一個(gè)Cj(j=1，2，…，m)的關(guān)聯(lián)度ξ(Xi，Cj)(j=1，2，…，m)，然后就可以將Xi分類至最大關(guān)聯(lián)度所屬的故障模式，即通過(guò)氣路測(cè)量參數(shù)識(shí)別出發(fā)生性能衰退的部件情況。

2應(yīng)用與分析

2.1動(dòng)力裝置模型

以某型三軸船用燃?xì)廨啓C(jī)[19-21]為例，驗(yàn)證算法的有效性。三軸船用燃?xì)廨啓C(jī)如圖1所示。

圖1　某型三軸船用燃?xì)廨啓C(jī)Fig.1　A marine three-shaft gas turbine

由圖可見(jiàn)，該型三軸燃?xì)廨啓C(jī)包括2個(gè)壓氣機(jī)(C)，其中低壓壓氣機(jī)(LC)和高壓壓氣機(jī)(HC)各 1個(gè)；1個(gè)燃燒室(B)；3個(gè)透平(T)，其中高壓透平(HT)、低壓透平(LT)和動(dòng)力透平(PT)各1個(gè)，且發(fā)電機(jī)通過(guò)一個(gè)減速齒輪箱與PT相連接。該機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的氣路測(cè)量參數(shù)如表1所示。

表1　燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的氣路測(cè)量參數(shù)

2.2診斷分析

由于通過(guò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)積累故障模式與故障征兆的關(guān)系規(guī)則庫(kù)是項(xiàng)艱巨而費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，目前動(dòng)力裝置熱力性能模型正越來(lái)越多的應(yīng)用于探索故障模式-征兆的關(guān)系[22]。

對(duì)動(dòng)力裝置而言，各部件的性能衰退可以用特性線的偏移來(lái)表示，且這些偏移可用部件健康指數(shù)(如壓氣機(jī)透平的流量特性指數(shù)ΔSFFC，壓氣機(jī)、透平和燃燒室的效率特性指數(shù)ΔSFEFF)來(lái)表征。更多關(guān)于動(dòng)力裝置部件的健康指數(shù)、部件特性線及動(dòng)力裝置熱力模型的詳細(xì)描述可以參見(jiàn)文獻(xiàn)[1，19-21]。

為有效識(shí)別故障模式(即識(shí)別、隔離性能衰退的部件)，本文分析了某型三軸船用燃?xì)廨啓C(jī)的氣路測(cè)量參數(shù)相對(duì)于部件健康指數(shù)的敏感性(即部件健康指數(shù)的相對(duì)變化能引起氣路測(cè)量參數(shù)相對(duì)變化的大小)，從而來(lái)選取作為特征向量X的氣路測(cè)量參數(shù)。將表2所示的不同診斷案例分別植入燃?xì)廨啓C(jī)熱力模型中，可以得到t0=15℃，p0=1.013kPa(1.013bar)，RH=60%，PNe=24265kW時(shí)，相對(duì)于健康時(shí)各氣路測(cè)量參數(shù)的偏差，如表3所示。其中，ΔSFC，F(xiàn)C、ΔSFC，Eff為壓氣機(jī)的流量效率特性指數(shù)；ΔSFB，Eff為燃燒室的效率特性指數(shù)；ΔSFT，F(xiàn)C、ΔSFT，Eff為透平的流量效率特性指數(shù)。

表2　植入燃?xì)廨啓C(jī)熱力模型中的部件故障模式

本文假設(shè)所有的氣路傳感器是健康的，即不存在測(cè)量偏差。當(dāng)氣路測(cè)量參數(shù)發(fā)生偏差時(shí)，表示相關(guān)部件的性能可能發(fā)生衰退或故障。

由表3可知，不同部件的故障模式會(huì)導(dǎo)致不同的氣路測(cè)量參數(shù)偏差，故選取如下的特征向量用于故障模式診斷識(shí)別：

X=[p1，p2，t2，p3，t3，p5，t5，p6，t6，

p7，t7，n1，n2，Gf]T

(13)

常見(jiàn)的燃?xì)廨啓C(jī)部件故障模式有壓氣機(jī)(LC/HC)積垢、燃燒室燒換、透平腐蝕等[23]，這些部件的故障程度的范圍如表4所示。根據(jù)表4中的部件故障模式及故障程度范圍，利用三軸燃?xì)廨啓C(jī)熱力模型模擬的數(shù)據(jù)建立故障征兆(即氣路測(cè)量參數(shù))與故障模式(即發(fā)生性能衰退的部件情況)的知識(shí)庫(kù)。各部件用于建立知識(shí)庫(kù)和校驗(yàn)的故障樣本如圖2所示，圖中只選取各部件故障程度范圍邊界上的少量點(diǎn)作為用于建立規(guī)則庫(kù)的性能衰退樣本，且假設(shè)單部件、雙部件或3部件同時(shí)可能發(fā)生故障。由此用于建立知識(shí)庫(kù)的樣本總數(shù)為3260個(gè)，用于校驗(yàn)的樣本總數(shù)為7681個(gè)。

由于在實(shí)際的氣路測(cè)量中測(cè)量噪聲不可避免，并會(huì)影響各部件健康狀況的診斷結(jié)果，故在模擬的氣路測(cè)量中引入了測(cè)量噪聲來(lái)使診斷分析更切合實(shí)際。針對(duì)不同的測(cè)量參數(shù)，本文采用文獻(xiàn)[24]中提供的最大測(cè)量噪聲。

為減小測(cè)量噪聲的影響，在氣路測(cè)量參數(shù)樣本輸入診斷系統(tǒng)前，通常需進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的降噪預(yù)處理。由于測(cè)量噪聲一般符合高斯分布，本文將連續(xù)獲取的多個(gè)氣路測(cè)量值，采用10點(diǎn)滾動(dòng)平均方法[25]得到一個(gè)平均測(cè)量值，即

表3　各部件氣路測(cè)量參數(shù)相對(duì)于健康時(shí)的偏差

表4　常見(jiàn)的部件故障模式及故障程度范圍

圖2　用于各部件的故障樣本選擇Fig.2　Fault sample selection for components

(14)

式中，zj為每一個(gè)氣路測(cè)量參數(shù)的第j個(gè)樣本值；q為每一個(gè)氣路測(cè)量參數(shù)的樣本數(shù)量，本文中，q=10用于10點(diǎn)滾動(dòng)平均。

表5給出了利用灰色關(guān)聯(lián)算法和自適應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行故障模式識(shí)別的結(jié)果。由表可知，利用自適應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行故障模式診斷較灰度關(guān)聯(lián)算法具有較高的識(shí)別率。

為分析用于建立規(guī)則庫(kù)的樣本密度對(duì)故障識(shí)別率的影響，本文還使用了額外的樣本用于建立知識(shí)庫(kù)。用于建立知識(shí)庫(kù)的樣本總數(shù)為9695個(gè)，相應(yīng)的故障模式的診斷識(shí)別結(jié)果同樣列于表5中。由表5可知，用于建立規(guī)則庫(kù)的樣本密度對(duì)

表5利用灰色關(guān)聯(lián)算法和自適應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)算法的故障模式診斷識(shí)別結(jié)果比較

Tab.5Comparison of fault classification success rates based on gray relation algorithm and adaptive gray relation algorithm respectively

樣本數(shù)目識(shí)別率/%用于規(guī)則庫(kù)建立用于校驗(yàn)灰度關(guān)聯(lián)算法自適應(yīng)灰度關(guān)聯(lián)算法3260768190.4194.529695768193.1595.89

分類成功率的有一定影響。當(dāng)樣本密度較小時(shí)，自適應(yīng)灰關(guān)聯(lián)算法的故障模式診斷成功率更優(yōu)，而當(dāng)樣本密度增大時(shí)，灰色關(guān)聯(lián)算法和自適應(yīng)關(guān)聯(lián)算法的診斷成功率都有所提高，此時(shí)自適應(yīng)灰關(guān)聯(lián)算法的優(yōu)勢(shì)不太明顯。因此，自適應(yīng)灰關(guān)聯(lián)算法更適用于實(shí)際工程中在小樣本數(shù)據(jù)情況下簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障模式識(shí)別，進(jìn)而達(dá)到對(duì)動(dòng)力裝置的健康狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的。

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于灰關(guān)聯(lián)理論的動(dòng)力裝置部件診斷方法，通過(guò)對(duì)故障部件的診斷分析可知，利用基于自適應(yīng)的灰關(guān)聯(lián)分類器對(duì)動(dòng)力裝置的故障部件進(jìn)行診斷，其識(shí)別準(zhǔn)確率率大于95%。本文提出的診斷算法可能具有運(yùn)用于其他不同類型動(dòng)力裝置的潛力，對(duì)動(dòng)力裝置的故障診斷具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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LI Jingchao1，WANG Sheng1，F(xiàn)ENG Yunhe1，CAO Manlin1，YING Yulong2

(1. School of Electronic Information Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;2. Engineering Department, Shanghai Electric Gas Turbine Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

AbstractComponents in a power plant may degrade during operation, leading to serious faults. It is therefore essential to monitor gas-path measurement in a power plant, and carry out fault diagnosis for its components. For this purpose, a fault diagnostic method for power plant based on adaptive gray relation algorithm is proposed. By correlating calculation of the gas-path measurement, accurate recognition of fault patterns can be achieved.

Keywordsgray relation algorithm; power plant; fault diagnosis; fault recognition

收稿日期：2015-11-22

基金項(xiàng)目：上海電機(jī)學(xué)院大學(xué)生科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助(A1-5701-15-012-01-066)

作者簡(jiǎn)介：李靖超(1986-)，女，講師，博士，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、輻射源識(shí)別，E-mail： lijc@sdju.edu.cn

文章編號(hào)2095-0020(2016)02-0081-07

中圖分類號(hào)TK 478;TP 277.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A