基于聲信號和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油發(fā)動機故障診斷

曾 榮，曾銳利，梅檢民，張 帥，丁 雷

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

● 車輛工程VehicleEngineering

基于聲信號和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油發(fā)動機故障診斷

曾 榮1，曾銳利2，梅檢民2，張 帥1，丁 雷1

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

為實現(xiàn)柴油機異響故障的不解體診斷，采用雙麥克風(fēng)采集發(fā)動機噪聲信號，利用小波分解技術(shù)對采集的聲壓信號進(jìn)行分解，通過比較不同的小波分解方法，確定用于故障診斷的聲音特征參數(shù)，最后構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式識別。試驗結(jié)果表明，采用雙麥克風(fēng)對發(fā)動機進(jìn)行故障診斷的方法準(zhǔn)確性高，可以應(yīng)用于發(fā)動機異響故障診斷。

柴油機故障診斷；雙麥克風(fēng)；多分辨分析；聲信號；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

發(fā)動機工作過程會產(chǎn)生振動信號，發(fā)生故障時信號的聲音頻譜就會有所表現(xiàn)。利用發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的異常噪音信號檢測發(fā)動機故障，相比于其他方式具有不接觸、不解體和操作簡單等優(yōu)點。

由于聲信號信噪比較低，故存在特征提取較為困難以及故障診斷分類器無法實現(xiàn)類別增量學(xué)習(xí)等缺陷。針對信噪比較低的問題，許多學(xué)者開展了一些研究，如：利用小波分析，將小波變換應(yīng)用于滾動軸承故障聲信號的處理[1]；通過多尺度分解，提高聲信號的信噪比[2]；采用獨立分量分析和自相關(guān)分析降噪[3]；利用形態(tài)分量分析方法進(jìn)行廣義軟取閾值去噪[4]；利用梅爾頻率倒譜系數(shù)算法提取故障特征[5]，等等。這些降噪方法都是在聲源環(huán)境單一的條件下取得了較好效果，然而對于發(fā)動機異響故障，由于存在多個聲源干擾信號，單一的信號分析滿足不了特征提取的要求。李增芳等[6]提出對聲強信號進(jìn)行小波分析以獲取頻帶能量特征，取得了較好的診斷效果。Pagi V B等[7]用摩托車的聲信號能量分布作為特征對象，結(jié)果表明能診斷出多個故障類別。但是文獻(xiàn)[6—7]所提的方法準(zhǔn)確率仍有待提高。Wang Y S等[8]和Dayong N等[9]分別提出了智能故障診斷模型和改進(jìn)的隨機遞減技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機故障診斷，準(zhǔn)確率得到了較大的提高。Madain M等[10]提出建立故障數(shù)據(jù)庫，用相關(guān)分析來匹配故障類型，促進(jìn)了發(fā)動機故障診斷的應(yīng)用。然而，這些已有的研究只是診斷特征明顯的故障種類，而實際應(yīng)用中發(fā)動機故障大多數(shù)是由輕到重(如輕微漏油到完全斷油)的漸變過程，而診斷出輕微故障對于視情維修的意義是顯而易見的。

對于聲信號，分析頻域比時域更為有效，因為較重要的特性主要反映在其功率譜中，且頻譜不易受到外界干擾，聲學(xué)特性較為穩(wěn)定。由于聲信號中高頻部分衰減快，而受傳感器精度和采樣距離的限制，采集到的信號大部分是低頻信號，發(fā)動機噪音頻域信號大部分信息集中在低頻段，故本文主要對發(fā)動機低頻信號進(jìn)行分析。在多分辨分析和頻帶能量分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性映射處理方面的強大能力，本文提出一種采用雙麥克風(fēng)測量結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)動機故障診斷方法，最后進(jìn)行試驗驗證該方法的實用性和準(zhǔn)確性。

1 信號處理及模式識別方法

1.1 發(fā)動機噪聲信號的特點

如圖1所示，未經(jīng)過任何處理的發(fā)動機聲壓信號時域波形較為混亂，信號的周期特征明顯，但顯然無法直接用于故障診斷分析。聲信號經(jīng)過傅里葉變換后，能量在頻率上的分布具有階梯狀，初步分析可知其能量頻帶大致分為4～6段，采用頻帶能量分析是可行的。

圖1 發(fā)動機原始聲信號和傅里葉變換頻譜

1.2 小波多分辨率分析

針對發(fā)動機噪聲信號的特點，本文采用小波多分辨率分析方法對發(fā)動機噪聲信號進(jìn)行處理。小波變換的時頻分辨率隨時間分解尺度而變化，對于信號的低頻成分其時間分辨率高而頻率分辨率低，對于信號的高頻成分其時間分辨率低而頻率分辨率高。S.Mallat在構(gòu)造正交小波基時提出多分辨率分析的概念，并首先應(yīng)用于小波分析，小波分析現(xiàn)階段在故障診斷領(lǐng)域也較為成熟[11-13]。多分辨率分析的小波分解樹如圖2所示。

圖2 4層多分辨分析樹結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，多分辨分析的功能和帶通濾波器相似，只對信號的低頻部分進(jìn)行分解，而高頻部分則不考慮。若最高頻率為f，則對于高頻H1信號，其頻率范圍為[f/2，f]，低頻L1頻率范圍為[0，f/2)。作第二層分解時，原第一層分解得到的高頻部分H1不進(jìn)行分解，只將低頻部分L1進(jìn)行分解，以此類推，將信號進(jìn)行層層分解。信號X經(jīng)圖中所示的4層多分辨率分解后，就能得到信號系數(shù)φi(i=1,2,3,4)，其對應(yīng)的頻率范圍分別為[0,f/16)，[f/16,f/8)，[f/8,f/4)，[f/4,f/2)，[f/2,f]。即信號X為

X=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4

(1)

P=[E1，E2，E3，E4]

(2)

取E=∑Ei，則歸一化后特征向量為

T=[E1/E，E2/E，E3/E，E4/E]

(3)

柴油機聲信號和4層小波分解結(jié)果如圖3所示，經(jīng)過多分辨分析后的柴油機聲信號頻帶系數(shù)幅值顯然不同，可以明顯看到5個不同幅值的波形段。

圖3 柴油機聲信號和4層小波分解結(jié)果

1.3 頻帶能量累加法特征提取

根據(jù)小波分解結(jié)果，通過計算頻帶能量累加以獲取特征參數(shù)。小波頻帶能量累加法主要通過對信號時頻變換，分解到不同的頻帶內(nèi)，對各頻帶內(nèi)能量總和進(jìn)行統(tǒng)計分析，以頻帶內(nèi)能量和的變化來判斷故障信號的變化，利用這些特征變化建立信號頻帶能量與發(fā)動機異響故障狀態(tài)間的映射關(guān)系。

對柴油機聲信號初步處理分析得知，采用Daubechies族的小波基函數(shù)db4或db5且分解層數(shù)為3、4、5(即能量頻帶4、5、6)時能取得較好效果，再對4種工況——正常供油、輕微漏油、中度漏油和完全斷油(即失火故障)綜合分析(如圖4所示)每個頻帶所示長度為相應(yīng)頻帶占總頻帶能量的比例，橫坐標(biāo)為各頻段能量所占總能量的百分比，縱坐標(biāo)為小波分解后4種故障狀態(tài)條件。從圖中可以發(fā)現(xiàn)分解層數(shù)為3時，輕微漏油故障和中度漏油故障的頻帶能量特征完全不能區(qū)分，分解層數(shù)為5時，頻帶能量特征穩(wěn)定性較差。從圖4(a)—(f)比較可知，分解層數(shù)為4且小波基函數(shù)為db4時，故障狀態(tài)得到較好的區(qū)分而同一狀態(tài)特征穩(wěn)定性好。對于小波基函數(shù)的選擇，金解放等[14]從理論角度也論證了Daubechies小波族中的db4小波基函數(shù)在聲信號處理中具有較好效果。本文中，故障特征向量通過小波基函數(shù)db4對兩個麥克風(fēng)聲信號各進(jìn)行4層小波分解得到的10個頻帶系數(shù)建立。

圖4 不同小波分解層數(shù)和基函數(shù)頻帶分析

1.4 構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強大的非線性映射、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)、泛化和容錯等能力，主要由輸入層、隱含層和輸出層組成。若樣本輸出向量為S=[s1,s2,s3,s4]，訓(xùn)練結(jié)果向量為R=[r1,r2,r3,r4]，則單個樣本的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果與目標(biāo)輸出間的平方誤差為

(4)

從而訓(xùn)練系統(tǒng)誤差平均值為

(5)

式中k為樣本數(shù)。

由D可得隱含層和輸出層的權(quán)值修正量ΔVij、ΔWjk，進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值修正關(guān)系：

Wjk(t+1)=Wjk(t)+ΔWjk(t)

(6)

Vij(t+1)=Vij(t)+ΔVij(t)

(7)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中X(1)，X(2)，…，X(n)為網(wǎng)絡(luò)的輸入值，Y(1),Y(2)，…，Y(n)為網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值。網(wǎng)絡(luò)的輸入值從輸入層經(jīng)隱含層向輸出層傳播，在輸出層的各神經(jīng)元獲得網(wǎng)絡(luò)的輸入響應(yīng)；然后，按照減少目標(biāo)輸出與實際誤差的方向，從輸出層經(jīng)過各中間層逐層修正各連接權(quán)值；最后回到輸入層。在一定范圍內(nèi)，隨著誤差逆?zhèn)鞑サ倪M(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)測試的反饋正確率也隨之上升。通過正向傳播和反向傳播兩個過程實現(xiàn)算法的前進(jìn)和誤差不斷修正，實現(xiàn)輸出值逼近理想值。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

本文以歸一化后的頻帶系數(shù)組成的特征向量為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，網(wǎng)絡(luò)輸出對應(yīng)4種工況設(shè)置代碼，分別按照漏油嚴(yán)重程度設(shè)定故障種類(V)為正常供油(1000)、輕微漏油(0100)、中度漏油(0010)和完全斷油(0001)。

2 故障診斷試驗

2.1 數(shù)據(jù)的采集與處理

試驗采用GRAS公司的40PH型麥克風(fēng)，其工作頻率為10～20 kHz。綜合聲強測量中誤差的產(chǎn)生機理，結(jié)合試驗條件，取麥克風(fēng)測量位置距噪聲源約0.8 m處，具體位置如圖6所示，單聲壓測量用麥克風(fēng)1，測量雙聲壓使用麥克風(fēng)組1和2。試驗采樣頻率為25.6 kHz，以濰柴WD615型六缸發(fā)動機為試驗對象，設(shè)置其高壓油管漏油故障，利用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集聲信號，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為710 r/min。

圖6 麥克風(fēng)測量位置示意

通過調(diào)節(jié)第6缸高壓油管噴入缸內(nèi)燃油油量來模擬高壓油管漏油故障，分別設(shè)置發(fā)動機正常供油、輕微漏油、中度漏油和完全斷油4種工況。固定聲信號采集裝置(麥克風(fēng))，兩個麥克風(fēng)同時測量發(fā)動機在4種工況下的聲信號，每種工況采樣時間為5 s，各采樣5組。

采用小波基函數(shù)db4將聲信號進(jìn)行4層小波分解得到5個頻帶系數(shù)值，即高頻信號的小波系數(shù)S1和低頻小波系數(shù)S2、S3、S4、S5。將聲信號分解得到的5個頻段信號的小波系數(shù)平方后求和，再進(jìn)一步歸一化得到作為信號的特征參數(shù)的e1、e2、e3、e4、e5，故對于單麥克風(fēng)特征向量為

T1=[e1，e2，e3，e4，e5]

(8)

對于雙麥克風(fēng)特征向量為

(9)

部分特征參數(shù)見表1。對4種不同工況的能量頻帶特征參數(shù)進(jìn)行模式識別，把每種工況下麥克風(fēng)采集的500組工作循環(huán)(特征向量)分成樣本數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，其中隨機抽取400組用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本訓(xùn)練，另外100組作為測試樣本。

表1 聲信號故障狀態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)(部分)

2.2 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練和結(jié)果

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊聚類分析是兩種較為常用的模式識別方法，使用模糊聚類方法便于動態(tài)分類，但其計算量大、耗時多，而使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測可以克服模糊聚類分析的缺點。

模糊聚類分析則是利用模糊等價關(guān)系來實現(xiàn)的。聚類分析一般分為3步：建立模糊相似矩陣、改造相似關(guān)系為等價關(guān)系以及聚類。其中建立模糊相似矩陣是實現(xiàn)模糊聚類的關(guān)鍵，本文以已歸一化的特征向量為數(shù)據(jù)樣本，設(shè)

U={T1,T2,…,Tn}

(10)

為故障狀態(tài)全部樣本，每一個樣本都由N個特征表示：

(11)

其中N在單麥克風(fēng)分析時為5，雙麥克風(fēng)時為10，可求得任意兩個樣本Ti和Tj相關(guān)系數(shù)Yij，進(jìn)而構(gòu)造模糊相似矩陣R=(rij)N×M。用模糊聚類方法中的減法聚類對相似矩陣處理生成初始隸屬函數(shù)，采取后向傳播算法估計模糊聚類中隸屬函數(shù)的參數(shù)。

分別用兩種模式識別方法分析，結(jié)果如圖7、表2所示。從圖、表中可以發(fā)現(xiàn)，在相同算法下，雙麥克風(fēng)在診斷準(zhǔn)確率上優(yōu)于單麥克風(fēng)。經(jīng)過多次試驗，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平均訓(xùn)練時間在2 s左右，而模糊聚類訓(xùn)練時間在10 s左右，因此，選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為故障識別方法。

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

綜合上述試驗，單個聲壓分析對發(fā)動機失火故障診斷準(zhǔn)確率在70%左右，而采用雙麥克風(fēng)診斷和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析明顯減少了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練周期，因此大大縮減了樣本訓(xùn)練時間，同時準(zhǔn)確率能提高到90%以上，且診斷錯誤都發(fā)生在輕度故障和中度故障的互相混淆，對視情維修決策的影響較小。對于發(fā)動機汽缸漏油故障，采取雙聲壓分析結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法可以取得很高的診斷正確率和診斷效率。

表2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練綜合分析

3 結(jié) 論

通過選取小波基函數(shù)和分解層數(shù)，采用雙麥克風(fēng)采集發(fā)動機聲信號，采取小波多分辨分析結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行柴油發(fā)動機故障診斷，取得了良好效果。

(1)對于發(fā)動機聲信號，采用小波基函數(shù)db4可以對聲信號低頻部分進(jìn)行很好的分解，能夠提取較為明顯的故障特征。

(2)采用雙麥克風(fēng)采集聲信號，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷發(fā)動機異響故障，相比于單麥克風(fēng)能大幅提高診斷準(zhǔn)確率和診斷效率，為發(fā)動機其他異響故障診斷提供了參考。

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DieselEngineFaultDiagnosisBasedonSoundSignalandBPNeuralNetwork

ZENG Rong1, ZENG Ruili2, MEI Jianmin2, ZHANG Shuai1, DING Lei1

(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In order to diagnose the abnormal sound fault of the diesel without disassemble, dual microphones are used to collect noise signal of the engine in this paper, and the sound pressure signal is decomposed with wavelet decomposition technique. By comparing different wavelet decomposition techniques, it determines the sound feature parameter for fault diagnosis, and establishes a BP neural network for pattern recognition. The test result shows that diagnosing engine fault with dual microphones is accuracy, and it can be applied to diagnose the abnormal sound fault of engine.

diesel engine fault diagnosis; dual microphones; multi-resolution analysis; sound signal; BP neural network

2017-07-08；

2017-09-31.

天津市自然科學(xué)基金項目(15JCTPJC64200).

曾 榮(1994—)，男，碩士研究生；

曾銳利(1976—)，男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.12.006

TK407；TB52

A

1674-2192(2017)12- 0023- 06

(編輯：張峰)