基于支持向量機和粒子群算法的多聯(lián)機氣液分離器插反故障診斷

鄭小海，譚澤漢，郭亞賓，陳煥新

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基于支持向量機和粒子群算法的多聯(lián)機氣液分離器插反故障診斷

鄭小海*1，譚澤漢2，郭亞賓1，陳煥新1

（1-華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074； 2-空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，廣東珠海 517907）

本文通過多聯(lián)機實驗平臺采集數(shù)據(jù)，選取合適的特征變量，利用支持向量機算法建立了多聯(lián)機氣液分離器插反故障診斷模型。采用粒子群算法優(yōu)化該模型，通過測試集驗證模型的分類準確率，并對兩種模型下的故障診斷效果進行對比分析。結(jié)果表明，制冷工況下的故障診斷準確率高于制熱工況下的準確率。模型優(yōu)化前兩種工況下的故障診斷準確率均高于96%，而優(yōu)化后的準確率均高于97%，優(yōu)化后制冷工況下的故障診斷準確率更是高達98.4%，可見優(yōu)化后的模型性能穩(wěn)步提升。

支持向量機；多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)；氣液分離器插反；故障診斷；粒子群算法

0 引言

多聯(lián)機在中國空調(diào)市場中所占的份額[1]越來越大，其產(chǎn)品也日益多樣化，而氣液分離器是多聯(lián)機分流裝置[2]中的關(guān)鍵部件，其作用主要是將制冷劑的氣態(tài)與液態(tài)分離，分離效果直接影響空調(diào)系統(tǒng)的性能。由于氣液分離器的入口端和出口端的外形十分相似，在多聯(lián)機系統(tǒng)的組裝、維修等過程中，一些非專業(yè)的工作人員易將氣液分離器插反，即造成氣分插反故障。一般這種故障的發(fā)生部位容易被忽略，故障的隱蔽性很高。但發(fā)生這種故障后，在長期運行過程中，會導(dǎo)致壓縮機發(fā)生“液擊”現(xiàn)象，嚴重影響壓縮機壽命，甚至影響整個制冷系統(tǒng)的性能。因此迫切需要找出一種更好的故障檢測和診斷技術(shù)來提升對該故障檢測和診斷的準確率。

近年來，針對制冷空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測與診斷技術(shù)的研究越來越深入。基于數(shù)據(jù)的故障檢測與診斷方法是主流，HU等[3]提出了用自適應(yīng)主元分析（Principal Component Analysis，PCA）方法來檢測冷水機組傳感器故障，提高了冷水機組在低溫工況下的故障檢測率；XU等[4]采用小波分析和PCA的方法，明顯改善了冷水機組的故障診斷效果。LIU等[5]將PCA與指數(shù)加權(quán)移動平均法（Exponentially- weighted Moving Average，EWMA）相結(jié)合的方法應(yīng)用于檢測多聯(lián)機系統(tǒng)的制冷劑充注量故障，使得在輕微故障工況下的故障檢測率明顯提高。可見近年來的研究以PCA方法居多[6]，此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7-8]、決策樹[9]、支持向量機（Support Vector Machine，SVM）[10]等算法也越來越多地應(yīng)用于制冷系統(tǒng)故障檢測與診斷的研究。本文使用的是多聯(lián)機系統(tǒng)的實驗所得數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)集的樣本量較少，而且呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，而支持向量機在解決小樣本、非線性問題中具有特殊的優(yōu)勢，故本文利用支持向量機算法對氣分插反故障進行檢測與診斷。

1 故障診斷模型的構(gòu)建

1.1 基于支持向量機的故障診斷模型

支持向量機（SVM）是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機器學(xué)習(xí)方法，自1995年VAPNIK[11]提出支持向量機以來，由于它在解決小樣本、非線性及高維模式識別問題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，因而得到廣泛研究、應(yīng)用和發(fā)展。SVM的基本原理[12]是將低維空間中線性不可分的問題映射到高維空間中，然后在高維空間中最大化不同類之間的間隔來構(gòu)造最優(yōu)分類超平面。

對于線性可分情況下的樣本：(x,y)，=1, 2, …,，x?R，y?{-1,+1}被最優(yōu)分類超平面·+= 0完全無誤地分為兩個類別，并且這個超平面能夠使兩類分類點的距離最大。離最優(yōu)超平面最近的兩類樣本向量稱為支持向量，兩類支持向量與最優(yōu)超平面間距之和為2/||||,因此，構(gòu)造最優(yōu)超平面問題就轉(zhuǎn)化為線性約束的凸二次規(guī)劃問題：

式中：

——最優(yōu)超平面法向量；

——閾值。

支持向量機使用的核函數(shù)主要有高斯核函數(shù)、徑向基核函數(shù)、多項式核函數(shù)以及線性核函數(shù)等。本文采用應(yīng)用最為普遍的徑向基核函數(shù)來建模，其中懲罰參數(shù)C和核參數(shù)是影響支持向量機模型的兩個重要參數(shù)。目前對支持向量機模型參數(shù)的選擇方法主要有交叉驗證法[13]、網(wǎng)格搜索法[14]、遺傳算法[15-16]和粒子群算法[17-18]等。由于粒子群算法本身使用迭代的思想去解決問題，算法的精確性比較高，故本文采用粒子群算法來優(yōu)化模型參數(shù)的選擇。

1.2 基于粒子群和支持向量機的故障診斷模型

粒子群（PSO）算法是一種模擬鳥類捕食行為的群體智能算法，PSO算法隨機地初始化一群粒子，然后通過迭代去解決全局尋優(yōu)問題。每個粒子有相應(yīng)的位置和速度，分別用X= (x1,x2, …,x)和V= (v1,v2, …,v)表示，其中=1, 2, …,，為種群數(shù)量，為搜索空間的維數(shù)，每個粒子有一個被優(yōu)化函數(shù)決定的適應(yīng)值，在每次迭代過程中，速度和位置的更新公式如下：

其中，為慣性權(quán)值，c1和c2為學(xué)習(xí)因子，rand1和rand2為屬于[0,1]的隨機分布函數(shù)，Pi= (pi1, pi2, …, pie)為第i個粒子搜索到的歷史最優(yōu)位置，Pg= (pg1, pg2, …, pge)為整個群體搜索到的歷史最優(yōu)位置，粒子的速度都會被限制在[-Vmax,Vmax]的范圍內(nèi)。速度太大，粒子可能會飛出最優(yōu)解；速度太小，粒子可能會陷入局部最優(yōu)。

為了提高算法的收斂速度，對慣性權(quán)值進行線性調(diào)整[19]，即隨著迭代的進行，線性減少的值，調(diào)整公式為：

其中，為當前迭代次數(shù)，max為最大迭代次數(shù)。由于粒子群算法的上述優(yōu)點，故采用粒子群算法優(yōu)化支持向量機的模型參數(shù)，從而得到基于PSO-SVM的故障診斷模型，并對優(yōu)化前后的兩種模型的故障診斷效果進行對比。

2 多聯(lián)機系統(tǒng)的實驗裝置

2.1 實驗裝置簡述

由于多聯(lián)機系統(tǒng)能夠適應(yīng)多個房間的制冷、制熱需求，當這些房間的同時使用系數(shù)較高時，與傳統(tǒng)空調(diào)相比，多聯(lián)機系統(tǒng)具有減少能源浪費、節(jié)省室外空間、降低運行費用的優(yōu)點[20]。然而當系統(tǒng)發(fā)生故障時，會帶來能源、經(jīng)濟、安全等方面的問題，因此基于數(shù)據(jù)挖掘的多聯(lián)機系統(tǒng)故障檢測與診斷的研究也越來越深入。

本文利用了多聯(lián)機系統(tǒng)實驗平臺[21]進行數(shù)據(jù)采集。多聯(lián)機系統(tǒng)實驗裝置及主要控制點見圖1，該多聯(lián)機系統(tǒng)有1臺室外機和5臺室內(nèi)機，其中全開表示5臺室內(nèi)機全部開啟，單開表示1臺室內(nèi)機運行，系統(tǒng)的主要設(shè)備有室內(nèi)機、室外機、壓縮機、氣液分離器、油分離器等。利用各種溫度壓力傳感器得到眾多的運行數(shù)據(jù)，實際建模過程中需要根據(jù)專家知識和構(gòu)建數(shù)據(jù)變化模型驗證選取合適的建模的特征變量，從而建立更為適用的模型。

圖1 多聯(lián)機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要控制點

2.2 實驗裝置的誤差分析

由于搭建的多聯(lián)機實驗平臺十分規(guī)范，各參數(shù)的測得都是在焓差實驗室進行的。正常數(shù)據(jù)就是在正常狀態(tài)下進行測量得到的。本文提及的故障數(shù)據(jù)就是在正常狀態(tài)下停機，然后人為將氣液分離器反向，再開機運行得到的。因此實驗裝置的精確性可以達到99%以上。

2.3 數(shù)據(jù)與變量選擇

實驗裝置中包含大量的溫度、壓力等傳感器，用于測量相關(guān)運行參數(shù)，故采集到大量的運行數(shù)據(jù)。根據(jù)專家知識和測量參數(shù)的相關(guān)性，不考慮邏輯變量[22]，選擇以下參數(shù)進行建模。選擇的參數(shù)包括室外環(huán)境溫度（T），壓縮機排氣、殼頂、模塊溫度（T,T,T），壓縮機目標和運行頻率（f,f），電流（I），過冷器氣出、液出溫度（T,T），氣液分離器進管、出管溫度（T,T），過冷器電子膨脹閥開度（E），化霜溫度（T），模塊高、低壓（P,P）等15個運行參數(shù)。因此，原始數(shù)據(jù)矩陣為：Y = [T, T, T, T, f, f, I, T, T, T, T, E, T, P, P]。

3 診斷過程與結(jié)果分析

3.1 診斷過程

基于PSO-SVM的故障診斷流程如圖2所示，其中數(shù)據(jù)標準化是為了消除變量間量綱的影響，之后將特征數(shù)據(jù)集隨機分為75%的訓(xùn)練集和25%的測試集，利用訓(xùn)練集對SVM模型進行訓(xùn)練，并通過粒子群算法得到最優(yōu)的支持向量機模型。最后，利用測試集對模型進行驗證，得到不同模型下的混淆矩陣和分類準確率，最后對兩種模型的故障診斷效果進行對比分析。其中制冷工況下的測試集共有17,083組數(shù)據(jù)，制熱工況下的測試集共有5,867組實驗數(shù)據(jù)。其中制冷數(shù)據(jù)集包含6種工況，分別為單開、內(nèi)27 ℃、外35 ℃；全開、內(nèi)27 ℃、外35 ℃；單開、內(nèi)23 ℃、外31 ℃；全開、內(nèi)23 ℃、外31 ℃；單開、內(nèi)32 ℃、外40 ℃；全開、內(nèi)32 ℃、外40 ℃。制熱數(shù)據(jù)集也包含6種工況，分別為單開、內(nèi)20 ℃、外7 ℃；全開、內(nèi)20 ℃、外7 ℃；單開、內(nèi)20 ℃、外-7 ℃；全開、內(nèi)20 ℃、外-7 ℃；單開、內(nèi)27 ℃、外24 ℃；全開、內(nèi)27 ℃、外24 ℃。由于每種工況的故障實驗的數(shù)據(jù)量不是很多，將這些工況下的數(shù)據(jù)都放入一個數(shù)據(jù)集，故共有制冷、制熱兩個數(shù)據(jù)集。

圖2 基于PSO-SVM的故障診斷流程

3.2 基于SVM的故障診斷結(jié)果

使用基本的支持向量機方法，將懲罰因子C設(shè)置為1，核參數(shù)設(shè)置為0.0666（即1/15），利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立支持向量機模型，測試數(shù)據(jù)對模型進行驗證。得到的混淆矩陣如表1所示，其中標簽0表示發(fā)生氣分插反故障，標簽1為系統(tǒng)正常運行數(shù)據(jù)。得到制冷工況下的故障診斷準確率為97.5%，制熱工況下的準確率為96.1%。

表1 基于SVM的混淆矩陣

3.3 基于PSO-SVM的故障診斷結(jié)果

采用帶慣性權(quán)值的粒子群算法對支持向量機的懲罰因子C和核函數(shù)的參數(shù)進行優(yōu)化，適應(yīng)度曲線如圖3所示。粒子群算法的主要參數(shù)：本文中參數(shù)C和的搜索區(qū)間范圍設(shè)為[0.1,100]和[0.01,10]；種群大小N=20，最大進化代數(shù)為300；慣性權(quán)重=0.8，加速常數(shù)C1=1.6，C2=1.83。得到的最優(yōu)參數(shù)為C=82.352，γ=0.8790，使用粒子群算法優(yōu)化支持向量機后，得到的混淆矩陣如表2。制冷工況下的故障診斷準確率為98.4%，制熱工況下的準確率為97.0%。

圖3 PSO尋找最優(yōu)參數(shù)的適應(yīng)度曲線

表2 基于PSO-SVM的混淆矩陣

3.4 診斷結(jié)果對比分析

使用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化后的SVM模型與原始SVM模型的分類準確率對比如圖4，可見利用PSO-SVM模型的分類準確率高于SVM模型的準確率。在僅利用SVM模型進行故障診斷時，雖然診斷準確率在兩種工況條件下均高于96%，但利用PSO-SVM模型進行故障診斷后，在兩種工況下的準確率均明顯提高至97%以上，可以看到兩種模型對制冷工況下的故障診斷效果優(yōu)于制熱工況下的效果。上述結(jié)果表明，對該多聯(lián)機系統(tǒng)，采用粒子群算法優(yōu)化支持向量機模型來進行故障診斷是可行的，且診斷結(jié)果具有較高的準確率，比優(yōu)化前的SVM模型的診斷性能更好。

圖4 優(yōu)化前后分類準確率對比

4 結(jié)論

通過分析制冷、制熱兩種工況下的多聯(lián)機平臺實驗數(shù)據(jù)，分別建立SVM模型和PSO-SVM模型進行故障診斷，并將兩種模型的故障診斷準確率進行對比，得出以下結(jié)論：

1）支持向量機方法在制冷工況下的故障診斷準確率高于制熱工況下的故障診斷準確率，但在制熱工況下的準確率也均高于96%；

2）在使用粒子群算法優(yōu)化前兩種工況下的故障診斷準確率均高于96%，優(yōu)化后的故障診斷準確率均高于97%，而且優(yōu)化后的制冷工況下的故障診斷準確率更是高達98.4%；優(yōu)化后的準確率有穩(wěn)步的提升。

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Fault Diagnosis on Opposite-insertion for Gas-liquid Separator in Variable Refrigerant Flow System Based on Support Vector Machine and Particle Swarm Optimization Algorithm

ZHENG Xiaohai*1, TAN Zehan2, GUO Yabin1, CHEN Huanxin1

(1-School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China; 2-State Key Laboratory of Energy Conservation and Operation of Air-Conditioning Equipment and Systems, Zhuhai, Guangdong 517907, China)

The data were collected through the variable refrigerant flow (VRF) experimental platform, and the suitable characteristic variables were selected. A VRF gas-liquid separator opposite-insertion fault diagnosis model using support vector machine algorithm was developed. The particle swarm optimization algorithm was used to optimize the model. The test set was used to verify the classification accuracy of the model, and the fault diagnosis effects of the two models were compared and analyzed. The results show that the accuracy of fault diagnosis under refrigeration condition is higher than that under heating condition. The accuracy of fault diagnosis under the two conditions is larger than 96% under support vector machine model. After using the particle swarm optimization algorithm, the accuracy is larger than 97% under these two conditions, and the accuracy of fault diagnosis under refrigeration conditions is up to 98.4%. The performance of the optimized model is steadily increased.

Support vector machine; Variable refrigerant flow system; Gas-liquid separator opposite-insertion; Fault diagnosis; Particle swarm optimization algorithm

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.104

*鄭小海（1994-），男，在讀碩士。研究方向：空調(diào)系統(tǒng)故障診斷。聯(lián)系地址：華中科技大學(xué)動力樓316，郵編：430074。聯(lián)系電話：15671687530。E-mail：zhengxiaohai12345@163.com。

空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室開放基金（No. SKLACKF201606）和國家自然科學(xué)基金（No. 51576074）。