基于SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型的太陽(yáng)電池陣溫度異常檢測(cè)

何利健，張 銳，陳文卿

（1.中國(guó)科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

太陽(yáng)能電池陣是衛(wèi)星的能源供應(yīng)系統(tǒng)，其性能的好壞直接決定在軌衛(wèi)星能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。電池陣溫度作為表征電池陣工作狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，溫度異常勢(shì)必會(huì)對(duì)電池陣能源系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此，為確保衛(wèi)星健康運(yùn)行，根據(jù)電池陣歷史溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)電池陣溫度變化趨勢(shì)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)估電池陣性能狀態(tài)。

目前，傳統(tǒng)的時(shí)序數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)技術(shù)已相對(duì)成熟，有自回歸移動(dòng)平均（Auto Regressive Moving Average，ARMA）［1］、自回歸綜合移動(dòng)平均（Auto Regressive Integrated Moving Average，ARIMA）［2-3］、卡爾曼濾波［4-5］、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）［6］、最小二 乘支持 向量機(jī)（Least Squares Support Vector Machine，LS-SVM）［7-8］和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）［9］等方法。這些方法研究時(shí)間長(zhǎng)，理論成熟完善，在很多領(lǐng)域的時(shí)序數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)場(chǎng)景中已得到實(shí)際應(yīng)用。但這些方法只能處理短期自相關(guān)任務(wù)，難以對(duì)時(shí)間序列的長(zhǎng)期依賴進(jìn)行建模。

近年來(lái)深度學(xué)習(xí)快速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)相關(guān)理論的時(shí)序預(yù)測(cè)方法已經(jīng)得到相關(guān)學(xué)者的高度關(guān)注，并對(duì)此做了大量研究。文獻(xiàn)［10］使用長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）作為衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行單步預(yù)測(cè)，并提出一個(gè)自適應(yīng)閾值算法來(lái)獲取最佳閾值，最終達(dá)到遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)的目的。文獻(xiàn)［11］提出一種結(jié)合雙通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）和LSTM 的模型，并使用此模型對(duì)短期光伏功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得了良好效果。文獻(xiàn)［12］對(duì)通信衛(wèi)星多維遙測(cè)數(shù)據(jù)分別建立LSTM 模型，并以最大化相關(guān)系數(shù)與F1分?jǐn)?shù)的方式，為多維遙測(cè)數(shù)據(jù)的故障判定合適的閾值。

時(shí)序數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分為單步預(yù)測(cè)和多步預(yù)測(cè)，上述方法大部分是基于單步預(yù)測(cè)的解決方案，但單步預(yù)測(cè)在一些場(chǎng)景下無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。當(dāng)衛(wèi)星入境時(shí)，短期時(shí)間內(nèi)地面測(cè)控站只能獲取實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，需在入境檢測(cè)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)是否異常。但實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)僅為工程遙測(cè)數(shù)據(jù)中某一小部分時(shí)間區(qū)間的數(shù)據(jù)，單步預(yù)測(cè)無(wú)法滿足該任務(wù)需求，因此需對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)做中長(zhǎng)期的多步預(yù)測(cè)。目前對(duì)多步預(yù)測(cè)主要采用兩種策略［13］：一種策略是采用遞歸單步預(yù)測(cè)方式進(jìn)行多步預(yù)測(cè)［14-15］，該方法的主要缺點(diǎn)是遞歸過(guò)程會(huì)造成誤差迅速累積，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度低；另一種策略是直接預(yù)測(cè)出后續(xù)多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)［16-17］，以向量形式輸出，該方法可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)距離遠(yuǎn)的點(diǎn)難收斂，產(chǎn)生發(fā)散?？紤]到太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)具有較好周期性，且數(shù)據(jù)沒(méi)有高頻動(dòng)態(tài)波動(dòng)，本文選用直接預(yù)測(cè)多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的多步預(yù)測(cè)方案。

目前深度學(xué)習(xí)在時(shí)序預(yù)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用研究中，LSTM 網(wǎng)絡(luò)是使用最廣泛的方法之一，但LSTM 在長(zhǎng)期依賴建模中，存在模型訓(xùn)練困難、模型訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)、梯度不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)（Temporal Convolutional Network，TCN）［18］是一種一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究表明基于卷積網(wǎng)絡(luò)的方法已在音頻合成［19］、單詞語(yǔ)言建模［20-21］、機(jī)器翻譯［22］等領(lǐng)域取得優(yōu)良效果。相比于LSTM，TCN 具有更穩(wěn)定的梯度、靈活的感受野和訓(xùn)練時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選用TCN 作為特征提取網(wǎng)絡(luò)。另外考慮到TCN 網(wǎng)絡(luò)在多步預(yù)測(cè)任務(wù)中，存在數(shù)據(jù)變化程度高處模型特征表征能力不足的問(wèn)題，本文采用SENet［23］中的通道注意力機(jī)制對(duì)TCN 進(jìn)行改進(jìn)，以增強(qiáng)TCN 網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)信號(hào)

本文研究對(duì)象為衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)信號(hào)。因衛(wèi)星上的溫度傳感器埋點(diǎn)位置不同，不同衛(wèi)星上的溫度遙測(cè)信號(hào)存在一定差異。如圖1（a）所示為2 顆衛(wèi)星上的4 組溫度延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)。從圖中可知，4 組溫度數(shù)據(jù)都具有周期性且總體趨勢(shì)一致，但不同溫度數(shù)據(jù)的幅值大小及變化規(guī)律各有不同。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的泛化能力，能高效地對(duì)同類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行處理，可通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，而不用對(duì)每組溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)建模。

本文選用的溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)包含部分噪聲以及異常值，如圖1（b）所示。因此，本文采用結(jié)合箱型法、多項(xiàng)式擬合及高斯窗函數(shù)濾波3 種方法對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)的主要變化趨勢(shì)，預(yù)處理結(jié)果如圖1（c）所示。根據(jù)文獻(xiàn)［24］表述的電池陣物理模型及仿真結(jié)果可知，本文對(duì)電池陣遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理而導(dǎo)致輕微信息丟失，對(duì)本文任務(wù)無(wú)明顯影響。

圖1 數(shù)據(jù)清洗結(jié)果Fig.1 Data cleaning results

1.2 TCN 網(wǎng)絡(luò)原理

TCN 是一種一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于時(shí)序數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)領(lǐng)域。TCN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包含4 個(gè)部分，分別為因果卷積、膨脹卷積、殘差模塊、一維全卷積。

1.2.1 因果卷積

因果卷積是一種嚴(yán)格的時(shí)間約束模型，TCN 使用因果卷積來(lái)使輸入和輸出保持因果關(guān)系，保證不會(huì)出現(xiàn)未來(lái)信息泄漏的現(xiàn)象。設(shè)模型輸入為x={x0，x1，x2，…，xt，…，xT-2，xT-1，xT}，輸出為y={y0，y1，y2，…，yt，…yT-2，yT-1，yT}，因果卷積使t時(shí)刻的輸出yt僅與xt及其之前時(shí)刻數(shù)據(jù)有關(guān)，與xt之后數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)，因果卷積如圖2 所示。

圖2 因果膨脹卷積Fig.2 Dilated causal convolution

1.2.2 膨脹卷積

對(duì)于一維時(shí)序數(shù)據(jù)輸入x，濾波器為f：{0，1，…，k-1} →R，空洞卷積在t時(shí)刻的卷積結(jié)果為

式中：d為膨脹因子；K為濾波器大小。

膨脹因子的引入相當(dāng)于濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了等間隔采樣，膨脹卷積如圖2 所示。

每層卷積層的感受野計(jì)算公式為

由式（2）可知，感受野的大小可通過(guò)改變膨脹因子d和濾波器大小K的值來(lái)調(diào)整，可靈活擴(kuò)大感受野來(lái)延長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)建模長(zhǎng)度，通常第i層的膨脹因子大小為

1.2.3 殘差模塊

1 個(gè)殘差模塊包含2 層因果膨脹卷積層和非線性變換層，并使用正則化技術(shù)來(lái)降低過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)。為防止網(wǎng)絡(luò)過(guò)深導(dǎo)致出現(xiàn)梯度消失現(xiàn)象，TCN 在殘差塊中引入殘差連接［25］，跨層連接的恒等映射使網(wǎng)絡(luò)能以跨層的方式傳遞信息，使網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行深層擴(kuò)展。

1.2.4 一維全卷積

TCN 使用一維全卷積［26］結(jié)構(gòu)來(lái)約束隱藏層，使其產(chǎn)生與輸入層等長(zhǎng)的序列，使模型能夠保留輸入序列的所有信息，有利于構(gòu)建長(zhǎng)期記憶，提高預(yù)測(cè)性能。

1.3 SE 注意力機(jī)制模塊原理

SENet是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的一種網(wǎng)絡(luò)模型，其中包含1 個(gè)通道注意力模塊，即Sequeeze-and-Excitation模塊（SE 模塊）。SE 模塊可學(xué)習(xí)特征通道之間的相關(guān)性，對(duì)每個(gè)特征通道賦予一個(gè)權(quán)重，使模型更加關(guān)注那些具有關(guān)鍵特征的通道，抑制那些具有非關(guān)鍵特征的通道，這樣有利于提高模型特征提取能力。SE 模塊計(jì)算量小，很適合嵌入到各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中。SE 模塊作為一種注意力機(jī)制，主要包含3 個(gè)步驟：Sequeeze 過(guò) 程、Excitation 過(guò)程和Reweight 過(guò)程。

Sequeeze 過(guò)程指對(duì)通道進(jìn)行全局池化，將整個(gè)空間特征編碼為1 個(gè)全局特征。Excitation 過(guò)程指通過(guò)全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性變換功能，學(xué)習(xí)特征通道間的相關(guān)性，以獲取各通道的重要性權(quán)重系數(shù)。Reweight 過(guò)程是將權(quán)重系數(shù)加權(quán)到對(duì)應(yīng)特征通道上，完成對(duì)不同通道重要性的重標(biāo)定。

2 SE-TCN 模型異常檢測(cè)方法

2.1 SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型

由1.1 節(jié)可知，太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)的主要趨勢(shì)具有較嚴(yán)格的周期性，每個(gè)周期在溫度較高處變化平緩，且周期間的溫度變化略有差異，同時(shí)每個(gè)周期存在2 個(gè)溫度變化迅速的邊沿，形態(tài)變化較大。

TCN 網(wǎng)絡(luò)在溫度信號(hào)從平緩變化轉(zhuǎn)換到快速上升或者快速下降的過(guò)程中，存在模型表征能力不足現(xiàn)象，導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)信號(hào)波動(dòng)起伏，最終影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。鑒于該問(wèn)題，本文引入SENet 中的通道注意力機(jī)制，對(duì)TCN 進(jìn)行改進(jìn)，使模型在信號(hào)形態(tài)變化較大處，能有選擇性地關(guān)注具有關(guān)鍵信息的通道，加強(qiáng)模型的特征表達(dá)能力。

TCN 網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)殘差塊疊加構(gòu)成，本文對(duì)每層殘差塊后引入SE 模塊作為該殘差塊的注意力機(jī)制。由于溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)上下幅值差值較大，且在信號(hào)邊沿變化迅速，本文在原有SE 模塊中僅使用全局平均池化的基礎(chǔ)上加入全局最大池化，通過(guò)全局最大池化提取出全局最大信號(hào)特征，有利于模型獲取信號(hào)的最值，加強(qiáng)SE 模塊對(duì)全局特征的表達(dá)能力，SE-TCN 殘差塊如圖3 所示。

圖3 SE-TCN 殘差塊Fig.3 SE-TCN residual block

SE 模塊通道注意力機(jī)制工作流程如下：

隨著SE-TCN 殘差塊的疊加，最后1 個(gè)殘差塊的輸出包含了最符合輸入信號(hào)特征信息的特征通道，使模型的特征表達(dá)能力得到加強(qiáng)。SE-TCN 預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 SE-TCN network model

2.2 衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)流程

對(duì)太陽(yáng)能電池陣溫度的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)，分為2 個(gè)過(guò)程，分別為離線訓(xùn)練過(guò)程和在線異常檢測(cè)過(guò)程，過(guò)程的流程圖如圖5所示。

圖5 SE-TCN 模型異常檢測(cè)Fig.5 Anomaly detection of SE-TCN model

離線訓(xùn)練過(guò)程：1）對(duì)歷史遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值剔除和濾波，獲取溫度信號(hào)的主要變化趨勢(shì)；2）對(duì)預(yù)處理后的太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)降采樣處理；3）使用滑窗法生成模型所需的輸入輸出數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)集；4）使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對(duì)SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)做離線訓(xùn)練。

在線異常檢測(cè)過(guò)程：1）加載離線訓(xùn)練階段訓(xùn)練好的SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型；2）使用昨天測(cè)控弧段遙測(cè)數(shù)據(jù)作為模型輸入，使用模型外推至當(dāng)前入境時(shí)的數(shù)據(jù)作為理想數(shù)據(jù)；3）對(duì)信號(hào)做插值處理恢復(fù)到原始采樣頻率；4）依據(jù)太陽(yáng)能電池陣溫度數(shù)據(jù)濾波前后方差，及預(yù)測(cè)值與原始值之間的方差確定異常點(diǎn)檢測(cè)閾值，并以預(yù)測(cè)值變化趨勢(shì)確定趨勢(shì)異常檢測(cè)閾值；5）使用閾值法對(duì)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常點(diǎn)檢測(cè)及趨勢(shì)異常檢測(cè)。

2.3 閾值生成

復(fù)雜的太空環(huán)境及傳感器硬件性能帶來(lái)的影響，使遙測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)帶有一定的噪聲。同時(shí)考慮到預(yù)處理過(guò)程中，會(huì)使遙測(cè)數(shù)據(jù)損失小部分對(duì)主要趨勢(shì)無(wú)明顯影響的信息，因此閾值需對(duì)此部分信息做冗余處理。對(duì)太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)窗口方法獲取，窗口大小為信號(hào)周期長(zhǎng)度，計(jì)算出窗口內(nèi)數(shù)據(jù)濾波前后方差大小，結(jié)果如圖6（a）所示。從圖中可看出，濾波前后方差較小，最大值在1.3 左右，均值為0.5。

在時(shí)序數(shù)據(jù)多步預(yù)測(cè)任務(wù)中，模型預(yù)測(cè)值和真實(shí)值間會(huì)存在一定誤差，同時(shí)由于本文任務(wù)中多步預(yù)測(cè)值過(guò)多，出現(xiàn)模型發(fā)散，導(dǎo)致預(yù)測(cè)值和真實(shí)值間產(chǎn)生相位差。鑒于該問(wèn)題對(duì)溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)的影響，本文采用加窗的計(jì)算誤差方式取代傳統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)計(jì)算誤差方式，統(tǒng)計(jì)誤差方差大小如圖6（b）所示。從圖中以看出，預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的方差主要集中在0.5～0.7 之間。

圖6 數(shù)據(jù)方差統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistical chart of data variance

令σ1為濾波前后方差，σ2為預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間方差，參數(shù)κ1控制σ1倍數(shù)，參數(shù)κ2控制σ2倍數(shù)，則異常點(diǎn)檢測(cè)門(mén)限上限TU(t)和下限TL(t)分別為

判斷原始遙測(cè)序列s(t)的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)異常與否的條件是：預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的偏差是否在異常檢測(cè)門(mén)限的上下限內(nèi)，若不在上下限限定的門(mén)限值內(nèi)即為異常值，即

溫度信號(hào)變化趨勢(shì)是溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)的一個(gè)重要特征，趨勢(shì)異常是電池陣溫度信號(hào)產(chǎn)生異常的表現(xiàn)形式之一。本文采用2.4 節(jié)3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)異常檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)?shù)孛鏈y(cè)控站獲取到實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)分別計(jì)算出預(yù)測(cè)值和實(shí)時(shí)遙測(cè)值的3 個(gè)指標(biāo)數(shù)值，并按照如下公式作為趨勢(shì)異常檢測(cè)判定標(biāo)準(zhǔn)：

2.4 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

為評(píng)價(jià)SE-TCN 模型的性能，本文引入回歸任務(wù)中常用評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為平均絕對(duì)誤差MAE、均方根誤差RMSE 和相關(guān)系數(shù)R。本文多步預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)點(diǎn)過(guò)多，導(dǎo)致模型出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，因此對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)做相應(yīng)修改以消除因模型發(fā)散出現(xiàn)的相位差影響：

式中：EMA為平均絕對(duì)誤差MAE；ERMS為均方根誤差RMSE；y?t、yt分別為t時(shí)刻的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值；k為窗口大小；N為測(cè)試集樣本大小。其中，EMA和ERMS越小代表模型性能越好，R越大代表模型性能越好。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本實(shí)驗(yàn)是基于Windows 操作系統(tǒng)，深度學(xué)習(xí)框架選用Keras 計(jì)算框架，CPU為Intel I5-4200 H，2.80 GHz，Tensor flow為1.13.1 版本，Keras為2.3.1版本。本實(shí)驗(yàn)采用CPU 進(jìn)行模型訓(xùn)練和測(cè)試。

本文選用的太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)信號(hào)的采樣頻率為0.125 Hz，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到數(shù)據(jù)的主要趨勢(shì)頻率為采樣頻率的1 000 倍。根據(jù)采樣定理，可以對(duì)其進(jìn)行20 倍的降采樣，降采樣后可以有效降低輸入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)深度，加快訓(xùn)練速度。

3.1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及本文研究背景，對(duì)SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型部分參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。序列輸入長(zhǎng)度500，設(shè)置膨脹因子2，本文通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濾波器大小為5 時(shí)效果最好。根據(jù)1.1 節(jié)感受野計(jì)算公式可知，需要7 層SE-TCN 殘差塊網(wǎng)絡(luò)深度對(duì)溫度信號(hào)時(shí)序長(zhǎng)度進(jìn)行建模。

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型和傳統(tǒng)TCN 網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)表2。表中可見(jiàn)，SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于TCN 網(wǎng)絡(luò)在3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上有不同程度的提升，其中EMA降低了7.7%，ERMS降低了5.2%，R提高了0.4%。SE 模塊是1 個(gè)輕量級(jí)模塊，SE-TCN網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于TCN 網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)只增加了828 個(gè)，增加量占比約0.025%，增加的計(jì)算量極其微小，因此SE 模塊的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)于總計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)可忽略不計(jì)。但SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)在增加極小計(jì)算量的情況下取得了較大的性能提升，因?yàn)镾E 模塊能通過(guò)非線性變換，從特征通道中篩選出具有關(guān)鍵信息的通道，加大其對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響所占權(quán)重，實(shí)現(xiàn)提高模型的特征提取能力。該結(jié)果證明了SE 模塊在TCN 上作用的有效性，可提高模型預(yù)測(cè)精度。

表2 模型對(duì)比Tab 2 Comparison of models

一次預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7 所示。從圖中曲線可以看出，SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)效果更接近實(shí)際值，且每個(gè)周期的數(shù)據(jù)變化處更加平滑，數(shù)據(jù)波動(dòng)比TCN網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型結(jié)果更小，具有更小的數(shù)據(jù)偏差，該結(jié)果再次體現(xiàn)出SE 模塊發(fā)揮了良好作用。但隨著預(yù)測(cè)步長(zhǎng)的增加，TCN 網(wǎng)絡(luò)和SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)都出現(xiàn)了發(fā)散現(xiàn)象，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值相比較出現(xiàn)了相位偏差，但相位差較小且數(shù)據(jù)趨勢(shì)依舊和原始數(shù)據(jù)保持一致，該預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)于衛(wèi)星入境時(shí)溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)異常檢測(cè)仍具有很大的指導(dǎo)意義，可通過(guò)判斷信號(hào)變化趨勢(shì)來(lái)判斷是否發(fā)生趨勢(shì)異常。

圖7 預(yù)測(cè)結(jié)果圖Fig.7 Forecast result chart

本文按照2.3 節(jié)方法設(shè)定閾值，根據(jù)方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果取σ1=0.8，σ2=0.8，令κ1=κ2=3，由式（8）和式（9）確定異常點(diǎn)檢測(cè)上下閾值大小，如圖8 所示。當(dāng)衛(wèi)星入境時(shí)，可快速定位對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)與閾值比較，按照式（10）對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常點(diǎn)檢測(cè)。對(duì)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的預(yù)測(cè)值計(jì)算EMA、ERMS和R3 個(gè)指標(biāo)，并按照式（11）對(duì)太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)異常檢測(cè)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果符合式（11）時(shí)，視為趨勢(shì)正常，反之則為趨勢(shì)異常。

圖8 上下閾值圖Fig.8 Upper and lower threshold graph

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能電池陣溫度異常檢測(cè)是衛(wèi)星健康管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，針對(duì)衛(wèi)星入境時(shí)太陽(yáng)能電池陣溫度遙測(cè)信號(hào)無(wú)法快速進(jìn)行異常檢測(cè)的問(wèn)題，本文提出了一種SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在本任務(wù)中，加入通道注意力機(jī)制后的SE-TCN 網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)TCN 網(wǎng)絡(luò)，在平均絕對(duì)誤差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上均有不同程度的提升。太陽(yáng)能電池陣溫度受多方面因素影響，后續(xù)研究將考慮引入其他遙測(cè)參量來(lái)輔助模型對(duì)溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)推斷，提高模型的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)該方法可推廣到其他具有周期性的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)任務(wù)中。