利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行柴油機(jī)磨損故障監(jiān)測

胡浩帆

（中遠(yuǎn)海運特種運輸股份有限公司，廣州 510623）

1 前言

由于柴油機(jī)運轉(zhuǎn)部件表面之間的相對運動，將不可避免地導(dǎo)致部件的磨損，并且磨損量將隨著時間而逐漸增加，對柴油發(fā)動機(jī)部件的磨損狀況進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報，可提高其運行可靠性。《油液分析在船用動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用》中，描述了油液分析技術(shù)對船用動力系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的方法；《基于光譜-鐵譜分析的航空發(fā)動機(jī)磨損故障診斷應(yīng)用研究》中，提出了通過對滑油進(jìn)行光譜分析能夠發(fā)現(xiàn)監(jiān)測油樣中的超標(biāo)元素，對滑油光譜分析與機(jī)械故障間的關(guān)系進(jìn)行了研究。但是尚未有結(jié)合滑油成分含量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對柴油機(jī)零件的磨損狀況進(jìn)行分析的理論與方法。本文基于對柴油機(jī)潤滑油的光譜分析法，通過工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析柴油機(jī)零件的磨損狀況。

2 基于滑油效能的磨損監(jiān)測技術(shù)

潤滑油帶有大量的柴油機(jī)內(nèi)部零部件磨損信息，通過對滑油效能的分析可以間接的判斷零部件的磨損狀況，監(jiān)控和預(yù)測其磨損故障；針對零部件磨損問題的油液分析，可以采用滑油光譜分析、自動磨粒分析、滑油鐵譜分析以及掃描電子顯微鏡—能譜分析，這些方法各具優(yōu)缺點。

磨損監(jiān)測框圖，如圖1所示。

圖1 磨損監(jiān)測功能圖

3 柴油機(jī)磨損故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為例子。網(wǎng)絡(luò)輸入一個長度為N的向量，經(jīng)過加乘權(quán)值后輸出一個長度為J的向量；每一層的輸入和輸出用x和y表示，輸入層第一個神經(jīng)元的輸入可以表示為x1N，網(wǎng)絡(luò)的輸出為：

3.2 故障診斷流程及原理

采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對滑油數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。診斷柴油機(jī)磨損故障的關(guān)鍵，是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。其訓(xùn)練過程為：利用已知數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在達(dá)到設(shè)定值后訓(xùn)練結(jié)束，構(gòu)建故障向量與其特征值之間非線性映射，完成對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；然后將待測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后輸入到已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)中，得出一組輸出向量，再與不同故障的特征向量對比分析，可實現(xiàn)對故障類型的診斷。故障診斷流程圖，如圖2所示。

圖2 故障診斷流程圖

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）在設(shè)計BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型前，需首先確定網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，該問題尚未有明確的選擇方法或選擇體系。但已知，任何區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)，均可通過單隱含層的BP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建擬合模型，單隱含層的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可完成X維到Y(jié)維映射的功能。

樣本數(shù)量十分龐大，增加一個隱含層對縮減神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模會有十分顯著的效果。精準(zhǔn)對柴油機(jī)磨損故障的診斷，樣本數(shù)量應(yīng)適中，本文選擇構(gòu)建單一隱含層的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（2）輸入層節(jié)點數(shù)往往由輸入向量的維數(shù)決定，與網(wǎng)絡(luò)所解決的實際問題密切相關(guān)。本文通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建滑油效能數(shù)據(jù)與柴油機(jī)運行狀況的非線性映射，由于輸入的每個向量都由19個元素構(gòu)成，所以得出的特征向量均為19維向量，由此可確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點數(shù)為19。

輸出層神經(jīng)元的個數(shù)同樣依賴于對實際問題的分析。在模式分類中，輸出神經(jīng)元個數(shù)通常與類別數(shù)量相同，故本文中輸出神經(jīng)元個數(shù)設(shè)為1。

（3）隱含層節(jié)點數(shù)的確定

隱含層節(jié)點數(shù)選擇的合理性，對BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的影響十分巨大。較多的隱含層節(jié)點數(shù)，可以顯著的提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)度，但同時會使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間加長；節(jié)點數(shù)較少，其診斷則誤差較大。

確定隱含層節(jié)點數(shù)的方法，是依靠經(jīng)驗公式得出一個估計值，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行反復(fù)測試，確定可以使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到理想準(zhǔn)度的節(jié)點數(shù)。本文選用的經(jīng)驗公式為：

根據(jù)公式（12），歸一化處理后可將待輸入數(shù)據(jù)限定在[0,1]之間。

（5）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建函數(shù)的選擇

針 對newff、feedforwardnet、newcf、cascadeforwardnet四種函數(shù)，分別構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并進(jìn)行模擬，得到四組不同的收斂過程和收斂曲線，比較四種函數(shù)所構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迭代次數(shù)以及誤差。

為保證四種函數(shù)訓(xùn)練所得網(wǎng)絡(luò)的可比性，均采用同一組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練函數(shù)均采用trainbfg函數(shù)、學(xué)習(xí)函數(shù)為learngdm、性能函數(shù)采用mse函數(shù)，最大迭代次數(shù)為500次，誤差值設(shè)為0.000 1、學(xué)習(xí)率為0.01。比較結(jié)果，如表1所列。

表1 不同構(gòu)建函數(shù)對應(yīng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中四種函數(shù)來看，本文選用feedforwardnet函數(shù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖4 誤差分析

3.5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷

利用一系列數(shù)據(jù)，檢驗本文設(shè)計的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際診斷效果。根據(jù)診斷結(jié)果，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測診斷后，決定系數(shù)R均在0.85以上，證明本文所構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以較精確地依據(jù)滑油效能數(shù)據(jù)診斷柴油機(jī)磨損故障。

4 柴油機(jī)磨損故障診斷模擬系統(tǒng)

4.1 轉(zhuǎn)化Simulink

為了實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及仿真過程的可視化，將Matlab中訓(xùn)練成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在Simulink中以模塊的形式輸出。

4.2 系統(tǒng)的構(gòu)建

利用Simulink中Random Number模塊模擬真實滑油效能數(shù)據(jù)，組成一個有19個元素構(gòu)成的向量作為待測數(shù)據(jù)，這19個向量分別對應(yīng)滑油中Fe、Cr、Pb以及水分等元素的含量.在構(gòu)建Random Number模塊時，設(shè)置各種元素含量在正常范圍內(nèi)。

采用GUI構(gòu)建系統(tǒng)界面。為保證系統(tǒng)可對某一元素超出正常范圍進(jìn)行模擬，在Random Number模塊前插入constant值改變輸出值，將界面按鈕與模塊連接，實現(xiàn)GUI對Simulink模塊中的constant的參數(shù)控制，達(dá)到模擬故障數(shù)據(jù)的目的。

5 結(jié)束語

基于滑油效能對柴油機(jī)零件磨損狀況進(jìn)行研究，依據(jù)基于效能數(shù)據(jù)結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過監(jiān)測診斷柴油機(jī)運行狀況對其零件磨損狀況做出判斷，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以較精確地依據(jù)滑油效能數(shù)據(jù)診斷柴油機(jī)磨損故障，構(gòu)建柴油機(jī)零件磨損情況診斷模擬系統(tǒng)，對通過滑油效能研究柴油機(jī)零件磨損情況的仿真模擬提供幫助。