基于差分隱私的航空發(fā)動機(jī)喘振故障檢測

岑 鵬，鄭德生，陸 超

(1.西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)空間安全研究中心，成都 610500；2.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621000)

1 引言

航空發(fā)動機(jī)喘振故障是一種常見的發(fā)動機(jī)故障，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)部件劇烈振動和熱端超溫，影響發(fā)動機(jī)性能，甚至造成發(fā)動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，是發(fā)動機(jī)所有故障中最具危險(xiǎn)性的一種。因此，在發(fā)動機(jī)喘振初期被及時(shí)檢測出從而采取消喘措施，能有效避免因喘振引發(fā)的飛行事故。

目前關(guān)于喘振故障預(yù)測方法的研究呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。劉林剛等提出一種基于支持向量機(jī)的航空發(fā)動機(jī)振動預(yù)測模型，將故障檢測與機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來提升診斷率。曹惠玲等提出一種基于最小二乘支持向量機(jī)回歸模型的航空發(fā)動機(jī)喘振故障診斷方法，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，根據(jù)模型監(jiān)控低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、壓比和燃油流量預(yù)測值與真實(shí)值的相對誤差率來分析喘振故障。為解決傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法準(zhǔn)確率低的問題，Luo等提出了基于長短時(shí)記憶(LSTM)時(shí)間序列的故障檢測模型，不需要手動提取數(shù)據(jù)特征，模型準(zhǔn)確率達(dá)93.6%。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)模型在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，研究人員往往在追求模型效果時(shí)忽略了對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的保護(hù)。差分隱私是由Dwork于2006年提出的一種為個(gè)人隱私提供保護(hù)的方法。它是一種密碼學(xué)的手段，旨在提供一種當(dāng)從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫中查詢時(shí)，在保證數(shù)據(jù)查詢準(zhǔn)確性的同時(shí)，最大限度地減少識別其記錄的機(jī)會。航空發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集不同，其具有極高的敏感性與隱私性。利用具有差分隱私的隨機(jī)梯度下降算法來訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠極大地保護(hù)數(shù)據(jù)隱私?；诖?，本文提出了具有差分隱私技術(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(DP-CNN模型)，在提高航空發(fā)動機(jī)喘振故障檢測性能的同時(shí)，能保護(hù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，最大程度保證數(shù)據(jù)安全。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一類包含卷積運(yùn)算且具有深度結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由卷積層、池化層及全連接層組成。卷積層的目的是學(xué)習(xí)輸入的特征表示，負(fù)責(zé)對輸入對象的每一個(gè)特征進(jìn)行局部感知和挖掘，然后在更高層次上對局部特征信息進(jìn)行綜合操作，如圖1左半部分所示，從而得到全局信息，因此其主要用于對輸入對象特征的深度挖掘。卷積運(yùn)算計(jì)算公式為：

圖1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖[10]Fig.1 Schematic diagram of convolutional neural network

式中：W、b分別表示第層網(wǎng)絡(luò)卷積核權(quán)重和偏置，X為第層神經(jīng)元的輸入，Z為第層卷積操作的輸出。

在卷積運(yùn)算后加入激活函數(shù)來解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性問題，能很好地彌補(bǔ)線性模型的表達(dá)能力，將激活的神經(jīng)元特征保留映射到下一層網(wǎng)絡(luò)，如公式(2)所示。

池化層主要負(fù)責(zé)對卷積層挖掘的特征做下采樣操作，也就是對特征做降維操作，通過降低特征圖的維度來實(shí)現(xiàn)平移不變性。池化層通常放在兩個(gè)卷積層之間，其計(jì)算公式為：

前述方法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播過程，損失函數(shù)反應(yīng)了預(yù)測值和真實(shí)值的偏離程度。本文采用的損失函數(shù)為交叉熵?fù)p失函數(shù)，其定義為：

最小化損失函數(shù)來提高模型的準(zhǔn)確率，常用的方法是隨機(jī)梯度算法。每次迭代過程中隨機(jī)選取一個(gè)批量樣本來計(jì)算梯度，并沿著梯度最小的方向更新權(quán)重。

2.2 差分隱私技術(shù)

差分隱私算法以相鄰數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，而相鄰數(shù)據(jù)集是指兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間只相差一條記錄。在此基礎(chǔ)上，如果在相鄰數(shù)據(jù)集上的查詢結(jié)果相近，那么相差的一條記錄的隱私就得到了保護(hù)。相鄰數(shù)據(jù)集的查詢結(jié)果越相似，則隱私保護(hù)力度越大。差分隱私的相關(guān)定義為：

定義1 對于一個(gè)隨機(jī)映射函數(shù)，、是兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)集，且函數(shù)的輸出∈，若算法滿足式(5)條件，則稱映射機(jī)制滿足(,)差分隱私。

式中：為差分隱私預(yù)算成本，代表隱私保護(hù)程度；為隱私被破壞的概率。越小表示隱私保護(hù)程度越高，實(shí)際運(yùn)用時(shí)其取值要結(jié)合具體需求來達(dá)到輸出結(jié)果安全性與可用性的平衡。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)差分隱私的方法是在訓(xùn)練過程中添加高斯噪聲。

定義2 衡量算法對添加噪聲的敏感程度，算法的全局敏感度定義如下：

定義3 高斯機(jī)制在于向算法中添加符合高斯分布的噪聲，定義如下：

差分隱私的組合性質(zhì)使得差分隱私可以用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：

(1) 并行組合性質(zhì)

如果有個(gè)算法,,…,k分別作用于數(shù)據(jù)集,,…,D且都滿足差分隱私，那么組合以后的算法也滿足差分隱私。

(2) 串行組合性質(zhì)

如果有個(gè)算法,,…,k都作用于一個(gè)數(shù)據(jù)集，且皆在數(shù)據(jù)集上滿足差分隱私，那么在執(zhí)行這些算法以后滿足相加的差分隱私。

3 喘振檢測模型設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用的數(shù)據(jù)集來自于發(fā)動機(jī)在不同場景(失速，畸變，起動等)下通過實(shí)驗(yàn)收集到的傳感器數(shù)據(jù)。傳感器分布在發(fā)動機(jī)核心部位，對所有傳感器數(shù)據(jù)取6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合發(fā)動機(jī)喘振的生成機(jī)理和實(shí)際數(shù)據(jù)分析，在表示人為控制發(fā)動機(jī)油門桿狀態(tài)的傳感器平穩(wěn)的情況下，壓氣機(jī)出口總壓傳感器數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)突變和劇烈抖動的這段區(qū)間為故障區(qū)間。依據(jù)這一規(guī)則，完成故障點(diǎn)和正常點(diǎn)的收集。由于傳感器數(shù)據(jù)的性質(zhì)不同，通常具有不同的量綱和數(shù)量級。當(dāng)各數(shù)值間的水平相差很大時(shí)，如果直接用原始指標(biāo)值進(jìn)行分析，就會造成梯度爆炸。為此，采用了-sc ore標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

式中：為標(biāo)準(zhǔn)化后的值，為原始數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)均值，?為方差。

3.2 差分隱私隨機(jī)梯度算法

為了在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)差分隱私技術(shù)，常用的方法是在隨機(jī)梯度下降算法中加入擾動。本文采用Abadi等提出的一種差分隱私隨機(jī)梯度下降算法。該算法是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播過程中更新參數(shù)時(shí)添加噪聲來達(dá)到隱私保護(hù)的目的，最終計(jì)算出差分隱私預(yù)算成本。計(jì)算梯度之后進(jìn)行梯度裁剪，是為了防止由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度過深而引起梯度爆炸的操作，將每次迭代過程中的梯度限制在閾值內(nèi)可以解決這種情況。梯度裁剪后加入符合高斯分布的噪聲使得算法具有隱私保護(hù)，接著進(jìn)行梯度更新。算法過程如表1所示。

表1 差分隱私隨機(jī)梯度下降算法Table 1 Differential privacy stochastic gradient descent algorithm

3.3 評估指標(biāo)

為了評估分類模型性能，使用準(zhǔn)確率、召回率、1-sc ore和差分隱私預(yù)算成本等評估指標(biāo)，對故障檢測模型的整體能力進(jìn)行評估。

式中：表示將正類預(yù)測為正類的個(gè)數(shù)，即預(yù)測喘振故障正確的個(gè)數(shù)；表示將負(fù)類預(yù)測為正類的個(gè)數(shù)，即預(yù)測正常狀態(tài)錯(cuò)誤的個(gè)數(shù)；表示將正類預(yù)測為負(fù)類的個(gè)數(shù)，即預(yù)測喘振故障錯(cuò)誤的個(gè)數(shù)；為準(zhǔn)確率，表示模型能夠準(zhǔn)確檢測故障的能力；re cal l 為召回率，表示能夠?qū)颖局兴写窆收蠘颖救空页鰜淼哪芰Γ?-sc ore表示模型性能的綜合能力。為評估模型的隱私保護(hù)程度，使用作為評價(jià)指標(biāo)，采用Mironov提出的時(shí)刻會計(jì)方法計(jì)算。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與數(shù)據(jù)集

采用開源框架Tensorflow2.0，Python版本為3.7，搭建在Windows10 操作系統(tǒng)下。處理器型號為Intel i5，顯卡型號為GTX1060Ti。

在數(shù)據(jù)集方面，以不同航空發(fā)動機(jī)在失速、畸變、起動等多個(gè)場景下通過實(shí)驗(yàn)獲得的51組總共30萬條左右的傳感器數(shù)據(jù)作為本文模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按訓(xùn)練集、測試集比例分為7∶3。運(yùn)用上文提到的DP-CNN 模型對發(fā)動機(jī)喘振故障進(jìn)行診斷。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別采用=1，2，3的隱私保護(hù)程度進(jìn)行準(zhǔn)確率對比，選擇出準(zhǔn)確率和隱私保護(hù)程度較高的參數(shù)，結(jié)果如圖2 所示。從圖中可看出，隨著隱私保護(hù)程度的下降，準(zhǔn)確率呈上升趨勢。=1 時(shí)，準(zhǔn)確率為85.6%；=2 時(shí)，準(zhǔn)確率為95.7%；=3 時(shí)，準(zhǔn)確率為96.0%。但實(shí)際運(yùn)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)在模型的準(zhǔn)確率和隱私保護(hù)程度上進(jìn)行平衡。據(jù)此可以得出=2時(shí)模型在隱私保護(hù)程度和準(zhǔn)確率上平衡效果較好，因此=2 為最佳參數(shù)。下面采用=2 的DP-CNN 模型與其他模型進(jìn)行對比。

圖2 不同隱私保護(hù)程度下的準(zhǔn)確率Fig.2 Accuracy under different levels of privacy protection

為整體評估DP-CNN 模型，將該模型與目前幾種主流的故障檢測模型(支持向量機(jī)(SVM)，長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)，多層感知器(MLP))在準(zhǔn)確率、召回率和1-sc ore上進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示?？梢?，DP-CNN 模型在準(zhǔn)確率、召回率和1-sc ore指標(biāo)上分別達(dá)到了95.3%，94.6%，96.5%，比其他幾種故障檢測模型的準(zhǔn)確率更高，泛化能力更好，并且該模型同時(shí)具有=2的隱私保護(hù)程度。該模型在對航空發(fā)動機(jī)喘振故障診斷的有效性十分突出，并且具備良好的安全性。

表2 不同故障檢測模型結(jié)果比較Table 2 Comparison of results of different fault detection models

5 結(jié)論

針對航空發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)具有敏感的特性，提出了具有差分隱私技術(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在航空發(fā)動機(jī)真實(shí)數(shù)據(jù)集上對該模型進(jìn)行的多方位驗(yàn)證表明，此模型在準(zhǔn)確率、召回率和1-sc ore指標(biāo)上，均優(yōu)于主流的支持向量機(jī)、長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)、多層感知器等故障檢測模型。另外，該模型具有=2 的隱私保護(hù)程度，能很好地保護(hù)模型，即使攻擊者知道了數(shù)據(jù)集中的其他數(shù)據(jù)也無法推出剩余數(shù)據(jù)，在實(shí)際部署中具有很好的實(shí)用價(jià)值。