基于深度學(xué)習(xí)算法的船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)研究

何一芥，王 波

(武漢晴川學(xué)院 北斗學(xué)院，湖北 武漢 430204)

0 引 言

隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源具有重量輕、效率高、小型化和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于船舶供電系統(tǒng)中。供電系統(tǒng)是船舶航行的基礎(chǔ)，電源是供電系統(tǒng)中的重要元件[1]。高頻開(kāi)關(guān)型電源具有較高的集成可靠性，保護(hù)性能高。高頻開(kāi)關(guān)電源采用軟件控制，具有高精度、高可靠性、高經(jīng)濟(jì)性以及高效的特點(diǎn)[2]，維持在可靠穩(wěn)定的工作狀態(tài)。半導(dǎo)體功率器件和磁性元件的不斷發(fā)展，決定了開(kāi)關(guān)電源的高頻使用性能。高頻電源變換電路，是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心[3]。高頻電路為交流電源產(chǎn)生多路、具有較高穩(wěn)定性的直流電壓提供基礎(chǔ)。

深度學(xué)習(xí)算法是近年來(lái)廣泛應(yīng)用于狀態(tài)檢測(cè)中的重要算法。狀態(tài)檢測(cè)過(guò)程中的特征提取性能，對(duì)于狀態(tài)檢測(cè)精度影響較高[4]。

目前已有眾多學(xué)者研究船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)。吳健等[5]針對(duì)供電系統(tǒng)中鋰離子電池的高頻部分引入分?jǐn)?shù)階理論，構(gòu)建了鋰離子電池的等效電路模型。所構(gòu)建的高頻等效電路模型，作為船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)，提升高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)性能。岳改麗等[6]為了降低高頻諧振驅(qū)動(dòng)電路損耗，將高頻電路的耗能元件利用儲(chǔ)能元件代替，分析高頻電路的工作模態(tài)，依據(jù)電感取值原則降低高頻電路的電壓振蕩以及驅(qū)動(dòng)電路損耗。以上方法雖然可以檢測(cè)高頻電路工作狀態(tài)，但是存在檢測(cè)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，檢測(cè)實(shí)時(shí)性較差的缺陷。本文研究基于深度學(xué)習(xí)算法的船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)方法，利用深度學(xué)習(xí)算法檢測(cè)船用高頻電路工作狀態(tài)。

1 船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)

1.1 船用隔離式高頻開(kāi)關(guān)的高頻電路分析

船用隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。由圖1 可知，船用隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源中設(shè)置了濾波器，利用濾波器整流濾波高頻開(kāi)關(guān)電源中的高頻開(kāi)關(guān)元件。通過(guò)高頻變壓器，輸出整流濾波PWM 控制邏輯輔助電路。交流電壓通過(guò)濾波電路和整流電路處理后，轉(zhuǎn)化為包含脈動(dòng)電壓成分的直流電壓，并轉(zhuǎn)換高頻開(kāi)關(guān)電源的高頻變換部分。設(shè)置高頻功率開(kāi)關(guān)組件作為高頻變換部分的核心，調(diào)節(jié)輸出電壓，保障輸入電流與輸出負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)，仍然存在穩(wěn)定的輸出電壓。選取脈沖寬度調(diào)制器電路，采樣輸出電壓[7]。將采樣結(jié)果傳送至控制電路中，控制電路對(duì)比基準(zhǔn)電壓以及電壓采樣結(jié)果，調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)組件的占空比，通過(guò)調(diào)整輸出電壓實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制的功能。

圖1 船用隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of marine isolated high frequency switching power supply

1.2 深度受限玻爾茲曼機(jī)的特征提取

深度受限玻爾茲曼機(jī)是深度學(xué)習(xí)算法中的高效算法，是一種對(duì)稱鏈接的無(wú)自反饋的隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。用m與n分別表示受限玻爾茲曼機(jī)可見(jiàn)層以及隱含層的單元數(shù)量，H與V分別表示可見(jiàn)層單元以及隱含層單元的狀態(tài)向量。對(duì)于船用高頻電路工作狀態(tài)向量(v,h)，受限玻爾茲曼機(jī)能量表達(dá)式為：

依據(jù)能量函數(shù)公式，獲取船用高頻電路工作狀態(tài)向量(v,h)的聯(lián)合概率分布表達(dá)式如下：

式中，Z為θ的歸一化因子。

隱含層單元j的激活概率表達(dá)式如下：

式中，σ(x)為Sigmoid 激活函數(shù)，表達(dá)式如下：

受限玻爾茲曼機(jī)訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)不斷迭代更新，獲取參數(shù)θ的值。依據(jù)訓(xùn)練結(jié)果，確定受限玻爾茲曼機(jī)迭代的終止條件[8]。

設(shè)船用高頻電路工作狀態(tài)樣本數(shù)量為T(mén)，參數(shù)μ的最大似然函數(shù)表達(dá)式如下：

選取隨機(jī)梯度下降法求解l(μ)，獲取最優(yōu)參數(shù)μ。利用最優(yōu)參數(shù)將可見(jiàn)層數(shù)據(jù)映射至隱含層，該映射過(guò)程，即算法的自學(xué)習(xí)過(guò)程。通過(guò)以上過(guò)程，完成深度受限玻爾茲曼機(jī)的訓(xùn)練，確定受限玻爾茲曼機(jī)的參數(shù)。

對(duì)采集的原始船用高頻電路工作狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理后的樣本數(shù)據(jù)用V= (v1,v2, ···,vn)表示，將處理后的數(shù)據(jù)輸入受限玻爾茲曼機(jī)后，隱含層輸出的表達(dá)式如下：

Sigmoid 函數(shù)屬于非線性表達(dá)式，即輸入的船用高頻電路工作狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)Sigmoid 函數(shù)映射后，轉(zhuǎn)換為隱含層數(shù)據(jù)H=(h1,h2,···,hn)。將原始樣本數(shù)據(jù)通過(guò)非線性映射，轉(zhuǎn)化為另一種狀態(tài)，受限玻爾茲曼機(jī)可以挖掘船用高頻電路工作狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)的隱藏特征。將隱含層輸出數(shù)據(jù)H=(h1,h2,···,hn)作為另一個(gè)受限玻爾茲曼機(jī)的輸入，合并完成訓(xùn)練后的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)逐層訓(xùn)練方法，構(gòu)建船用高頻電路工作狀態(tài)特征提取的深層數(shù)據(jù)的非線性表達(dá)。

深度受限波爾茲曼機(jī)由兩層受限玻爾茲曼機(jī)組成，利用第1 層受限玻爾茲曼機(jī)進(jìn)行首次非線性映射，利用第2 層受限玻爾茲曼機(jī)進(jìn)行第2 次非線性映射，組合2 層受限玻爾茲曼機(jī)，實(shí)現(xiàn)逐層訓(xùn)練。利用所構(gòu)建的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，將原始船用高頻電路工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，映射為深層數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)船用高頻電路工作狀態(tài)數(shù)據(jù)中的非線性特征。

1.3 支持向量數(shù)據(jù)描述的工作狀態(tài)檢測(cè)方法

支持向量數(shù)據(jù)描述方法是常用的狀態(tài)檢測(cè)方法，該方法利用非線性映射?將所提取的船用高頻電路工作狀態(tài)特征樣本xi，映射至高維內(nèi)積空間中。在通過(guò)映射獲取的高維內(nèi)積空間中，搜尋包含被映射至特征空間的訓(xùn)練樣本，以及具有最小體積的超球體內(nèi)積空間。輸入船用高頻電路工作狀態(tài)測(cè)試樣本，利用非線性映射?將樣本映射至內(nèi)積空間內(nèi)的點(diǎn)存在于最優(yōu)超球體內(nèi)時(shí)，該樣本為船用高頻電路正常工作狀態(tài)，否則為船用高頻電路異常工作狀態(tài)。

設(shè)存在船用高頻電路狀態(tài)特征訓(xùn)練樣本x，利用支持向量數(shù)據(jù)描述方法，求取高維內(nèi)積空間的球心位置o以及半徑R，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

式中，ξi與C分別為松弛變量以及調(diào)節(jié)參數(shù)。

引入拉格朗日乘子αi與γi，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)表達(dá)式如下：

令式(10)的偏導(dǎo)為0，確定式(8)的約束條件如下：

將式(11)代入式(10)，構(gòu)建船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)的對(duì)偶問(wèn)題表達(dá)式為：

通過(guò)求解式(12)的最優(yōu)化問(wèn)題，獲取αi值、球心o以及滿足0＜ai ＜C條件的支持向量xi的距離，即球體半徑R。

對(duì)于船用高頻電路工作狀態(tài)特征測(cè)試樣本z，計(jì)算該樣本至球心o的距離，船用高頻電路工作狀態(tài)判定公式如下：

2 實(shí)例分析

為了測(cè)試船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)有效性，將本文方法應(yīng)用于某船舶供電系統(tǒng)的高頻開(kāi)關(guān)直流電源中。該船舶高頻開(kāi)關(guān)電源的電路參數(shù)設(shè)置如表1 所示。利用LC 濾波和全波整流方法，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理，獲取高頻開(kāi)關(guān)電源的期望直流電壓以及直流電流。設(shè)置一個(gè)大小為0.002 5 的阻抗，模擬船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)中的船用高頻開(kāi)關(guān)電源負(fù)載。

表1 船舶高頻開(kāi)關(guān)電源電路參數(shù)設(shè)置Tab. 1 Circuit parameters of ship's high-frequency switching power supply

采用本文方法采集船用高頻電路狀態(tài)信號(hào)，如圖2所示。將所采集的船用高頻電路信號(hào)作為深度學(xué)習(xí)算法的輸入，檢測(cè)船用高頻電路的工作狀態(tài)。

圖2 船用高頻電路狀態(tài)信號(hào)Fig. 2 Marine high frequency circuit status signal

船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。可知，船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際工作狀態(tài)相同，驗(yàn)證本文方法檢測(cè)高頻電路工作狀態(tài)具有較高的精度。

表2 船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果Tab. 2 Test results of working state of marine high frequency circuit

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的船用高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)精度，選取表2 檢測(cè)船用高頻電路工作狀態(tài)結(jié)果為異常的298 號(hào)樣本作為分析對(duì)象，該樣本的幅頻特性曲線如圖3 所示。由圖3 可知，采用本文方法檢測(cè)船用高頻電路工作狀態(tài)的測(cè)試樣本，存在明顯的短路情況，驗(yàn)證該船用高頻電路工作狀態(tài)樣本處于異常情況。

圖3 測(cè)試樣本的幅頻特性曲線Fig. 3 Amplitude-frequency characteristic curve of test samples

3 結(jié) 語(yǔ)

高頻開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、安全可靠的優(yōu)勢(shì)，在船舶中應(yīng)用較為廣泛。對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源的高頻電路進(jìn)行分析，將深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)中。深度學(xué)習(xí)算法具有不易受噪聲干擾的優(yōu)勢(shì)，提升高頻電路工作狀態(tài)檢測(cè)性能。該方法可以精準(zhǔn)檢測(cè)船用高頻電路工作狀態(tài)。明確船用高頻電路的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，保障船用高頻開(kāi)關(guān)電源的可靠運(yùn)行，對(duì)于船舶的航行安全性具有重要意義。