基于條件對抗域自適應(yīng)的燃?xì)廨啓C跨工況氣路故障診斷技術(shù)

摘" 要：近年來，基于模式識別的方法已大量應(yīng)用于燃?xì)廨啓C氣路故障診斷，并取得一定效果。然而其故障識別準(zhǔn)確率常局限于單一工況。為解決基于模式識別的氣路故障診斷方案在多種工況下的故障識別準(zhǔn)確率低下的問題，該文建立基于深度學(xué)習(xí)和條件對抗域自適應(yīng)的模型，用于提取跨工況不變特征，進而提升模型對工況差異干擾的抗性，并保障模型在多種工況下的氣路故障識別準(zhǔn)確率。此外，該文設(shè)計多種跨工況故障診斷任務(wù)來驗證所提出方案的有效性。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C；模式識別；深度學(xué)習(xí)；條件對抗域自適應(yīng)；跨工況；氣路故障診斷

中圖分類號：TM621.3" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0084-05

Abstract： In recent years， the method based on pattern recognition has been widely used in gas turbine gas path fault diagnosis， and achieved certain results. However， the accuracy of fault identification is often limited to a single working condition. In order to solve the problem of low fault recognition accuracy of the gas path fault diagnosis scheme based on pattern recognition under various working conditions， this paper establishes a model based on deep learning and condition adaptive resistance domain， which is used to extract invariant features across working conditions， improve the resistance of the model to the interference of working conditions， and ensure the gas fault recognition accuracy of the model under various operating conditions. In addition， a variety of cross-mode fault diagnosis tasks are designed to verify the effectiveness of the proposed scheme.

Keywords： gas turbine; pattern recognition; deep learning; condition adaptive to resistance domain; cross-working condition; gas path fault diagnosis

近年來，風(fēng)、光等新能源在電力生產(chǎn)系統(tǒng)中所占的比重正在逐年擴大[1]，但是由于新能源大規(guī)模并網(wǎng)所引起的電網(wǎng)波動，使得整個電力生產(chǎn)系統(tǒng)不得不依賴傳統(tǒng)發(fā)電機組，令其更加頻繁地啟停和變負(fù)荷，以平抑由新能源并網(wǎng)而加劇的電網(wǎng)波動。相較于傳統(tǒng)發(fā)電機組，燃?xì)廨啓C發(fā)電機組，啟動速度大幅度提升，運行更加平穩(wěn)，熱效率更高，在平抑新能源波動方面具有更大的優(yōu)勢。然而，在燃?xì)廨啓C自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工作環(huán)境苛刻的雙重因素作用下，氣路故障發(fā)生的頻次將會越來越高，將對燃?xì)廨啓C整機運行的可靠性和經(jīng)濟性造成極大的威脅。

然而，近年以來不斷崛起的人工智能和大數(shù)據(jù)理論與技術(shù)，讓研究人員開始重視歷史運行數(shù)據(jù)，并逐漸探索出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，即利用傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從豐富的數(shù)據(jù)中提取有效信息，該方法在很大程度上擺脫了對專業(yè)知識和經(jīng)驗的依賴[2]。

然而在實際應(yīng)用中，該方法會不可避免地產(chǎn)生數(shù)據(jù)分布差異影響，使得該方法在某些故障診斷任務(wù)中的實際表現(xiàn)未能達到預(yù)期?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷通常僅選取單一工況下的數(shù)據(jù)，在其他工況下，診斷精度會大幅下降。即使一些研究人員利用多個工況下的數(shù)據(jù)進行特征提取，也沒有將不同工況下的數(shù)據(jù)分布差異考慮在內(nèi)，最終由于分布差異較大難以使得故障特征收斂，結(jié)果并不理想。

近年來不斷發(fā)展的域自適應(yīng)理論，為解決該問題提供了希望，由遷移學(xué)習(xí)演化而來的域自適應(yīng)方法在減弱由數(shù)據(jù)分布差異所產(chǎn)生影響的方面，即消除域偏移影響方面表現(xiàn)突出[3-5]。目前，基于差異的方法和基于對抗的方法在模式識別任務(wù)中的應(yīng)用較為普遍?；诓町惖姆椒ú扇×炕⒖s減域特征差異的方案，例如使用頻率較高的最大平均差異[6]和聯(lián)合最大差異[7]，來實現(xiàn)特征對齊?；趯沟姆椒ú扇⊥瑫r構(gòu)建域判別器和分類器，通過能夠混淆域識別器判斷的對抗訓(xùn)練實現(xiàn)特征對齊[8]，近年來在許多分類任務(wù)上取得突破[9-10]，但一直存在訓(xùn)練不穩(wěn)定問題。此外，一些研究人員已經(jīng)注意到，僅考慮邊緣分布，無法實現(xiàn)細(xì)粒度的特征對齊[9，11-13]，并尋求改進策略，例如：在對抗域自適應(yīng)方法中，采取基于條件分布的熵調(diào)整策略[9，11]，即條件對抗域自適應(yīng)[12]；或者在差異域自適應(yīng)方法中，基于分布估計來量化條件分布或聯(lián)合分布[13-14]。還有一些研究人員針對訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的損失值坍塌、收斂緩慢及魯棒性差現(xiàn)象，提出瞬時分布對齊[15-16]。上述域自適應(yīng)方法在本質(zhì)上相同，均設(shè)法將源域和目標(biāo)域樣本用一個函數(shù)，映射到同一特征空間。

1" 域自適應(yīng)理論在跨工況氣路故障診斷任務(wù)中的應(yīng)用

為了方便理解基于域自適應(yīng)方法的燃?xì)廨啓C跨工況氣路故障診斷，本文結(jié)合域自適應(yīng)理論對燃機跨工況氣路故障診斷任務(wù)進行如下描述和定義：

定義1（域）[17]：以特定工況下的燃機運行數(shù)據(jù)為例，本文用域D={X，P（X）}來表示每個具體工況下的數(shù)據(jù)樣本，每個域由樣本自身X={xi}，以及隱含在樣本當(dāng)中的邊緣分布P（X）組成。而對于標(biāo)簽數(shù)據(jù)，除了樣本自身以外，其標(biāo)簽信息同樣具備非常大的價值，尤其對于監(jiān)督學(xué)習(xí)而言。因此在大多數(shù)模式識別任務(wù)中通常會對標(biāo)簽數(shù)據(jù)集附加一個標(biāo)簽集表示，即D={X，Y}，其中Y={yi}為標(biāo)簽集，且標(biāo)簽集內(nèi)的所有元素或標(biāo)簽均源自同一個標(biāo)簽空間γ={C1，C2，…，Ck}，k表示樣本的類別數(shù)目，本文中特指機組可能發(fā)生的所有氣路故障數(shù)目與一類健康運行狀態(tài)數(shù)目之和。

定義2（任務(wù)）[17]：本文將氣路故障診斷任務(wù)定義為T={γ，F(xiàn)}，由標(biāo)簽空間γ和預(yù)測函數(shù)F構(gòu)成，在多數(shù)基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷方法中，F(xiàn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征表達，可以從樣本中學(xué)習(xí)。

對于基于遷移學(xué)習(xí)的模式識別任務(wù)，通常作如下假設(shè)：①源域和目標(biāo)域的標(biāo)簽空間相同；②源域與目標(biāo)域的聯(lián)合分布相同。但是在現(xiàn)實中，第二點假設(shè)是無效的。該因素使得遷移學(xué)習(xí)方法在目標(biāo)域任務(wù)中表現(xiàn)不佳。因此，一些研究學(xué)者提出基于域自適應(yīng)方法，設(shè)法獲取具備一定泛化性的特征編碼器表達函數(shù)Fe。

定義3（域自適應(yīng)）[17]：假定實際情況下，僅能夠獲

2" 基于條件對抗域自適應(yīng)的跨工況氣路故障方法

在眾多域自適應(yīng)方法中，對抗域自適應(yīng)方法通過借鑒對抗生成網(wǎng)絡(luò)中對抗訓(xùn)練的思想：一方面優(yōu)化域判別器，使其能夠準(zhǔn)確判斷樣本來自源域或目標(biāo)域；另一方面優(yōu)化特征編碼器，使其輸出的高級語義特征不僅利于源域樣本的分類識別，還能夠混淆域判別器的判斷。理想的對抗域自適應(yīng)過程及結(jié)果，如圖1所示。然而，該方法并沒有模擬或計算能夠反映條件分布的特征，在實際的模型訓(xùn)練中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)很可能難以收斂。故本文采取條件對抗域自適應(yīng)，來彌補一般對抗域自適應(yīng)的不足。首先，本文在已設(shè)計特征編碼器的基礎(chǔ)上，基于全連接層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別設(shè)置了一個域判別器和分類器，來滿足對抗域自適應(yīng)方案的基本要求。

2.1" 模型原理

式中：dfeat表示特征編碼器輸出特征維度總數(shù)。

需要注意的是，對于訓(xùn)練樣本而言，并不是所有樣本在對抗訓(xùn)練過程中都易于進行知識遷移，依然存在部分難于進行知識遷移的訓(xùn)練樣本。如果，讓對抗訓(xùn)練過程平等地對待所有訓(xùn)練樣本，將會弱化模型在目標(biāo)工況下的故障識別精度。針對該現(xiàn)象，筆者提出采用熵調(diào)整策略——基于分類預(yù)測結(jié)果的不確定性，調(diào)整訓(xùn)練樣本在對抗損失計算中的權(quán)重。其中，每個訓(xùn)練樣本的分類預(yù)測結(jié)果的不確定性由熵來衡量，計算方法如下

在此基礎(chǔ)上利用指數(shù)函數(shù)，即可完成權(quán)重計算

w（H（g））=e-H" （g） 。

綜上所述，基于條件對抗域自適應(yīng)的跨工況故障診斷模型的目標(biāo)函數(shù)可以描述為

式中：LCE表示交叉熵函數(shù)，F(xiàn)c，F(xiàn)e和Fd分別表示分類器，特征編碼器和域判別器的表達函數(shù)，λ表示超參數(shù)。

接下來，按照公式（4）和（5）設(shè)計相應(yīng)的訓(xùn)練策略及損失函數(shù)，并進行對抗訓(xùn)練，即可使得燃機故障診斷模型的特征編碼器參數(shù)θe和故障識別器參數(shù)θc到達最佳位置，進而獲取精度較高的特征編碼器表達Fe和故障識別器表達Fc。

2.2" 模型訓(xùn)練說明

目前，對于給定對抗訓(xùn)練過程的目標(biāo)函數(shù)，有以下2種訓(xùn)練策略：①基于遷移學(xué)習(xí)，設(shè)置不同的訓(xùn)練階段及相應(yīng)的損失函數(shù)；②基于梯度反轉(zhuǎn)，保持端到端的聯(lián)合訓(xùn)練，并設(shè)計聯(lián)合損失函數(shù)。相比第一種設(shè)計思路，第二種設(shè)計思路的操作流程簡單，省去了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凍結(jié)、解凍和預(yù)訓(xùn)練的煩瑣操作。盡管第二種設(shè)計思路，容易出現(xiàn)訓(xùn)練不穩(wěn)定的現(xiàn)象，但是在條件對抗域自適應(yīng)的作用下，原本忽略的條件分布得以對齊，極大程度上抑制了訓(xùn)練紊亂現(xiàn)象。故本文選擇基于第二種思路設(shè)計聯(lián)合損失函數(shù)。

首先，針對目標(biāo)函數(shù)中，高精度故障識別器和高精度工況判別器的目標(biāo)訴求，分別對源工況樣本的故障分類預(yù)測誤差和所有樣本的工況判別誤差進行如下定義。

式中：Lc為故障識別器損失或誤差，Ld為工況判別器損失或誤差。則目標(biāo)函數(shù)可以表示為

為了實現(xiàn)聯(lián)合訓(xùn)練，本文在模型訓(xùn)練的過程中，將工況判別器的梯度進行反轉(zhuǎn)，并將聯(lián)合損失函數(shù)設(shè)置為：

Ladv=Lc+λLd 。（9）

一般而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的更新基于梯度后向傳播，而該做法使得梯度后向傳播時，工況判別器的參數(shù)優(yōu)化依然朝Ld減小的方向，而特征編碼器的參數(shù)優(yōu)化由于梯度反轉(zhuǎn)，會同時朝Lc減小和Ld增大的方向。至于故障識別器，與工況判別器在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上平行，并不受梯度反轉(zhuǎn)的影響，其參數(shù)優(yōu)化依然朝Lc減小的方向。

3" 實驗驗證及結(jié)果分析

3.1" 實驗準(zhǔn)備

對于本文所研究的燃?xì)廨啓C氣路故障診斷方案，需要利用大量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，且本文將以常見的壓氣機氣路為例進行實驗。對于本文所設(shè)置的氣路故障識別任務(wù)，總計5個狀態(tài)類別，包括4類壓氣機氣路故障和1類正常運行狀態(tài)，屬于典型的多分類任務(wù)。故本文采用One-hot對健康狀態(tài)標(biāo)簽進行編碼，見表1。同一個跨工況氣路故障診斷任務(wù)僅涉及2個工況，因此工況判別任務(wù)屬于典型的二分類任務(wù)，進而采用“0”“1”分別對源工況和目標(biāo)工況標(biāo)簽進行編碼即可。

本文所用的數(shù)據(jù)來源于安薩爾多F級燃?xì)廨啓C的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目標(biāo)燃?xì)廨啓C的具體參數(shù)見表2?；诓杉瘉淼膶嶋H信號，本文采用滑動窗口來制作各類健康狀態(tài)和運行工況的樣本，窗口大小設(shè)置為30 min。對于漸變類故障（CF、CR、CBR），從故障植入前15 min開始制作樣本，直至百分比劣化達到設(shè)置的最大值。對于突變類故障（CFOD），同樣從故障植入前15 min開始制作樣本，但是窗口范圍不得超過故障植入的時刻。實驗樣本包含的可測信號見表3。需要注意的是，用于制作實驗樣本的仿真信號均經(jīng)過最大值最小值歸一化處理。

本文選取以下3種穩(wěn)定負(fù)荷工況，Load 1=70%" MPO，Load 2=80% MPO，Load 3=100% MPO，來設(shè)置不同的燃機跨工況故障診斷任務(wù)，其中MPO表示機組額定最大出力（Maxmium Power Output，MPO）?？梢钥闯鯨oad 1和load 2接近，而load3與前2種工況之間的差距較大。具體的訓(xùn)練集和驗證集設(shè)置見表4，且各類健康狀態(tài)樣本的比例均衡。本文采用批次訓(xùn)練的方式，每批樣本中均包括標(biāo)簽樣本與無標(biāo)簽樣本，且二者比例相同，同樣每批次的標(biāo)簽樣本中，各類健康狀態(tài)樣本的比例也均衡，而批樣本容量設(shè)置為50。

3.2" 實驗結(jié)果及分析

在本文所設(shè)計編碼器的有效性得以驗證的基礎(chǔ)上，本節(jié)基于跨工況氣路故障診斷任務(wù)來驗證本文所設(shè)計的條件對抗域自適應(yīng)方案的有效性，并且將其實驗結(jié)果與普通對抗域自適應(yīng)方案及無域自適應(yīng)方案進行對比。上述方案在各種跨工況故障診斷任務(wù)中取得的準(zhǔn)確率見表5。

4" 結(jié)論

針對基于深度學(xué)習(xí)和模式識別的燃?xì)廨啓C氣路故障診斷方法所面臨的挑戰(zhàn)——跨工況故障不變特征提取。本文提出了基于條件對抗域自適應(yīng)的跨工況氣路故障診斷方法，并詳細(xì)敘述了域自適應(yīng)理論在跨工況氣路故障診斷方法中的應(yīng)用方法，基于條件對抗域自適應(yīng)的跨工況故障診斷模型及相應(yīng)的模型訓(xùn)練說明。最后基于跨工況氣路故障診斷任務(wù)，進行對比實驗。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計方案是有效的。

但本文所設(shè)計方案依然有一定局限性。首先本文所設(shè)計方案建立在標(biāo)簽樣本充沛的基礎(chǔ)上。其次，盡管本文所采用的條件對抗域自適應(yīng)在條件分布對齊上具有很大優(yōu)勢，但是在訓(xùn)練過程中依然難以完全規(guī)避訓(xùn)練不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

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