基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的電氣設(shè)備故障智能檢測(cè)技術(shù)研究

摘 要：隨著智能制造和工業(yè)自動(dòng)化的不斷推進(jìn)，電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行變得日益重要。然而，故障的不可預(yù)測(cè)性給設(shè)備維護(hù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，本文提出了一種基于主成分分析的電氣設(shè)備故障智能檢測(cè)技術(shù)，以提高故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。首先，分析了電氣設(shè)備故障的常見類型和特征，以及影響故障檢測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。其次，提出一種基于主成分分析的電氣設(shè)備故障智能檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)在線學(xué)習(xí)機(jī)制，使模型能夠適應(yīng)新的故障特征，實(shí)現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化和迭代更新。最后，為了驗(yàn)證所提出方法的有效性，研究構(gòu)建了一個(gè)基于實(shí)際電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的測(cè)試平臺(tái)。結(jié)果表明，所提出的故障智能檢測(cè)方法能夠有效識(shí)別復(fù)雜故障模式，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)早期故障跡象的準(zhǔn)確預(yù)警。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí)算法 電氣設(shè)備 故障智能檢測(cè)技術(shù) 主成分分析

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電氣設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于保證生產(chǎn)的安全和有效性起著至關(guān)重要的作用[1]。然而，由于設(shè)備的老化、操作不當(dāng)或者外部環(huán)境的影響，故障的發(fā)生時(shí)常不可避免。這種情況不僅會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)電氣設(shè)備的故障成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法往往依賴于人工視覺檢查和簡(jiǎn)單的電氣參數(shù)分析，這種方法不僅效率低下，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的早期預(yù)警[2]。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的逐步發(fā)展，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行電氣設(shè)備故障的智能檢測(cè)已經(jīng)顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在電氣設(shè)備故障智能檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討，開發(fā)出一種有效的故障檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的早期預(yù)警和準(zhǔn)確診斷[3]。

1 電氣設(shè)備故障的特征與影響因素分析

1.1 電氣設(shè)備故障的分類

電氣設(shè)備故障的常見類型包括但不限于電氣元件故障、電路短路、電路斷路、絕緣老化等[4]。主要有壓縮機(jī)損壞、制冷劑泄漏、風(fēng)機(jī)損壞、四通閥串氣或損壞、氣囊破壞、汽化加熱器損壞和毛細(xì)管堵塞。

（1）壓縮機(jī)損壞：當(dāng)壓縮機(jī)處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將氣態(tài)制冷劑絕熱壓縮成高壓高溫狀態(tài)，其次，通過(guò)冷凝器冷卻，最終形成液態(tài)。（2）制冷劑泄漏：制冷劑泄漏故障是由于設(shè)備老化或安裝不當(dāng)?shù)仍蛟斐?，尤其是橡膠軟管與管接頭的卡箍處更容易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。（3）風(fēng)機(jī)損壞：風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作在低溫的環(huán)境下，很容易受到低溫疲勞，內(nèi)部的電子器件也容易受到損壞。隨著溫度的降低，風(fēng)機(jī)中的潤(rùn)滑油的黏稠度也會(huì)變大，使得風(fēng)機(jī)軸承無(wú)法得到充分潤(rùn)滑，導(dǎo)致軸承摩擦力變大，從而引起風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率下降。（4）四通閥串氣或損壞：四通閥是冷卻系統(tǒng)的核心零件，負(fù)責(zé)d16106d004e9146f68f30cc862d357e3調(diào)節(jié)制冷劑的流動(dòng)方向，承擔(dān)汽化和液化理化過(guò)程中，調(diào)整制冷劑流向蒸發(fā)器、冷凝器的作用。（5）氣囊破壞：相變氣囊需要長(zhǎng)期工作在平流層中，受到太陽(yáng)輻射和低氣溫的影響，導(dǎo)致氣囊材料容易老化變脆，其次，氣囊通過(guò)不斷地收縮和膨脹來(lái)改變浮空器的高度，在氣囊連接端口處的不銹鋼接頭容易和氣囊不斷的摩擦，長(zhǎng)期反復(fù)的重復(fù)該過(guò)程，容易導(dǎo)致連接處出現(xiàn)細(xì)微破損，使氣囊破損。（6）汽化加熱器損壞：汽化加熱器主要起到輔助氣囊中工質(zhì)的汽化過(guò)程的作用，由于平流層環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期處在低溫的條件下，可能會(huì)損壞汽化加熱器內(nèi)部控制芯片、使控制電路出現(xiàn)短路或斷路現(xiàn)象，導(dǎo)致汽化加熱器無(wú)法加熱。（7）毛細(xì)管堵塞：電氣設(shè)備注入制冷劑時(shí)，可能會(huì)混入少量的化學(xué)雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成各種污染物，若不及時(shí)處理，就會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)管臟堵現(xiàn)象。詳細(xì)闡述故障的產(chǎn)生原因和相關(guān)的測(cè)點(diǎn)參數(shù)發(fā)生的變化，建立故障原因與故障征兆關(guān)系如表1所示：

1.2 智能故障監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

隨著現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)的飛速進(jìn)步，故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)也在快速發(fā)展，反映出實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性的迫切要求，將多學(xué)科理論進(jìn)行融合，隨著可靠性理論、現(xiàn)代控制理論、信號(hào)處理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、模式識(shí)別、模糊理論、最優(yōu)化方法、人工智能等學(xué)科的飛速進(jìn)步，使故障診斷具有不同的分類方法，為其提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[5]。目前，智能故障診斷技術(shù)大致可分為以下幾類：

（1）基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的故障診斷。利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用空間等價(jià)方程、觀測(cè)器搭建研究對(duì)象的解析模型，計(jì)算出預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的殘差，其次，利用計(jì)算出來(lái)的殘差對(duì)比設(shè)定的閾值，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷。（2）基于外部信號(hào)處理的故障診斷。在研究對(duì)象無(wú)法搭建精確的數(shù)學(xué)模型情況下，通過(guò)處理系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)、進(jìn)行特征分析來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷，如小波變換，將干擾信號(hào)和復(fù)雜不確定因素作為黑箱，提取輸出信號(hào)特征信息，進(jìn)行小波變換，解析數(shù)學(xué)模型的奇異值，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷。（3）基于多元統(tǒng)計(jì)分析的故障診斷。主成分分析為常見的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。將原始數(shù)據(jù)投影在低維子空間中進(jìn)行信息提取，殘差子空間則可以反映出數(shù)據(jù)中的噪聲。對(duì)比每個(gè)故障變量和所要確定的故障類別的統(tǒng)計(jì)量，通過(guò)判斷超過(guò)控制限的貢獻(xiàn)大小，貢獻(xiàn)大的變量即為該故障類別，然而，此種方法對(duì)于原始數(shù)據(jù)中含有非線性信息的故障類別判斷準(zhǔn)確性較差，導(dǎo)致故障錯(cuò)報(bào)頻率較高。（4）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用物理上可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和器件來(lái)模擬人腦的結(jié)構(gòu)和功能的系統(tǒng)，利用已知的故障樣本數(shù)據(jù)，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練出模型，可以采用測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，以達(dá)到故障診斷效果。（5）此外，除上述基于定量分析的智能故障診斷技術(shù)，還有基于定性分析的智能故障診斷技術(shù)包含：圖論方法、專家系統(tǒng)、定性仿真等[6]。

2 基于主成分分析的電氣故障智能檢測(cè)方法分析

2.1 主成分分析

主成分分析為一種無(wú)監(jiān)督多變量統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)降維方法，通過(guò)特征空間的變化將原始數(shù)據(jù)變量線性組合成新的變量，把維度高的數(shù)據(jù)映射到低維的子空間，提取出數(shù)據(jù)的主要特征信息，減少了原始數(shù)據(jù)維度，提高了模型準(zhǔn)確度，將電氣設(shè)備的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析特征提取降維，去除原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的冗余信息。如圖1所示，主成分分析基本思想是建立一個(gè)最優(yōu)的特征空間，以二維數(shù)據(jù)為例，將原始數(shù)據(jù)投影到新的坐標(biāo)軸上，減少原始數(shù)據(jù)的維度，并且為確保保留的特征信息最多，需要投影分布在第一主成分的方差最大。

假設(shè)有個(gè)樣本，每個(gè)樣本維，首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行中心化處理，計(jì)算樣本數(shù)據(jù)均值：

根據(jù)上述二維數(shù)據(jù)的闡述，為使投影后低維度空間數(shù)據(jù)變量中攜帶的信息最多，需要保證隨機(jī)變量主成分方差最大，因此，可以將主成分分析的目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為：

其中，表示投影以后所需要的線性矩陣，表示已經(jīng)均值后的協(xié)方差矩陣，表達(dá)式為：

求解主成分分析的目標(biāo)函數(shù)，求取廣義特征值方程，具體表達(dá)式為：

其中，為特征值，表示對(duì)應(yīng)的特征向量，將特征值按照從大到小降序排列，其中將最大的特征值的主成分分量在特征空間投影，所得為第一主成分。其方差最大，信息量也最多，通過(guò)采取上述方法，依次獲取全部主成分信息。

2.2 基于主成分分析的電氣故障檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

按照累計(jì)貢獻(xiàn)率確定實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的核主成分個(gè)數(shù)，對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，采用電氣設(shè)備特征提取后正常工作的數(shù)據(jù)求取模型控制限以及，判斷以及統(tǒng)計(jì)量是否在同一時(shí)刻超過(guò)控制限，來(lái)識(shí)別出故障數(shù)據(jù)，對(duì)比故障檢測(cè)模型檢測(cè)效果。受到原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)范圍大小和數(shù)據(jù)單位不一致的情況，首先將2400組10維的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用公式（5）進(jìn)行均值標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，統(tǒng)一量綱，消除因數(shù)據(jù)特征不一致而影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)效果。

其中，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差由表示；數(shù)據(jù)均值由表示?；谥鞒煞址治龅墓收蠙z測(cè)包含訓(xùn)練故障檢測(cè)模型和測(cè)試故障檢測(cè)模型兩部分：

（1）訓(xùn)練故障檢測(cè)模型：利用（1）計(jì)算特征值和特征向量，求出特征值的特征向量上投影獲取全部主成分，設(shè)定利用（2）求取主成分個(gè)數(shù)，保留有效信息的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)降維。采用電氣設(shè)備特征提取后的正常數(shù)據(jù)，并利用公式來(lái)計(jì)算兩種統(tǒng)計(jì)量的控制限與。

（2）測(cè)試故障檢測(cè)模型：計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)量信息。利用公式分別計(jì)算兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量信息與，故障檢測(cè)過(guò)程是通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量信息是否同時(shí)超過(guò)控制限的方法來(lái)判斷，一旦統(tǒng)計(jì)量信息超過(guò)設(shè)定的兩個(gè)控制限，證明檢測(cè)到故障數(shù)據(jù)?；谥鞒煞址治龉收蠙z測(cè)流程如圖2所示。

3 故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

以電氣設(shè)備為研究對(duì)象，建立實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，使用主成分分析對(duì)七種故障狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，將2400組原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行主成分分析數(shù)據(jù)特征提取降維，得到實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)中1000組正常數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取200組求取與控制限。將實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)中，每 200 組故障數(shù)據(jù)（總計(jì)1400組）和剩余的800組正常工作數(shù)據(jù)選出350組，組成測(cè)試數(shù)據(jù)（總計(jì)1750組），200組故障數(shù)據(jù)在第 50 組正常數(shù)據(jù)之后加入，每組故障類測(cè)試數(shù)據(jù) 250 組，七種故障類組成1750組故障檢測(cè)的測(cè)試樣本數(shù)據(jù)。采用主成分分析對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特征提取，兩種方法得到主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率如圖3所示。

通過(guò)主成分貢獻(xiàn)圖中的柱狀圖可以看出，第一主成分包含的信息量明顯高于其他算法，通過(guò)累計(jì)貢獻(xiàn)率折線圖可以看出，在前五維累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)高于90%，驗(yàn)證主成分分析的第一主成分貢獻(xiàn)率對(duì)比其他算法少了19.2%，并且主成分分析在前五維的累計(jì)貢獻(xiàn)率為72.5%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.7%。這也間接說(shuō)明原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)含有非線性信息，綜上所述，在對(duì)電氣設(shè)備的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非線性特征提取具有一定優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文成功地開發(fā)出了一種高效、準(zhǔn)確的基于主成分分析方法的電氣設(shè)備故障智能檢測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)不僅提高了故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，也為電氣設(shè)備的健康管理和維護(hù)提供了新的技術(shù)手段。未來(lái)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷進(jìn)步和大規(guī)模電氣數(shù)據(jù)的可用性提高，我們希望通過(guò)本研究的成果在更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域中推動(dòng)智能制造和設(shè)備健康管理的發(fā)展，為工業(yè)生產(chǎn)的安全和高效做出貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：2023年度省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)：“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電驅(qū)系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)。

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