基于特征融合的提升機(jī)逆變器故障診斷

吳傳龍， 陳偉， 劉曉文， 史新國(guó)， 劉柯， 任曉紅

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州 221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤礦電氣與自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221008;4.淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 信息中心， 山東 淄博 255000)

0 引言

礦井提升機(jī)作為提升人員和物品的大型設(shè)備，是聯(lián)系井下與地面的橋梁。逆變器作為礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，長(zhǎng)期處于高負(fù)載運(yùn)行條件下，容易發(fā)生開(kāi)路故障[1]，導(dǎo)致輸出電壓畸變，影響提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。目前主要通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出電壓或電流來(lái)進(jìn)行逆變器故障診斷[2-3]。Yu Yunjun等[4]利用小波變換提取逆變器輸出電壓信號(hào)特征，再通過(guò)支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)進(jìn)行故障判別。K.H. Chao等[5]將線電流信號(hào)通過(guò)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻譜，建立故障類型與頻譜之間的關(guān)系。M. Baghli等[6]通過(guò)累計(jì)求和算法將統(tǒng)計(jì)矩與Kullback-Leibler散度相結(jié)合作為特征，采用主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)進(jìn)行故障分類。王新等[7]采用變分模態(tài)分解對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行尺度分解，構(gòu)建本征模態(tài)分量(Intrinsic Mode Function，IMF)作為故障狀態(tài)特征，通過(guò)SVM實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別。Liu Jun等[8]對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行小波去噪，通過(guò)卷積網(wǎng)絡(luò)提取特征，將全連接層輸出結(jié)果用于故障分類。

逆變器故障診斷的難點(diǎn)在于提取表征故障的特征，目前主要利用信號(hào)處理方法得到故障統(tǒng)計(jì)特征，或通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取故障深度特征。在提升機(jī)逆變器實(shí)際工作環(huán)境中，受背景噪聲和負(fù)載變化等因素影響，運(yùn)用單一的特征提取方法難以獲得能有效表征故障的特征，導(dǎo)致故障診斷準(zhǔn)確率低。本文提出一種基于特征融合的提升機(jī)逆變器故障診斷方法。首先,利用希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform，HHT)提取統(tǒng)計(jì)特征，并通過(guò)壓縮激勵(lì)密集連接卷積網(wǎng)絡(luò)(Squeeze and Excitation with Densely Connected Convolutional Network，SE-DenseNet)提取深度特征；然后，將2種特征進(jìn)行組合，利用局部線性判別分析(Local Fisher Discriminant Analysis，LFDA)對(duì)組合特征集進(jìn)行融合降維；最后，將低維融合特征集輸入極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme Learning Machine，ELM)進(jìn)行故障分類。

1 故障診斷流程

提升機(jī)逆變器是中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器[9]，由三相橋臂組成，每相有4個(gè)IGBT。本文針對(duì)單個(gè)IGBT開(kāi)路故障展開(kāi)研究，共12種故障類型[10]，通過(guò)采集逆變器輸出三相電流信號(hào)進(jìn)行故障診斷。

基于特征融合的故障診斷方法包含特征提取、特征組合(Feature Crosses，F(xiàn)C)、融合降維和故障分類4個(gè)步驟，流程如圖1所示。

圖1 基于特征融合的提升機(jī)逆變器故障診斷流程Fig.1 Fault diagnosis process of hoist inverter based on feature fusion

2 關(guān)鍵步驟

2.1 基于HHT的故障統(tǒng)計(jì)特征提取

HHT由2個(gè)步驟組成：① 對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)，得到IMF；② 對(duì)IMF進(jìn)行希爾伯特變換，得到希爾伯特包絡(luò)譜。計(jì)算IMF和希爾伯特包絡(luò)譜的最大值、最小值、幅值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、能量、能量熵等并作為統(tǒng)計(jì)特征，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)特征集。

由于EMD處理非平穩(wěn)、非線性電流信號(hào)時(shí)容易出現(xiàn)模態(tài)混疊問(wèn)題[11]，本文使用優(yōu)化集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition，MEEMD)代替EMD。在原始信號(hào)中添加白噪聲，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分解，將分解結(jié)果進(jìn)行總體平均，消除白噪聲對(duì)信號(hào)分析的影響，從而抑制模態(tài)混疊[12-13]。具體步驟如下：

(1) 將成對(duì)的白噪聲信號(hào)be(t)和-be(t)(e=1，2，…，E，E為添加白噪聲的對(duì)數(shù);t為時(shí)間)疊加到原始電流信號(hào)x(t)中，得到包含白噪聲的電流信號(hào)：

(1)

式中ae為添加的白噪聲幅值。

(2)

(3)

(4)

2.2 基于SE-DenseNet的故障深度特征提取

DenseNet是采用密集連接方式的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)卷積層輸出的重復(fù)利用達(dá)到更準(zhǔn)確的分類效果[14]。壓縮激勵(lì)(Squeeze and Excitation，SE)是典型的注意力機(jī)制，通過(guò)修改通道的權(quán)重來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部信息的關(guān)注[15-16]。本文將SE嵌入DenseNet中，構(gòu)建SE-DenseNet，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文通過(guò)SE-DenseNet提取電流信號(hào)的深度特征，構(gòu)建深度特征集。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)卷積后得到特征圖X1(M×H×C)，M，H，C分別為特征圖X1的寬、高、通道數(shù)。SE模塊的作用是計(jì)算通道的權(quán)重矩陣，具體步驟如下。

圖2 SE-DenseNet結(jié)構(gòu)Fig.2 SE-DenseNet structure

(1)壓縮操作。沿著寬、高方向進(jìn)行求和，將X1(M×H×C)壓縮為zc(1×1×C)。

(5)

式中：Fsq(·)為壓縮操作；uc(m,h)為特征圖X1中第c(c=1，2，…，C)個(gè)通道(m,h)處的像素點(diǎn)。

(2)激勵(lì)操作。對(duì)特征圖的每一個(gè)通道計(jì)算權(quán)重，得到通道權(quán)重矩陣sc(1×1×C)。

sc=Fex(zc)=δ(W1f(W2zc))

(6)

式中：Fex(·)為激勵(lì)操作；δ(·)為Sigmoid函數(shù)；f(·)為ReLU激活函數(shù)；W1為升維矩陣；W2為降維矩陣。

(3)尺度變換。將特征圖X1(M×H×C)乘以通道權(quán)重矩陣sc(1×1×C)，得到新的特征圖X2(M×H×C)。

X2=X1sc

(7)

2.3 融合降維

將統(tǒng)計(jì)特征和深度特征進(jìn)行組合，構(gòu)建組合特征集。由于組合特征集數(shù)據(jù)維度過(guò)大，采用LFDA對(duì)組合特征集進(jìn)行融合降維，去除組合特征集中的冗余特征，得到低維融合特征集。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

TLFDA=argmax[tr((TTS(2)T)-1TTS(1)T)]

(14)

式中：TLFDA為L(zhǎng)FDA的變換矩陣；T為變換矩陣。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建逆變器電流信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示。使用電阻和電感串聯(lián)模擬負(fù)載變化，設(shè)置4種負(fù)載：0.5 Ω和1.5 mH、0.5 Ω和2 mH、1 Ω和1.5 mH、1 Ω和2 mH。逆變器正常狀態(tài)加上12種單個(gè)IGBT開(kāi)路故障共13種狀態(tài)，每種狀態(tài)下采集1 890個(gè)樣本，共得到4×13×1 890個(gè)樣本，構(gòu)建數(shù)據(jù)集Case1。相同條件下在Matlab仿真得到數(shù)據(jù)集Case2。

圖3 逆變器電流信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Experiment platform of inverter current signal acquisition

為驗(yàn)證組合特征集的故障表征能力，在相同的數(shù)據(jù)集下，采用相同的分類器，選擇不同的特征集來(lái)進(jìn)行對(duì)比(ELM模型不提取故障特征直接診斷，HHT-ELM模型利用統(tǒng)計(jì)特征集進(jìn)行診斷，SE-DenseNet-ELM模型利用深度特征集進(jìn)行診斷，F(xiàn)C-ELM模型利用組合特征集進(jìn)行診斷)，結(jié)果見(jiàn)表1。可看出FC-ELM模型的故障識(shí)別準(zhǔn)確率最高；Case1數(shù)據(jù)集上的故障識(shí)別準(zhǔn)確率大于Case2數(shù)據(jù)集，這是由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境復(fù)雜，存在噪聲影響。

表1 不同特征集下故障診斷結(jié)果Table 1 Fault diagnosis results under different feature sets %

為驗(yàn)證LFDA的優(yōu)越性，在相同的組合特征集下，采用相同的分類器，選擇不同的降維方法來(lái)進(jìn)行對(duì)比(FC-LFDA-ELM模型采用LFDA進(jìn)行降維，F(xiàn)C-PCA-ELM模型采用PCA進(jìn)行降維)，結(jié)果見(jiàn)表2。可看出相比于FC-ELM模型，采用降維后的2種模型的故障識(shí)別準(zhǔn)確率均得到提高，這是由于FC-ELM模型只是對(duì)2種特征進(jìn)行組合，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的融合；故障識(shí)別準(zhǔn)確率隨著低維融合特征集維度的增加先上升后下降，當(dāng)?shù)途S融合特征集維度為50時(shí)，故障識(shí)別準(zhǔn)確率最高；在相同低維融合特征集維度下，F(xiàn)C-LFDA-ELM模型準(zhǔn)確率比FC-PCA-ELM模型高。在Case2數(shù)據(jù)集下通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)來(lái)對(duì)比2種模型的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖4所示。可看出FC-LFDA-ELM模型的故障識(shí)別準(zhǔn)確率迅速增大后保持穩(wěn)定，而FC-PCA-ELM模型的故障識(shí)別準(zhǔn)確率會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。在準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性上，F(xiàn)C-LFDA-ELM模型比FC-PCA-ELM模型表現(xiàn)更好。

表2 不同降維方法下故障診斷結(jié)果Table 2 Fault diagnosis results under different dimensionality reduction methods

(a) FC-LFDA-ELM

(b) FC-PCA-ELM

為進(jìn)一步驗(yàn)證LFDA的降維能力，通過(guò)可視化方法展示統(tǒng)計(jì)特征集、深度特征集及分別經(jīng)LFDA和PCA降維后的低維融合特征集，如圖5所示。可看出在統(tǒng)計(jì)特征集和深度特征集中，相同故障類型的樣本嚴(yán)重分散，不同故障類型的樣本交疊在一起，交疊的樣本容易出現(xiàn)故障分類錯(cuò)誤；在經(jīng)LFDA降維后的低維融合特征集中，相同故障類型的樣本聚集，不同故障類型的樣本分散，降低了故障分類難度；在經(jīng)PCA降維后的低維融合特征集中，相同故障類型的樣本聚集，但不同故障類型的樣本存在交疊，不利于故障診斷。

(a) 統(tǒng)計(jì)特征集

圖5 特征集樣本分布Fig.5 Sample distribution of feature sets

4 結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于特征融合的提升機(jī)逆變器故障診斷方法。將逆變器輸出三相電流信號(hào)經(jīng)過(guò)HHT得到的統(tǒng)計(jì)特征和通過(guò)SE-DenseNet獲得的深度特征進(jìn)行組合，再利用LFDA對(duì)組合特征進(jìn)行融合降維，得到更容易分類的低維融合特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法得到的低維融合特征比單一特征的故障表征能力更強(qiáng)，有效提高了故障識(shí)別準(zhǔn)確率。本文只針對(duì)提升機(jī)逆變器中單個(gè)IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行了研究，但實(shí)際條件下，提升機(jī)中逆變器和電動(dòng)機(jī)相互耦合，容易出現(xiàn)復(fù)合故障，下一步將針對(duì)逆變器和電動(dòng)機(jī)復(fù)合故障診斷進(jìn)行研究。