基于局部質心均值最小距離鑒別投影的旋轉機械故障數據降維分析研究

石明寬　趙榮珍

摘要： 針對旋轉機械故障特征集非線性強、維數過高導致分類困難的問題，提出一種基于局部質心均值最小距離鑒別投影（Local Centroid Mean Minimum?distance Discriminant Projection，LCMMDP）的故障數據集降維算法。該算法在考慮樣本的內聚性和分離性的同時，能夠保持樣本局部幾何結構信息，反映樣本與局部質心均值之間的近鄰關系。從多個角度提取機械振動信號的混合特征，構建原始高維特征集，通過LCMMDP提取出低維敏感特征子集，利用改進的基于局部均值與類均值的k?近質心近鄰分類算法（k?nearest Centroid Neighbor Classification Based on Local Mean and Class Mean，KNCNCM）進行故障模式識別。所提方法集成了LCMMDP在維數約簡和KNCNCM在模式識別的優勢，可得到較高的故障識別準確率。分別使用一個雙轉子系統數據集和仿真數據集驗證了該方法的有效性。

關鍵詞： 故障診斷; 降維; 局部質心均值; 分類器; 模式識別

中圖分類號： TH 165+3; TN911.7 ? ?文獻標志碼： A ? ?文章編號： 1004-4523（2021）02-0421-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.02.023

引 言

旋轉機械在現代機電系統中起著至關重要的作用，因此對旋轉機械進行狀態監測和故障診斷具有極其重要的意義[1]。為了盡可能多地獲取故障信息，通常采用多個傳感器進行多通道的監測，提取出每個通道的多域故障特征，必不可避免地導致了大量的冗余信息和高度相關的信息形成的“維數災難”問題[2]。因此，如何消除高維數據中的冗余信息，使通過積累獲得的海量故障數據資源擁有開發利用的價值，已成為當今機械信息技術所面臨的基本問題。

伴隨著大數據技術的快速發展，數據降維已成為數據科學研究領域關注的熱點問題。典型的降維算法包括主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）[3]與線性鑒別分析（Linear Discriminant Analysis，LDA）[4]等。其中，PCA試圖尋找一個最大協方差線性投影矩陣，LDA通過最大化類間散度的同時最小化類內散度，尋找一個最佳投影矩陣;而PCA和LDA都是基于整體樣本結構的降維算法，無法表征樣本的局部流形結構。針對此問題，相關研究提出了流形學習算法，如局部保持投影（Locality Preserving Projection，LPP）[5]、局部線性嵌入（Locally Linear Embedding，LLE）[6]等算法。LPP是對傳統拉普拉斯特征映射算法（Laplacian Eigenmap，LE）[7]進行線性化近似的結果，通過線性化之后的LPP能夠以較小的計算損耗獲取比較好的數據聚類效果。但LPP僅考慮了樣本的局部結構，忽略了有利于分類的類別信息，無法更多地挖掘出高維數據的幾何結構信息。針對這種不利的局面，將LDA與LPP算法的優勢進行集成，提出了諸多改進算法，如局部Fisher判別分析（Local Fisher Discriminant Analysis，LFDA）[8]、邊緣Fisher分析（Marginal Fisher Analysis，MFA）[9]、鑒別局部保持投影（Discriminant Locality Preserving Projection，DLPP）[10]、最小鑒別投影（Minimum?distance Discriminant Projection，MDP）[11]等算法。MDP通過引入類間相似度與類內相似度，不僅描述了樣本與類中心的距離關系，同時反映出類間距與類內距的大小關系。但MDP和LDA在高維小樣本問題中采用類均值會導致數據特征信息的丟失，不能更好地反映樣本類信息[12];另外MDP只考慮了樣本與類中心之間的距離關系，忽視了樣本點之間的局部近鄰關系，無法有效地表征樣本集的局部幾何信息。針對MDP算法的局限性，本研究提出一種基于局部質心均值最小距離鑒別投影LCMMDP算法。LCMMDP利用樣本與其近質心近鄰點的均值間的距離設計了與MDP不同的相似性度量機制，欲從流形局部學習的角度重新定義局部類間相似度和局部類內相似度，充分利用了所有樣本的局部幾何信息和類別信息;另外，LCMMDP在計算過程中利用近質心近鄰點的均值，能夠有效地抑制噪聲數據對流形學習的干擾，提高算法的魯棒性。

為實現利用LCMMDP降維后得到的低維敏感特征矢量與故障類型間的準確識別，需選擇一種精度高、穩定性好的分類器。基于局部均值的k?近質心近鄰（Local Mean?based k?nearest Centroid Neighbor，LMKNCN）分類算法是Gou等[13]為克服離群點對分類性能的負面影響而提出的非參數分類器，其基本思想是用待測樣本點到每一類的局部質心均值點的距離大小來指定待測樣本的類別。LMKNCN只利用了未分類樣本在每類里的近鄰的局部均值信息，與類可分離性密切相關的類均值特性并未利用。針對上述問題，根據文獻[14]的思想，本研究提出一種基于局部均值與類均值的k?近質心近鄰分類方法KNCNCM，在類均值互不相同的情況下，既利用未分類樣本在每類里的近質心近鄰的局部均值信息，又利用類均值的整體信息進行分類的想法，可以提高LMKNCN的分類性能。

基于上述分析，本研究對LCMMDP與KNCNCM相結合的轉子故障數據集降維和分類方法進行探討，欲從海量數據中挖掘更充分的數據結構信息，為智能故障模式識別技術的發展提供了一種理論參考依據。

5.2.1 參數設定

5.2.2 特征數據集的可分性分析

為了驗證本文所提LCMMDP算法的可行性，選擇與LPP，LDA，MMC，MNMP，MDP等降維算法進行比較。并將6種算法記為A1，A2，A3，A4，A5，A6。前三個主元的低維嵌入結果如圖5所示（圖中“◇”、“*”、 “☆”、“?”、“○”分別代表轉子不對中、質量不平衡、動靜碰摩、軸承座松動和正常狀態）。

從圖5可以看出，LPP的聚類效果最差，其中質量不平衡、動靜碰摩、軸承座松動和正常狀態四類特征之間離的較近，不易區分;MMC，MNMP的同類特征太過分散，類內距離過大;LCMMDP的聚類效果最好，不同類型特征之間完全分離，各類數據清晰可見，相同類型聚集成團;LPP，LDA，MMC，MNMP，MDP五種算法的不同類型特征之間都存在著一定的混疊，無法有效地區分。

為了進一步說明本文所提LCMMDP算法的可行性，考察降維后的特征集的可分性，引入類間類內距離的可分性參數[18]對測試樣本集的分類與聚類程度給予量化評價。設降維后的低維特征子集的C類樣本數據為特征集的類間距離、類內距離和可分性參數分別定義為：

由定義可知，類間距Sb反映了各類別之間的分離度，類內距Sw體現了每類樣本分布的緊湊程度。低維空間特征集的類間距離越大，類內距離越小，則可分性參數值ρ就越大，特征集的可分性就越好。

按式（20）計算各降維算法降維后的特征集可分性參數值，如表3所示。從表3可以看出，MMC特征集的可分性參數最小，只有12.4167;LCMMDP特征集的可分性參數最大，可高達100.3742。綜合圖5和表3可知，相比于其他5種降維算法，LCMMDP聚類效果最好，可分性參數最大，說明LCMMDP具有較好的降維效果，在維數約簡中有明顯的優勢。

5.2.3 故障分類效果

為了量化6種降維算法的降維效果，將各個算法降維后的低維敏感特征集輸入KNCNCM分類器中進行故障模式識別，得到的識別率如表4所示。

結合表3和表4可以看出：①LPP的識別準確率最低，這是因為LPP是無監督算法，只側重于局部幾何結構信息的提取，而沒有考慮類判別信息，導致故障特征解耦不完全，故障特征間仍存在混疊。②LDA，MMC，MNMP相較于LPP的識別率較好，是因為這三種算法均利用了樣本的類判別信息，同時考慮了樣本的分離性和內聚性。然而，LDA，MMC主要側重于分析類判別信息，忽視了樣本集的局部幾何結構信息，導致大量的有用故障特征信息丟失;MMC，MNMP因為不存在小樣本問題，沒有利用PCA預維數約簡處理，因此無法有效的除去空間中的噪聲和冗余信息，導致提取的特征信息無法有效識別故障類別，同時降低了特征集的可分性。③LCMMDP的識別準確率要遠高于MDP及其他四種降維算法，是因為LCMMDP將樣本的局部幾何信息有效地融入到維數約簡過程，實現了類判別信息與樣本集局部幾何結構信息的有效結合。另外，LMMDP利用了局部質心均值，有效地克制了原始特征信息的丟失，一定程度上抑制噪聲數據對算法的影響，在挖掘故障樣本數據集中蘊含的故障信息的同時實現對故障的有效解耦，可得到最有辨識力的低維特征子集，提高故障特征集的可分性。

為了進一步驗證LCMMDP算法的適用性，本文在選取不同的訓練樣本數量和測試樣本數量的情況下，上述6種算法降維得到的低維敏感特征經KNCNCM分類器進行故障模式識別的結果如圖6所示。

圖6表明，整體上各降維算法的識別準確率都隨訓練樣本的增加而增加。由于LCMMDP充分利用了所有樣本的局部幾何信息和類別信息，故識別準確率一直較高，穩定性最好;LPP是無監督算法，在少量訓練樣本情況下，無法有效地保持局部結構信息，識別準確率較低;MMC是一種基于樣本整體結構的降維算法，隨著樣本數量的不足，局部結構信息比全局結構信息更為重要，無法充分地利用樣本信息，導致故障診斷效果下降，識別準確率低。

為了提高本研究所提LCMMDP算法的泛化能力，將不同算法在不同轉速（分別為2800，3000，3200 r/min）下降維得到的低維特征子集輸入KNCNCM分類器中進行故障識別，得到的平均識別準確率如圖7所示。由圖7可以看出，在不同轉速下，LCMMDP降維方法的平均識別準確率都明顯優于其他5種降維方法，表明它具有良好的適用性和更高的故障識別精度。

5.2.4 LCMMDP算法的抗干擾能力分析

為了分析LCMMDP的抗干擾能力，將系數γ=0.1，0.2，0.3，0.4的rand隨機干擾噪聲加入到原始故障集中[19?20]，經上述6種算法降維后得到低維特征集，然后輸入KNCNCM分類器進行故障識別，得到的識別準確率如圖8所示。由圖可知，隨著干擾系數的增加，6種算法的準確率都有所降低，但LCMMDP降低的速率較慢，且準確率都明顯高于其他算法。因此可以看出LCMMDP的抗干擾能力強，相應的魯棒性較好。

5.2.5 KNCNCM分類器的性能分析

為了驗證本文所提KNCNCM分類器的魯棒性和穩定性，向測試故障集中融入系數為a=0.1，0.2，0.3，0.4的隨機干擾噪聲，將經LCMMDP降維后的低維敏感特征集輸入KNCNCM，LMKNCN，KNN分類器中進行故障模式識別，得到的平均識別率如表5所示。

由表5中可以看出，LMKNCN的識別率高于KNN，原因是KNN的分類性能容易受到噪聲干擾和離群點的影響，而LMKNCN利用每類訓練樣本集里未分類樣本的幾個近鄰的局部均值信息，一定程度上克服了離群點對分類性能的影響;隨著噪聲的增多，KNCNCM的診斷結果變化較小，平均識別率都高于其他兩種分類器，表明KNCNCM相較于LMKNCN和KNN對噪聲不敏感，具有優異的穩定性和識別能力。

6 結 論

為使提取的旋轉機械故障特征有利于實施故障數據集分類，本研究提出一種基于局部質心均值最小距離鑒別投影（LCMMDP）降維方法和基于局部均值與類均值的k?近質心近鄰分類方法（KNCNCM）相結合的旋轉機械故障診斷方法。分別通過一個雙轉子系統的振動信號集合和仿真數據集進行驗證，實驗結果表明：

（1） LCMMDP相比較于MDP，MNMP，LDA，LPP，MMC等降維方法，可提取出可分性更高的低維空間故障特征集，在進行故障模式識別時具有一定的優勢。

（2） KNCNCM分類方法既利用未分類樣本在每類里的近質心近鄰的局部信息，又利用了類均值的整體知識，克服了數據離群點對分類性能的影響，而且一定程度上避免了噪聲的干擾，具有一定的穩定性和準確性。

（3） LCMMDP與KNCNCM相結合的維數約簡故障診斷模式能夠有效地對高維轉子故障數據集進行維數約簡和故障分類，為旋轉機械智能故障診斷提供了一種解決方案。

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Dimensional reduction analysis of rotating machinery fault data based on local centroid mean minimum-distance discriminant projection

SHI Ming-kuan， ZHAO Rong-zhen

（School of Mechanical and Electronical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract： Aiming at the problem of classification difficulty caused by the strong nonlinearity and the high dimensionality of fault dataset of rotating machinery， a fault dataset dimension reduction algorithm local centroid mean minimum-distance discriminant projection （LCMMDP） is proposed. The algorithm can maintain the local geometric structure information of the sample while considering the cohesion and separation of the sample， reflecting the close relationship between the sample and the local centroid mean. The hybrid characteristics of rotor vibration signals are extracted from multiple angles， the original high-dimensional feature sets are constructed， and low-dimensional sensitive feature subsets are extracted by LCMMDP. The improved k-nearest centroid neighbor classification based on local mean and class mean is used （KNCNCM） for fault pattern recognition. The proposed method integrates the advantages of LCMMDP in dimension reduction and KNCNCM in pattern recognition and provides higher fault identification accuracy. The validity of the proposed method is verified by the instance of the fault diagnosis of a double-span rotor system dataset and simulation dataset.

Key words： fault diagnosis; dimension reduction; local centroid mean; classifier; pattern recognition

作者簡介： 石明寬 （1993-），男，碩士研究生。電話：18809490031;E-mail： 1937787272@qq.com

通訊作者： 趙榮珍 （1960-），女，教授，博士生導師。電話：13619349619;E-mail： zhaorongzhen@lut.cn