人工神经网络在设备故障诊断中的应用
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基于神经网络算法的智能设备故障诊断系统的设计随着智能设备的普及和广泛应用,智能设备故障诊断系统的需求也越来越重要。
传统的故障诊断方法,主要是基于人工经验和专业知识,但由于设备结构复杂,标准化程度低,人工诊断准确率低,效率低,成本高,无法满足快速、准确的故障诊断需求。
因此,基于神经网络算法的智能设备故障诊断系统应运而生。
一、神经网络算法介绍神经网络是一种结构类似人脑的算法,是一种模仿人类神经系统模式的算法。
它可以从数据中学习,并基于数据进行推理、决策。
对于智能设备故障诊断系统来说,神经网络算法可以通过对设备的信号和表现进行学习、分析、预测,并识别设备的故障类型。
二、神经网络的应用在实际应用中,神经网络算法可以应用于多个领域。
例如,在工业领域中,神经网络可以对设备故障进行智能诊断和预测。
在医学领域中,神经网络可以应用于医学图像识别和疾病预测。
在金融领域中,神经网络可以应用于风险评估和市场预测。
在物联网领域中,神经网络可以应用于智能交通、智能家居、智能制造等多个方面。
三、智能设备故障诊断系统的设计针对智能设备故障诊断系统的需求,该系统的设计流程如下:1. 数据采集:通过传感器或其他检测设备采集设备的状态数据,包括工作电压、工作温度、工作时间、运行频率等。
2. 数据预处理:将采集到的原始数据进行预处理、清洗、去噪、降维等操作,以提高数据的质量和减小数据集规模。
3. 特征提取:通过特征提取技术,从预处理的数据中提取出与故障相关的特征,例如时间序列分析、频域分析、小波分析等。
4. 模型建立和训练:利用神经网络算法,进行模型的建立和训练,并对模型进行优化,使得模型的泛化能力和预测准确率更高。
5. 故障诊断和预测:将实时采集到的状态数据输入已训练好的神经网络模型中,进行故障的诊断和预测,并输出故障种类、位置和程度等信息。
6. 诊断反馈和维护:将诊断结果反馈给操作员,并进行故障的修复和维护。
四、智能设备故障诊断系统的优点相比传统的故障诊断方法,基于神经网络算法的智能设备故障诊断系统有以下优点:1. 自适应性和灵活性较强:由于神经网络算法可以从数据中学习和推理,因此具有自适应性和灵活性,可以适应不同设备和环境的变化。
收稿日期5225作者简介刘俊琦(2 ),男,湖南人,硕士研究生,主要从事战车故障诊断技术的研究。
文章编号:1002206402(2006)增刊20022203人工神经网络在战车电气设备故障诊断中的应用刘俊琦,汤霞清,杨国振(装甲兵工程学院,北京 100072) 摘 要:针对现代战车电气设备日益复杂、精密程度逐步提高的趋势,将人工神经网络技术引入故障诊断,结合其自主学习、自适应能力强的优势,能帮助维修人员迅速定位故障,具备了高精度、多故障同时实时诊断的能力。
关键词:人工神经网络,电气设备,智能诊断中图分类号:TG 115 文献标识码:AApp lica t ion of Ar tif ic i a l Neura l Networ k i n theFa ult D i agn os is of Veh icle E lectr ic In str um en tL I U Jun 2qi ,TAN G X ia 2qing ,YAN G Guo 2zhen(A ca demy of A rm ored F orce E ng ineer ing ,B e ijing 100072,China ) Abstra ct :For t he elect ric inst rum en t ’s becom ing m o re and m o re com p lica ted in the m odern veh icle ,thea rt ific ial 2neural 2ne t w o rk po ssessing the pow e rful se lf 2study and adap ting ability is adop t ed to i m p rove the t radit i ona l fault diagnosis technology .W ith it the engineer can f ind and repa ir severa l fau lts qu ick ly,exact lyand convenien tly one t i m e.Key words :a rt ificia l neural netw ork ,elect ric inst rum ent ,in telligent diagnosis引 言诊断技术发展至今已经历了三个阶段。
基于人工神经网络的电力系统故障诊断技术研究人工神经网络技术在电力系统的应用中具有广泛的应用前景。
其中,电力系统故障诊断技术是电力系统运行中最为重要的技术之一。
本文将探讨基于人工神经网络的电力系统故障诊断技术研究,以及在电力系统故障诊断方面进行改进的方法。
一、人工神经网络人工神经网络(简称ANN)是模拟人脑神经元之间相互连接的计算系统,以实现信息处理和知识存储,并能自适应地从经验中学习。
ANN的结构与人脑的结构相似,包括输入层、隐含层和输出层。
一般采用BP神经网络进行模型训练,训练完成后可以用于诊断设备故障。
二、基于ANN的电力系统故障诊断方法在电力系统的诊断过程中,ANN具有很好的特征提取和模式识别能力,可以有效地解决复杂设备故障的问题。
目前基于ANN的电力系统故障诊断方法主要分为以下几种:1. BP神经网络模型BP神经网络是一种典型的ANN模型,其训练和预测过程都比较简单。
在电力系统故障诊断方面,BP神经网络可以处理包括高压开关、变压器、发电机等在内的多种设备的故障。
2. RBF神经网络模型RBF神经网络是一种具有高度非线性特征的ANN模型。
在电力系统故障诊断中,RBF神经网络可以有效地处理低压电力设备的故障。
并且,该模型具有很强的学习能力和泛化能力,可以在复杂环境下进行预测和诊断。
3. SOM神经网络模型SOM神经网络是一种具有很强的自组织特征的ANN模型。
在电力系统故障诊断中,SOM神经网络主要用于电力监控系统中,可以对设备的状态进行实时监测和处理。
三、改进基于ANN的电力系统故障诊断方法无论是BP神经网络、RBF神经网络还是SOM神经网络,都存在着一些缺点和不足。
为了使其在电力系统故障诊断方面发挥更大的作用,需要进行改进。
当前,主要有如下改进方法:1. 搭建深度神经网络模型深度神经网络(Deep Neural Network)可以通过多层隐藏层来提高模型的非线性拟合能力。
在应用于电力系统故障诊断时,搭建深度神经网络模型可以提高模型的准确率和诊断精度。
浅谈网络故障诊断技术中人工智能技术的应用网络故障是面向互联网服务的重要问题之一,而人工智能技术则被广泛应用于现代网络故障诊断中。
本文将从网络故障诊断的定义、人工智能技术的发展和应用、以及案例分析等方面,探讨人工智能技术在网络故障诊断中的应用。
一、网络故障诊断的定义网络故障是指网络中某个或某些节点、链接、传输介质等故障,导致网络中断或者网络性能下降的情况。
网络故障诊断就是在出现网络故障时,通过分析网络中各种节点、链接、传输介质等信息,确定故障的位置、性质和原因,以便及时解决问题。
二、人工智能技术的发展和应用人工智能技术是指利用计算机模拟、拓展和扩展人类的智能或产生出一种新的智能。
人工智能技术的发展日新月异,特别是近年来深度学习等技术的广泛应用,极大地推动了人工智能技术的发展。
在网络故障诊断中,人工智能技术主要应用于以下几个方面:1. 数据分析和挖掘方面:利用人工智能技术对网络故障相关数据进行分析和挖掘,帮助诊断网络故障。
2. 自动化故障处理方面:依据先前的配置信息和故障数据,自主制定应对策略。
3. 模式识别方面:利用人工智能技术识别网络故障模式,以达到快速准确地诊断网络故障。
三、案例分析1. 谷歌使用人工神经网络诊断YouTube故障2018年10月,YouTube出现故障,大批用户无法访问。
谷歌随即使用人工神经网络对服务器进行了分析,并对YouTube故障进行了更快的处理。
人工神经网络利用了机器学习和大规模并行计算等技术,帮助谷歌诊断和处理网络故障,缩短了故障处理时间。
2. 阿里巴巴使用自然语言处理技术诊断云服务器故障2018年4月,阿里巴巴云出现了断电突发事故,导致部分用户无法正常使用云服务器。
阿里巴巴利用自然语言处理技术对大量的用户反馈进行分析,并利用人工智能技术确定断电原因和处理措施。
四、总结人工智能技术在网络故障诊断中的应用,可以帮助解决网络故障的诊断问题。
但在实际应用中,仍需考虑技术的可靠性和适用性,同时加强对于安全和隐私方面的保护措施。
基于神经网络的电力设备故障检测与诊断随着电力系统的规模不断扩大和设备的复杂性不断增加,电力设备故障不可避免地会发生。
及时准确地检测和诊断电力设备的故障对于保障电网的安全稳定运行至关重要。
近年来,基于神经网络的故障检测与诊断技术逐渐受到研究者的关注并取得了一定的进展。
一、神经网络在电力设备故障检测与诊断中的应用神经网络是一种模拟人脑神经元网络结构和信号传递机制的数学模型,它具有自适应性、并行处理能力和非线性映射能力等特点,适用于处理复杂的非线性问题。
在电力设备故障检测与诊断中,神经网络可以利用其优势来实现高效准确的故障检测和诊断。
1. 神经网络在电力设备故障类型识别方面的应用故障类型识别是电力设备故障检测与诊断的基础环节,其目的是通过分析设备的工作状态来确定故障的类型。
传统的故障类型识别方法通常使用规则或模型匹配的方式,需要依赖专家经验和大量的先验知识。
而基于神经网络的故障类型识别方法则能够自动地从数据中学习特征,并根据这些特征进行分类。
通过使用神经网络,可以大大提高故障类型识别的准确性和效率。
2. 神经网络在电力设备故障定位方面的应用故障定位是电力设备故障检测与诊断中的另一个重要环节,其目的是确定设备故障的具体位置。
传统的故障定位方法通常使用等效电路模型或电磁波反射法进行推断,需要对电力设备的拓扑结构和工作特性有较深入的了解。
而基于神经网络的故障定位方法则能够通过分析设备的输入-输出关系来推断故障位置,无需对设备的拓扑结构和工作特性进行详细分析。
神经网络具有强大的非线性映射能力,能够从输入数据中学习到设备工作状态与故障位置之间的关系,从而实现准确的故障定位。
二、基于神经网络的电力设备故障检测与诊断的关键技术神经网络在电力设备故障检测与诊断中的应用需要解决一些关键技术问题,以下是其中的几个关键技术。
1. 数据采集与预处理神经网络需要大量的输入数据来进行训练和推断,在电力设备故障检测与诊断中,这些数据可以来自传感器或监测设备。
基于人工智能算法的故障诊断及预测技术研究现代工业设备中,故障的出现往往会给生产带来极大的负担,甚至会导致严重的安全事故。
因此,故障诊断与预测技术的研究成为工业领域中非常重要的问题之一。
而人工智能技术的快速发展给故障诊断及预测带来了新的机遇和挑战。
本文将会介绍基于人工智能算法的故障诊断及预测技术,包括技术的发展与应用现状、主要技术手段、技术的优劣势分析等。
一、技术的发展与应用现状人工智能技术是近年来飞速发展的一项技术,而在故障诊断与预测领域,人工智能技术的应用已经得到了广泛的关注。
目前,基于人工智能的故障诊断及预测技术已经在诸多领域中得到了应用,如电力系统、制造业、航空航天、交通路网、医疗设备等。
其中,电力系统是应用人工智能技术最早最成功的领域之一。
电力系统中,基于人工神经网络的故障诊断与预测技术已经得到了广泛的应用。
在其他领域中,基于人工神经网络、遗传算法、支持向量机等等的故障诊断及预测技术已经得到了成功的应用。
二、主要技术手段1、人工神经网络人工神经网络是一种模仿生物神经系统的数学模型,包括输入层、隐藏层、输出层,隐藏层可以有多个。
神经网络可以处理用于分类、预测和优化的非线性问题,如字符识别和图像处理。
而在故障诊断及预测领域,人工神经网络也可以很好地发挥作用。
通过对人工神经网络进行抽象和建模,可以对故障进行有效的诊断及预测。
2、遗传算法遗传算法是基于生物进化思想而形成的一种优化算法。
其通过具有遗传和进化特性的操作,对优化问题进行求解。
因此,遗传算法被广泛地用于函数优化、机器学习、智能控制等领域。
而在故障诊断及预测领域中,遗传算法可以通过对故障数据的模拟和分析,提取故障信息,以便更好地进行故障诊断与预测。
3、支持向量机支持向量机是一种基于统计学习的方法,用于二类和多类分类等问题。
支持向量机通过在高维空间中构建最优的超平面,将样本点分为两类或多类,进而实现分类。
支持向量机具有高精度、高鲁棒性以及高效率等优点,在故障诊断与预测领域中也有着广泛的应用。
基于人工智能的电力设备故障诊断与预测研究引言:随着科技的发展和人工智能技术的应用,电力设备故障诊断与预测逐渐成为了电力行业的研究热点。
传统的基于经验和规则的故障诊断方法在效率和准确性方面存在一定的限制,而人工智能技术则能够通过学习和模式识别等能力,提供更加精确和高效的故障诊断与预测。
本文将重点探讨基于人工智能的电力设备故障诊断与预测的研究进展,并提出一些未来的研究方向。
一、人工智能在电力设备故障诊断中的应用1.1 机器学习在电力设备故障诊断中的应用随着大数据时代的到来,机器学习技术成为了电力设备故障诊断与预测的重要方法。
通过对大量历史故障数据的学习,机器学习模型能够识别设备故障的特征模式,并根据这些模式来判断设备当前是否存在故障。
1.2 深度学习在电力设备故障诊断中的应用深度学习是机器学习的一种特殊形式,它能够通过多层神经网络的训练,提取数据中的高级特征,从而实现更加准确的故障诊断与预测。
在电力设备故障诊断领域,深度学习技术已经得到了广泛应用,取得了显著的成果。
二、基于人工智能的电力设备故障诊断与预测方法2.1 数据采集与特征提取在实际应用中,为了实现准确的故障诊断与预测,首先需要对设备运行数据进行采集和处理。
其中,数据的特征提取非常关键,有效的特征能够反映出设备的运行状态和潜在故障信息。
2.2 模型训练与优化在获取到设备运行数据并提取特征后,接下来需要建立相应的故障诊断与预测模型。
模型的训练与优化是一个关键环节,通过不断迭代和调整模型参数,提升模型的准确性和稳定性。
三、基于人工智能的电力设备故障诊断与预测案例分析3.1 变压器故障诊断与预测变压器是电力系统中的重要设备,对其故障进行及时诊断和预测,对保障电网运行具有重要意义。
基于人工智能的变压器故障诊断与预测方法不仅可以提高故障的准确率,还能够避免因停电修复导致的经济损失。
3.2 发电机故障诊断与预测发电机作为电力系统的核心设备,一旦出现故障将会对整个系统造成严重影响。
人工智能在故障诊断与维修中的应用随着科技的不断发展与创新,人工智能(Artificial Intelligence,简称AI)的应用范围越来越广泛。
其中,人工智能在故障诊断与维修领域的应用正逐渐得到关注与应用。
本文将探讨人工智能在故障诊断与维修中的应用,并分析其优势和挑战。
一、人工智能在故障诊断中的应用故障诊断是维修工作的重要环节,而传统的故障诊断方法通常依赖于人工操作,费时费力且容易受主观因素的影响。
而引入人工智能技术,可以有效地提高故障诊断的准确性和效率。
1.1 机器学习在故障诊断中的应用机器学习(Machine Learning)是人工智能的重要分支,通过训练模型来使机器能够自动学习和推理。
在故障诊断领域,机器学习可以通过大量的历史数据来建立模型,从而对未知故障进行准确的判断和诊断。
例如,某汽车制造商利用机器学习算法分析了大量车辆的故障数据,建立了一个故障诊断模型。
当车辆出现故障时,该模型能够根据传感器数据和历史故障数据进行诊断,并给出相关的解决方案。
通过机器学习,故障诊断的准确率大大提高,同时还能够节省人力和时间成本。
1.2 深度学习在故障诊断中的应用深度学习(Deep Learning)是机器学习的一种特殊技术,它通过模拟人脑神经元之间的连接来实现自主学习。
在故障诊断中,深度学习可以通过多层神经网络对大量复杂的数据进行分析和学习,从而实现更高级的故障诊断能力。
例如,在电力系统中,深度学习可以应用于故障类型的分类和诊断。
通过训练神经网络,系统能够自动学习各种故障模式,准确判断并定位故障,提高能源供应的稳定性和可靠性。
二、人工智能在维修中的应用维修是故障处理的重要环节,传统的维修工作通常依赖于人工的经验和知识。
而人工智能可以通过智能化的手段来提高维修效率和质量。
2.1 聊天机器人在维修中的应用聊天机器人(Chatbot)是一种能够进行人机对话的软件程序。
在维修过程中,聊天机器人可以扮演人工智能助手的角色,通过与用户进行交互来解决问题和提供帮助。
AI技术在电力系统故障诊断中的应用案例引言:随着人工智能(AI)技术的快速发展,其在电力系统领域的应用逐渐成为焦点。
电力系统作为现代社会不可或缺的基础设施,对能源的供应和稳定性要求极高。
然而,由于复杂的设备结构和多样化的故障模式,故障诊断一直是电力系统维护中最重要且具有挑战性的任务之一。
因此,将AI技术与电力系统故障诊断相结合是提高系统可靠性、降低运维成本的有效途径。
一、背景电力系统是一个复杂而庞大的网络结构,由发电厂、输变电站、配网线路等组成。
在长期运行中,其中的设备很容易出现各种故障,并对整个系统带来连锁反应。
而传统的人工巡检方法不能满足快速准确地发现和定位问题所需。
二、AI技术在故障诊断中的优势1. 数据分析能力:AI技术具备处理大数据的能力,可以从海量数据中提取潜在信息。
对于电力系统,它可以快速监测和分析设备状态数据、温度变化、电流负载等,从而提前发现潜在故障。
2. 智能模型构建:AI技术可以通过建立各类智能模型,例如神经网络和深度学习模型,来对电力系统进行建模。
这些模型能够通过学习历史数据和实时数据来预测可能的故障发生,并提供准确的诊断结果。
3. 实时监控与预警:AI技术能够实时监测电力系统中的各个节点,并在检测到异常情况时及时发出警报。
这种智能预警可以帮助运维人员更快速地对故障进行处理,并降低事故风险。
4. 自动化诊断与维修:AI技术不仅可以自动诊断系统中的故障,还可以给出相应的解决方案。
同时,结合传感器技术与机器人技术,可以实现对电力设备的远程监控甚至自主修复。
三、应用案例1. 基于深度学习的设备故障诊断基于深度学习算法的故障诊断已应用于许多电力系统。
例如,通过利用神经网络和卷积神经网络对电力设备的声音、震动和红外图像等数据进行处理,可以实现对变压器、开关等设备故障的自动识别和定位。
这种方法能够有效减少因人工巡检漏检而带来的安全隐患,提高系统可靠性。
2. 基于数据挖掘的负载异常检测AI技术还可以利用数据挖掘算法来监测电力系统中的负载异常。
基于神经网络的故障诊断研究神经网络作为一种模拟人类大脑神经元连接方式的人工智能技术,具有高度的自适应性和并行计算能力。
因此,它在各个领域的应用越来越广泛,故障诊断也不例外。
在故障诊断领域,基于神经网络的方法已经被广泛地研究和应用。
本文将重点介绍基于神经网络的故障诊断方法及其实现过程。
1. 神经网络在故障诊断中的应用神经网络具有优良的特征提取和分类能力,能够对复杂性高、数据量大、难以描述的系统进行处理和分析。
在故障诊断中,神经网络通常用于建立系统的故障模型。
可以通过输入系统的状态数据,并运用神经网络算法来训练模型,从而得出故障的诊断结果。
2. 基于神经网络的故障诊断方法基于神经网络的故障诊断方法主要有两种:监督学习和非监督学习。
(1) 监督学习监督学习是指在已有的数据库中训练神经网络,利用神经网络进行分类和判别。
例如,将正常工作状态下的数据和异常状态下的数据作为训练集,利用监督学习方法训练神经网络,建立系统的故障模型。
当新的数据输入时,通过神经网络模型进行分析,得出系统是否存在故障。
(2) 非监督学习与监督学习不同的是,非监督学习是指在缺少有标签的信息的情况下,通过输入数据的统计特征和分布进行分类和判别。
在故障诊断中,非监督学习通常使用自编码网络或者聚类分析算法进行非监督学习。
在训练自编码网络时,使用无标签的数据进行训练,对于系统的异常状态,自编码网络往往可以通过还原误差进行检测和诊断。
此外,聚类分析算法也可以通过对大量的无标签数据进行分类,进而实现故障诊断。
3. 基于神经网络的故障诊断实现在实现基于神经网络的故障诊断方法时,需要进行以下步骤:(1) 数据采集和预处理首先需要采集系统数据,并对数据进行预处理,如去除噪声、进行数据归一化等。
(2) 神经网络模型设计根据系统特点,选择合适的神经网络模型,并定义好输入、输出和隐层节点的数目和网络层数。
(3) 模型训练利用数据集对模型进行训练,调整模型参数以提高诊断准确度。
人工智能技术在故障诊断与维修中的应用与发展引言:近年来,人工智能技术在各个领域的应用日趋广泛,其中之一就是在故障诊断与维修领域。
通过智能化系统的引入,人们可以更加高效、准确地发现并解决各种故障问题。
本文将介绍人工智能技术在故障诊断与维修中的应用与发展,并讨论其对于提升工作效率和降低成本的影响。
一、人工智能技术在故障诊断中的应用1. 机器学习在故障诊断中的应用机器学习是人工智能领域的一个重要分支,在故障诊断中得到了广泛应用。
通过收集和分析大量的数据,机器学习算法可以自动学习并建立模型,从而识别和预测故障。
例如,一些智能化设备可以通过监测设备的运行状况和历史数据,使用机器学习算法来检测并预测潜在的故障。
2. 自然语言处理在故障诊断中的应用自然语言处理是人工智能技术的又一重要应用领域,它可以将人类的语言转化为机器可以理解和处理的形式。
在故障诊断中,自然语言处理可以帮助技术人员更好地理解用户的故障报告,并快速定位和解决问题。
通过利用自然语言处理技术,技术人员可以更加高效地与用户进行沟通,减少误解和不必要的时间浪费。
二、人工智能技术在故障维修中的应用1. 机器人技术在故障维修中的应用机器人技术在故障维修中有着广阔的应用前景。
比如,一些智能维修机器人可以通过携带各种传感器和工具,自主地巡检和维修设备。
这些机器人可以通过人工智能算法进行路径规划,避开障碍物,并准确地执行维修操作。
机器人技术的引入可以大大提高故障维修的效率和准确性。
2. 虚拟现实技术在故障维修中的应用虚拟现实技术是人工智能技术的又一应用领域,它可以为技术人员提供逼真的虚拟环境,在其中进行故障维修模拟。
通过虚拟现实技术,技术人员可以模拟各种故障情况,并实时观察和操作。
这种模拟可以帮助技术人员更好地理解并解决各种故障问题,从而提高故障维修的效率和质量。
三、人工智能技术在故障诊断与维修领域的发展趋势1. 数据驱动的故障诊断与维修随着大数据时代的到来,故障诊断与维修也逐渐从经验驱动转向数据驱动。
基于神经网络的机械设备故障诊断技术随着科技的不断进步和机械设备的广泛应用,机械设备故障诊断问题日益凸显。
传统的故障诊断方法需要大量的人工经验和实践经验,存在很大的局限性。
随着神经网络技术的逐渐发展和应用,它已成为机械设备故障诊断中的一种非常有效的方法。
本文将介绍基于神经网络的机械设备故障诊断技术,包括其原理、应用及未来发展趋势。
一、神经网络原理神经网络是一种模仿人类神经系统结构和功能的计算模型。
它利用多个类似于神经元的处理单元进行信息的处理和传递,从而实现某些复杂问题的解决。
神经网络的基本结构包括输入层、隐层和输出层。
每个层中包含多个神经元,它们之间通过连接权重进行信息传递。
神经网络的训练是指根据训练数据对网络的连接权重进行优化,提高网络的预测能力和精度。
常用的训练方法包括反向传播算法、遗传算法等。
二、神经网络在机械设备故障诊断中的应用神经网络在机械设备故障诊断中的应用主要分为两类:基于传感器数据的故障诊断和基于信号分析的故障诊断。
1.基于传感器数据的故障诊断通过监控机械设备的运行状态,采集各种传感器数据,然后把这些数据作为神经网络的输入,进行训练和预测。
在实际应用中,通常采用多个传感器联合监测,从而提高故障诊断的准确性和可靠性。
例如,王贺等人提出了一种基于神经网络的故障预测方法,通过采集风力涡轮发电机的温度、振动等数据,建立神经网络模型,最终成功预测了故障发生的时间和类型。
2.基于信号分析的故障诊断对于某些信号特征突出的机械设备,可以采用基于信号分析的故障诊断方法。
例如,对于机械设备的声音和振动信号,可以提取其频率谱、阶次谱等特征参数,然后训练神经网络模型,进行故障诊断和预测。
例如,陈礼等人提出了一种基于神经网络的轴承振动信号诊断方法,其原理是提取了轴承振动信号的频率谱和相关参数,建立神经网络模型,最终实现轴承故障的预测和诊断。
三、基于神经网络的机械设备故障诊断技术的未来发展趋势随着神经网络技术的不断进步和应用,基于神经网络的机械设备故障诊断将会得到广泛的应用和发展。
人工神经网络在设备故障诊断中的应用
程瑞琪
(西南交通大学 成都 610031)
摘 要 介绍了神经网络技术在设备故障诊断中应用的2个主要方向———故障模式识别和诊断专家系统,对应用的方法、特点及存在的问题也
作了概略分析。
关键词 神经网络 故障诊断 模式识别 专家系统中图分类号 TP 18
近年来人工神经网络(Artificial neural network -ANN )的研究发展迅速,ANN 以其诸多优点在设备状态监测与故障诊断中受到了愈来愈广泛的重视,为设备故障诊断的研究开辟了一条新途径。
ANN 具有以下主要特征:①实现了并行处理机制,可提供高速的信息处理能力;②分布式信息存储,可提供联想与全息记忆的能力;③网络的拓扑结构具有非常大的可塑性,使系统有很高的自适应和自学习能力;④具有超巨量的联接关系,形成高度冗余,使系统具有很强的容错能力;⑤是一类大规模非线性系统,提供了系统自组织与协同的潜力。
本文作者仅就ANN 用于故障模式识别及诊断专家系统这两个方面应用的主要方法、特点及存在的问题作概括介绍。
1 神经网络与故障模式识别
模式识别是ANN 应用的一个较成功的领域,诊断问题实质上就是一种模式分类,是将系统的状态区分为正常状态或某一种故障状态的问题。
通常故障模式的分布是非常不规则的,故要求所用模式分类方法能在模式空间里形成各种非线性分割平面,ANN 的特性使其可以作为一类性能良好的非线性分类器。
1.1 方法及特点
ANN 故障模式识别可用图1所示BP 模型来说明。
图1 BP 网模型
其中网络输入节点对应故障征兆,输出节点对应故障原因。
进行故障模式识别时,先用一批故障样本
对模型进行训练,以确定网络结构(隐层及其节点数)和参数(节点间的联接权);网络训练好后,故障的模式分类就是根据给定的一组征兆,实现征兆集到故障集之间非线性映射的过程。
用ANN 作故障模式识别的特点有:①可用于系统模型未知或系统模型较复杂及非线性系统的故障模式识别;②兼有故障信号的模式变换与特征提取功能;③对系统含有不确定因素、噪声及输入模式不完备的情况不太敏感;④可用于复杂多模式的故障诊断;⑤可用于离线诊断,也能适应实时监测的要求。
1.2 模型
用于故障模式识别的ANN 模型按学习方式可分有监督学习模型和无监督学习模型两大类,前者主要包括B P 网和径向基函数(RB F )网;后者主要包括自适应共振(ART )网和自组织特征映射(SOM )网。
1.2.1 有监督学习模型
BP 网是目前故障诊断中应用最多且较成熟的一种模型,其神经元的非线性映射函数采用Sigmoid 函数,网络训练采用误差反向传播(Back pr opagation )学习算法。
BP 网的结构及学习算法简单,但应用中还存在2个问题:一是关于网络的学习,因BP 算法是自适应最小均方(LMS )算法的推广,故网络的学习速度较慢,且可能陷入局部极小值点,针对这一问题已有许多改进的BP 算法;二是关于网络的结构设计,即如何选取隐层及隐层节点数,目前尚无确定的理论和方法。
根据Hecht -Nilson 的映射定理:对任何闭区间上的一个连续函数,总可以用含一层隐单元的感知器网来映射;目前应用中多采用含一层隐单元的BP 网。
关于隐层节点下限的确定已有一些研究结果,鉴于问题的复杂性,此处不作说明。
选择较多的隐层及隐层节点虽可加快学习速度,但使网络的结构变得复杂,网络的推广能力也会变差。
实际应用中,通常用对测试样本与学习样本的误差进行交叉评价的试错
法来选择隐层及隐层节点数。
RB F 网是一种较新颖的ANN 模型,只有一层隐含层,输出节点是线性的,隐单元采用对称的高斯基
·
13·第12卷第1期
《机械研究与应用》
ME CHANICAL RESE ARCH &APPLICATION Vol 12No .1 1999
函数为非线性变换函数,网络的训练可采用最小二乘(L S )递推学习算法。
因网络结构简单,算法收敛性好,与BP 网相比,RBF 网的学习算法虽较复杂,但训练速度却大大提高。
从已有研究结果看,有监督学习模型有很好的推广能力,用于故障模式识别效果较好;训练好的B P 网和RBF 网计算速度快,消耗内存少,可用于实时监测与诊断。
但是这类模型对学习样本有一定的要求,要求学习样本具有一定的致密性、遍历性和相容性,工程实际中要获得这样的样本有时还很困难。
1.2.2 无监督学习模型
ART 网和SOM 网均属于无监督竞争学习的自组织模型,ART 网可以在线学习,边学习边记忆,给网络一批输入样本,它自动形成一组分类模式。
当一个新的输入不能归入已形成的模式类时,网络又自动形成一个新的模式类;若新的输入在已形成的模式类中可以找到一个相似的类,则这个输入划入该模式类,同时网络向更接近这个输入的方向作调整。
SOM 网采用离线方式学习,能很好地进行特征提取,适用于作最邻近分类器。
目前,自组织模型应用于故障诊断的研究尚少,这类模型是一类次优的模式分类器,其推广性能虽不如有监督学习模型的好,但它具有的自组织和自适应特性正引起人们的广泛关注。
2 神经网络与诊断专家系统
专家系统作为人工智能应用的一个成功典范,在故障诊断领域受到高度重视,诊断专家系统利用专家的知识进行推理,是解决复杂设备故障诊断问题的一种有效方法〔1〕。
但是,传统基于符号的诊断专家系统还存在知识获取困难,知识存储容量与系统运行速度的矛盾及知识的窄台阶效应等问题。
近年来,在人工智能领域发展了基于连接主义机制的专家系统,这类系统利用ANN 的自学习能力和并行推理机制,一定程度上克服了符号专家系统遇到的困难。
2.1 神经网络知识表示及推理机制
ANN 的知识表示方式有2种:局部表示方式和分布式表示方式。
局部知识表示方式中,ANN 的每一个神经元代表一个概念,神经元之间的连接表示概念与概念间的关系,可以根据问题的需要将关系解释成一个概念对另一个概念的关联程度,或问题求解中的推理规则。
通常这些关系是不确定的,特别是对于诊断问题,在知识表示和诊断推理过程中存在许多不确定因素,而不确定知识的获取是相当困难的。
将符号知识转换成ANN 的表示,通过ANN 的学习来获得不确定知识,是研究这种知识表示方式的主要内容。
目前,关于局部知识表示的研究进展比较缓慢。
分布式知识表示是目前研究得比较多的一类ANN 知识表示方法,在这一表示方法中,不论什么知识,ANN 都将它转换为网络的权值和阈值,分布存储在整个网络中,因此这是一种隐含的知识表示方式。
采用这种知识表示方式主要是为利用ANN 的并行计算机制,提高专家系统的推理速度,克服符号系统可能产生的“组合爆炸”及推理复杂性等困难。
知识表示与知识获取和知识利用密切相关,用ANN 表示知识的系统,知识获取是通过一定的学习算法确定网络的结构和参数,推理是对给定的输入通过数值计算求网络的输出;知识获取与推理过程中,根据具体的诊断问题,对网络的输入和输出可能要作一些相应的变换。
可用于知识处理的ANN 模型主要有BP 网、联想记忆(AM )网和模糊认知(FC M )网。
2.2 神经网络/专家系统集成系统
ANN 的知识表示与推理具有知识分布表达和自动获取,以及大规模并行处理及联想记忆等优点,一定程度上模拟了人类的形象思维方式。
但是,在模拟人类复杂层次的思维方面,如基于目标的管理、综合判断和因果分析等,都还远不及传统的符号专家系统。
因此,ANN 对传统的专家系统不应是替代,而应该是互补。
研究符号推理与非符号推理相结合,生成既具有形象思维又具有逻辑推理能力的集成专家系统,是人工智能研究的一个必然方向〔2〕。
神经网络/专家系统的集成方式有串行、并行和混合方式,选择哪种集成方式要根据问题域的特点,进行两者的有机结合。
在大型复杂设备的故障诊断中,通常要涉及到不同的知识源、信息源,这就要求有不同的知识表达方式,不同的知识组织模型和不同的诊断推理策略。
可以认为,对于集成诊断系统的研究目前还有许多问题需要进一步探讨。
3 结束语
故障诊断技术的研究总是在不断吸取其它领域和学科新成果的基础上向前发展的,智能化诊断技术已成为故障诊断领域一个新的研究方向。
国内外许多研究工作证实,ANN 在故障诊断中的应用是可行的和有前途的。
本文作者把ANN 应用的主要方法和特点介绍给从事故障诊断研究与应用的技术人员,目的是使ANN 理论能与实际更好地结合,真正能解决工程实际中设备状态监测与故障诊断问题。
参考文献
1 屈梁生.人工神经网络与机械工程中的智能化问题.中国机械工
程,1997(2):1~4
2 钟秉林,颜廷虎.智能化故障诊断理论与方法的研究现状与展望.
东南大学学报,1993(11):1~11
(收稿日期:1998-05-18)
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14·Vol 12No .1 1999
《机械研究与应用》
ME CHANICAL RESE AR CH &APPLI CATION 第12卷第1期。