基于粗糙集人工神经网络的锅炉故障诊断模型
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基于粗糙集的故障诊断特征提取【导言】故障诊断在各个领域中扮演着重要的角色。
精确而及时的故障诊断可以帮助我们解决问题并提高设备和系统的可靠性。
然而,随着技术的不断发展和系统规模的增大,故障诊断的复杂性也在增加。
针对这一问题,基于粗糙集的故障诊断特征提取方法应运而生,为故障诊断研究带来了新的突破。
【正文】1. 粗糙集理论简介粗糙集理论由波兰学者Zdzisław Pawlak于1982年提出,被广泛应用于模糊、不确定和决策论问题。
该理论基于粗糙集、决策规则和等价类的概念,提供了一种处理不完全和不确切信息的方法。
在故障诊断中,粗糙集理论能够帮助我们从数据中提取有用的特征,以用于定位和分析故障。
2. 故障诊断特征提取的挑战在故障诊断中,我们往往需要从大量的数据中提取出包含故障信息的有用特征。
然而,由于数据的复杂性和多样性,特征提取变得非常具有挑战性。
基于粗糙集的故障诊断特征提取方法通过采用近似与精确度的概念,能够从数据中挖掘出具有较高可区分度的特征。
3. 基于粗糙集的故障诊断特征提取方法基于粗糙集的故障诊断特征提取方法主要包括数据预处理、特征选择和模型构建三个步骤。
3.1 数据预处理数据预处理是故障诊断特征提取的第一步。
在这个步骤中,我们需要对原始数据进行质量控制、噪声去除和数据格式转换等操作,以提高数据的可靠性和可用性。
3.2 特征选择特征选择是故障诊断特征提取的核心步骤。
在这个步骤中,我们需要根据数据的性质和目标需求,选择并提取出最具有代表性和判别性的特征。
基于粗糙集的特征选择方法基于精确度和纯度的概念,通过计算每个特征的重要性指标,从而实现特征的筛选和排序。
3.3 模型构建模型构建是故障诊断特征提取的最后一步。
在这个步骤中,我们需要基于已选择的特征构建故障诊断模型。
常用的模型包括决策树、神经网络和支持向量机等。
通过将特征与相应的故障类别进行关联,我们可以实现故障的诊断和定位。
4. 基于粗糙集的故障诊断特征提取方法的优势基于粗糙集的故障诊断特征提取方法具有以下几个优势:4.1 应对不完备和不确定的数据粗糙集理论能够处理不完备和不确定的数据,使得故障诊断在现实环境中更具鲁棒性和适应性。
ABSTRACTWireless Sensor Networks (WSN) is a current emerging and hot technique, its emergence changes the way of human beings interact with nature. WSN has high research value and broad application prospects in the military and civil ,and many other areas. However, as the increased of degree of automation in WSN, its structure has become more complex, and the WSN mainly work on the complex conditions and harsh environments, the nodes of WSN have to bear the wind, sun, rain and many other negative factors, it is prone to failure, so the original design features can not be complete. Moreover, the enviromental conditions in the monitored region in which the nodes of WSN were deployed are similar, most likely the majority of nodes simultaneously fail, and resulting in paralysis of the entire network of WSN. Therefore, it is extremly necessary to monitor the working status of the nodes in WSN in the real-time, the timely and accurate fault diagnosis of nodes in WSN can effectively improve the WSN operation reliability and safety, and ensure that WSN complete the scheduled tasks.In this paper, firstly, studied the characteristics, types, levels of nodes’fault in WSN, and then researched the basis of individual characteristics of the Rough Sets theory and neural network algorithms in depth, study the possibility and the way of integrating the Rough Sets theory and Neural Network algorithms. Based on the characteristics of node in WSN, select the BP neural network to integrated with Rough Sets, because BP has the inherent defects as easy to fall into partial minimal and slow convergence, this paper proposed a new improved AMSABP algorithm, for the condition of the input attribute value of fault monitor system is contineous, this paper proposed the integrated RS-AMSABP fault diagnosis method. Firstly, this method get the most simple decision-making table of the fault diagnosis by the improved discriminate matrix, then established diagnosis rules by the table. Finally, constructed the AMSABP network model by the diagnosis rules, and trainning the network through the sample data. The expriment results of fault diagnosis of the node in WSN show that RS-AMSABP algrithom made the high diagnostic accurate to 99.74% and low calculateIIItime compared with other diagnosis method.Because WSN mainly work in the complex and bad enviroment, when the failure occurred in WSN, the input attribute value of fault monitor system is likely contineous, this paper proposed constructed the rough neuron by the two endpoints of the interval numbers of the input attribute of the fault monitor system, and applied rough decision-making analysis method constructed a decision information system of WSN fault diagnosis with the interval numbers, so the problem of the fault diagnosis of nodes in WSN with the interval numbers can be resolved by the the three-layers feed-forward rough neural network with the interval numbers. The simulation results show the diagnosis algrithom based on the Interval-Numbers Rough Neural Network improved the diagnostic accurate to 99.57% when the computing time was greatly reduced.This paper proposed a whole solution scheme for the fault diagnosi of nodes in WSN, effectively meet the actual needs which the developing of WSN technology and application. It has high practical value.Keywords: Wireless Sensor Networks, Rough Sets Theory, Neural Network, Fault DiagnosisIV目录第一章绪论 (1)1.1WSN概述 (1)1.1.1 WSN的系统架构 (3)1.1.2 WSN节点的基本结构 (3)1.2论文的研究意义 (4)1.3WSN节点的故障诊断 (5)1.3.1 WSN的故障划分 (5)1.3.2 WSN的故障诊断特点 (6)1.3.3 WSN节点的传感模块故障 (7)1.3.4 WSN的节点故障的诊断方法 (8)1.4论文的结构 (9)1.5论文的主要创新点 (10)第二章 ROUGH SETS理论与神经网络算法的集成研究 (11)2.1R OUGH S ETS 与神经网络集成的可能性分析 (11)2.2R OUGH S ETS 与神经网络的集成方式研究 (13)2.2.1 Rough Sets理论和神经网络算法的松耦合 (13)2.2.2 粗糙元神经网络 (13)2.2.3 Rough Sets和神经网络算法的强耦合 (14)2.2.4 其它集成方法 (15)2.3本章小节 (16)第三章基于ROUGH SETS理论的决策表属性约简算法 (17)3.1R OUGH S ETS的知识约简 (17)3.1.1 Rough Sets的约简与核 (17)3.1.2 相对约简 (18)3.2决策表的概述 (20)3.3基于R OUGH S ETS的决策表属性约简算法 (23)3.3.1 决策表的删除属性约简算法 (23)V3.3.2 基于差别矩阵的决策表属性约简算法 (24)3.3.3改进的差别矩阵属性约简算法 (27)3.4本章小节 (29)第四章 RS-AMSABP故障诊断算法 (30)4.1新的改进的BP算法-AMSABP算法 (30)4.1.1 AMSABP算法 (30)4.1.2 基于AMSABP算法的函数逼近实验 (32)4.1.4 基于AMSABP网络算法的WSN节点故障诊断实验 (37)4.2RS-AMSABP算法的提出 (42)4.3基于RS-AMSABP算法的WSN节点故障诊断 (42)4.4本章小节 (47)第五章 INRNN故障诊断算法 (48)5.1含有区间数的粗糙元神经网络 (48)5.1.1 INRNN网络模型 (48)5.1.2 INRNN网络的学习算法 (49)5.2基于INRNN算法的WSN节点故障诊断 (51)5.2.1 WSN节点故障模型的建立与仿真 (51)5.2.2 基于RS-INRNN算法的WSN节点故障诊断实验 (55)5.3本章小节 (59)第六章结论与展望 (60)致谢 (61)参考文献 (62)攻读硕士期间的研究成果 (67)VI第一章绪论第一章绪论1.1 WSN概述二十一世纪是信息时代,人类对信息的需求日益增长,当然也就对信息采集系统的自动化程度以及环境适应性的要求越来越高。
-2333-0引言近年来,一些智能化的锅炉状态监视和故障诊断技术得到了发展和应用。
由于神经网络强大的模式分类能力以及并行处理、高度容错和泛化能力强的特点,在锅炉的故障诊断领域得到了广泛的应用。
锅炉是一个非常复杂的非线性对象,运行中产生地数据信息非常庞大。
使用神经网络进行故障诊断的时候,网络规模较大,样本较多时,训练时间过于漫长,这个固有的缺点制约着神经网络在这一领域进一步实用化[1]。
虽然各种提高训练地算法不断出现,问题依然没有得到解决,化简训练样本集,消除冗余数据是另一条提高训练速度的途径[2]。
本文提出了一种RS (rough sets )理论和ANN (artificial neural network )融合的锅炉故障诊断方法,应用粗糙集理论对神经网络的输入数据进行预处理,消除冗余信息,提取关键成分,以达到减少输入神经元节点,简化网络结构的目的,这样可以缩短网络训练时间,提高故障识别精度[3]。
1诊断系统模型1.1基本思想由于RS 理论只能处理量化数据,因此,需要先将连续条件属性进行量化,再用RS 理论对量化后的属性进行优化组合,最后用量化参数作为训练样本进行神经网络的训练[7]。
建立的诊断系统结构如图1所示,其中包含2个基本部分:粗糙集和神经网络诊断子系统。
1.2粗糙集的数据预处理(1)数据离散化:由于粗糙集只能处理离散属性值,而原始故障诊断系统的属性值是连续的。
因此必须对原始决策系收稿日期:2007-05-02E-mail :roffee2001@作者简介:饶斐(1984-),男,江西黎川人,硕士研究生,研究方向为智能控制理论、计算机管控一体化;张广明(1965-),男,江苏江都人,副教授,研究方向为智能控制理论、特种设备故障诊断技术;费宏举(1984-),男,江苏盐城人,硕士研究生,研究方向为楼宇自动化;张柳(1984-),女,河南南阳人,硕士研究生,研究方向为智能控制算法应用。
基于粗糙集人工神经网络的锅炉故障诊断模型饶斐,张广明,费宏举,张柳(南京工业大学自动化学院,江苏南京210009)摘要:针对锅炉这种大型特种设备,提出了一种基于粗糙集和人工神经网络集成的智能故障诊断方法。
该方法先利用RS 理论建立故障决策表,对原始数据进行约简,并按照一定的原则选取多个约简;然后建立神经网络故障诊断子系统,使用粗糙集处理后的数据计算出故障发生程度。
研究结果表明:该方法能够正确而且高效地诊断出锅炉中各种部件的故障发生的严重程度。
关键词:粗糙集;人工神经网络;锅炉;故障诊断;约简中图法分类号:TP277文献标识码:A文章编号:1000-7024(2008)09-2333-03Fault diagnosis model of boiler based on RS and ANNRAO Fei,ZHANG Guang-ming,FEI Hong-ju,ZHANG Liu(College of Automation,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China )Abstract :It is proposed a intelligent fault diagnosis method based on rough set and artificial neural network for boiler.First,this method build a decision table for fault diagnosis to reduce raw data based on rough set,and choose multiple reduces by some rules.Then,neural network are added into the system to construct several subsystem,which take the data pretreated by rough set as inputs and compute the degrees of the fault.The test results show that the method can quantitatively diagnose the faults of every parts of boiler.Key words :rough sets;ANN;boiler;fault diagnosis;rule acquisition2008年5月计算机工程与设计May 2008第29卷第9期Vol.29No.9Computer Engineering and Design图1故障诊断系统结构分析结果输出神经网络系统最小条件属性集和相应学习样本集决策表约简组织决策表条件属性值量化学习样本集测试样本集相应与最小条件属性集的测试样本集-2334-统中的数据进行离散化处理。
目前对连续量离散化的方法很多,本文采用自组织映射神经网络(SOM )方法。
这是一种无监督自组织竞争学习型前馈神经网络,能通过自组织方式利用大量的训练样本数据来调整网络的权值,分类结果能较为客观地反映数据的实际分布情况。
具体步骤为:①给定SOM网络初始权值=1;③将第维的条件属性值进行分类;⑤把相邻两类边界属性值的均值作为二类地分界值;⑥把条件属性量化参数对该维条件属性进行量化;⑦赋值+1,返回步骤③直到最后一维条件属性;⑧检查数据表是否相容,若相容,停止,否则令+1,返回步骤②。
(2)决策表的形成和知识属性的约简:RS 理论中的知识表示方法是采用决策表的形式。
由离散化后的数据组成决策表,包括条件属性(离散化后的参数)和决策属性(参数所对应的故障种类)。
基于RS 理论的知识约简方法分为两个步骤,一是从决策表删除一些列;二是删除冗余的行;三是删除属性多余的值[4]。
前两步是对决策表进行整体约简,第3步是对每一决策规则(每一行)进行进一步约简,使得在一行中去掉某些属性值后仍能划分到原来的决策类中,这样便可得到多个约简结果。
属性的重要性,即各属性对决策属性的主要程度,可通过分类近似质量来衡量:能正确区分类决策属性2,…1,¸öÉñ¾-ÍøÂç×ÓϵͳÐèҪѵÁ·¡£Èô¸öÉñ¾-ÍøÂç×ÓϵͳµÄÊäÈ룬¹ÊÕϳ̶ȹ¹³ÉÁ˵ڸöÉñ¾-ÍøÂç×Óϵͳ¿ÉÒÔÃèÊöΪ[2]==1,2,…,2锅炉故障诊断实例下面将以火电厂锅炉的一种常见故障——烟道再燃烧为例,详细介绍该系统模型的构成,并验证所提出的方法的有效性。
2.1故障诊断模型建立火力发电厂高温、高压锅炉炉管的工作环境十分恶劣,其管壁金属运行温度和应力在运行过程中逐渐升高,高温再热器发生泄漏及爆管的故障非常明显,是导致锅炉强制停运的最主要原因之一。
通过研究,高温再热器破裂发生时,相应的信号列表会发生比较明显的变化,收集锅炉历史数据库里面的信号信息,可以构建征兆种类集1,£¬¹ÊÕÏÇé¿ö¼¯2,…,故障诊断模型[6]为1,ʽÖУº¡ª¡ªÊä³ö²ãÉñ¾-ÔªÊý¡£¼äµÄ·ÇÏßÐÔÓ³Éä¹ØÏµ1再热蒸汽温度、3烟道内温度、5排烟温度。
该决策表里的决策属性是高温再热器是否破裂,再根据破裂程度分为:2一般再燃烧情况、个,决策表的判决精度不下降,则删除该属性;若去掉条件属性的第。
(3)根据粗糙集理论,计算新决策表的最小约简和核,得到该决策表的最小约简和核。
根据上述的约简过程,得到约简后的最优决策系统如表3所示。
建立RBF 神经网络,网络结构为3—4—3,输入层神经元数为3,分别对应着约简后的3个3个条件属性,隐含层神经元数为4,输出层神经元数为3,分别对应锅炉高温再热器的3表1训练样本数据NO.2410.23050.10150.72040.14160.1500230.25120.12310.51300.34150.0107250.09010.63270.23000.10210.1689170.15570.10090.69230.18260.1031190.16090.11520.52010.30270.26503110.04110.15470.51320.31320.15222130.11620.06890.79060.18110.18611150.02500.40600.47090.12830.02833种故障状态,训练完后用测试样本进行测试结果如表4所示,结果全部识别出来[10]。
为了检验粗糙集与神经网络融合的性能,设计一个RBF 神经网络,直接利用原始的测试数据样本进行故障诊断,网络结构为5—6—3,两套神经网络模型的基本参数如表5所示。
从表5可知,经过粗糙集进行数据预处理的神经网络(RS—ANN)样本数和训练步数都有较大的减少,训练时间也少得多,并且精度有所提高。
用测试样本对训练好的经过粗糙集进行数据预处理的神经网络进行测试,也全部识别正确。