數(shù)據(jù)融合齒輪箱故障診斷方法

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摘要：為了解決單通道單維度振動信號輸入不能全面表達(dá)齒輪箱故障特征的問題，提出一種基于多傳感器多通道數(shù)據(jù)融合的診斷模型，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于齒輪箱振動信號的特征學(xué)習(xí)和故障分類中。利用連續(xù)小波變換對多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行二維時頻變換，得到二維時頻圖像；構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型，以多通道的時頻圖作為輸入，實現(xiàn)多通道信號特征的故障分類。通過動力傳動綜合故障實驗臺采集到的多通道振動信號對所提方法進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果表明，所提方法的特征提取能力和故障診斷效果優(yōu)于單維度信號輸入的診斷方法，具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：齒輪箱；故障診斷；多傳感器數(shù)據(jù)融合；連續(xù)小波變換；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

齒輪箱作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中必不可少的結(jié)構(gòu)，其在航空航天、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于齒輪箱在復(fù)雜環(huán)境中長時間帶負(fù)荷工作，不可避免地會出現(xiàn)一些運(yùn)行故障，如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些異常，將會造成不可估量的后果。因此，對齒輪箱早期工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和診斷能夠降低各種風(fēng)險，具有重要的意義。近年來，深度學(xué)習(xí)方法研究火熱，其中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ConvolutionalNeuralNetwork，CNN）作為典型的深度學(xué)習(xí)方法，具有強(qiáng)大的特征提取和表達(dá)能力，很多學(xué)者已將該方法應(yīng)用到故障診斷領(lǐng)域中。王海龍［1］提出了一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和CNN的滾動軸承故障診斷方法，將振動信號分解后的分量與原始輸入信號構(gòu)成二維特征圖，輸入到CNN中進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，進(jìn)而實現(xiàn)故障診斷；Chen等［2］利用小波分析處理振動信號，然后輸入到CNN中進(jìn)行故障診斷的研究。然而在上述研究中，全部采用的是單通道的振動數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，無法充分挖掘振動信號的全方面特征，也沒有完全發(fā)揮CNN強(qiáng)大的特征提取能力。為了更加充分的提取齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的全方位狀態(tài)，本文結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種多傳感器多通道信號采集和多傳感器數(shù)據(jù)融合分析的齒輪箱故障診斷方法。

1原理與方法

1．1連續(xù)小波變換

連續(xù)小波變換（ContinueWaveletTransform，CWT）作為一種時間與尺度的信號變換方式，其無論是時域信號還是頻域信息，小波變換均能夠在不同的尺度上較完美的表現(xiàn)出信號的局部特征［3］。對于任意的函數(shù)f（t）∈L2（R）的連續(xù)小波變換為：Wf（a，b）＝〈f，ψa，b〉＝｜a｜－1／2∫Rf（t）ψ（t－ba）—————————dta，b∈R，a≠0（1）式中：ψ為母小波或基本小波；ψ（t）———為ψ（t）的共軛表示；〈f，ψa，b〉為內(nèi)積運(yùn)算，結(jié)果Wf（a，b）用來表示當(dāng)尺度為a、位置偏移為b時的小波函數(shù)系數(shù)。

1．2卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

CNN是一種典型的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有挖掘深層次特征的能力。CNN通常由卷積層、激活層和池化層交替連接構(gòu)成特征提取模塊，由全連接層和Softmax函數(shù)構(gòu)成分類器［4］。卷積層負(fù)責(zé)挖掘特征，其運(yùn)算公式：yl（i，j）＝Kli＊Xl（rj）＝∑W－1j′＝0Kl（j′）ixl（j＋j′）（2）式中：Kl（j′）i為第l層的第i個卷積核的第j′處權(quán)值；xl（j＋j′）為第l層中第j個被卷積的局部區(qū)域；W為卷積核寬度［5］。池化層在保留特征信息的同時，進(jìn)行壓縮降維。其平均池化運(yùn)算原理公式為：Pl（t，j）＝1W∑jWt＝（j－1）W＋1al（i，t）（3）式中：al（i，t）為第l層的第t個神經(jīng)元激活值；W為池化區(qū)域的寬度；Pl（t，j）為池化后的特征［6］。

2多傳感器融合的故障診斷方法

2．1模型設(shè)計

本文設(shè)計的是基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的故障診斷流程：輸入的信息為多傳感器多通道振動信號經(jīng)CWT變換后的二維時頻圖，網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)采取多通道的輸入方式。將工作過程可以分為三個部分：特征數(shù)據(jù)集構(gòu)建、特征融合提取和故障分類診斷［7］。多傳感器數(shù)據(jù)融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。多通道特征數(shù)據(jù)集的構(gòu)造大體可分為兩個步驟：一是從采集到的原始振動信號獲得并加以處理，將n個通道的信號分別按照長度ls進(jìn)行截取操作，預(yù)處理后構(gòu)建m×（ls×n）的信號樣本數(shù)據(jù)集，其中m為樣本個數(shù)；二是將截取后的各段信號分別進(jìn)行CWT分析，構(gòu)成二維的輸入數(shù)據(jù)樣本集。特征融合提?。簩⒔邮軄碜詎個通道的數(shù)據(jù)集，主要依靠卷積池化的堆疊操作實現(xiàn)。卷積層將對輸入的n維特征圖進(jìn)行融合，維度提升實現(xiàn)特征的提取，池化層由局部最大值的方式進(jìn)行抽樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維，同時提高了非線性特征的魯棒性。故障分類部分：由兩個全連接層和一個分類層組成，其中第一個全連接層是將特征融合提取層末端的二維特征集合面進(jìn)行“展平”，即將二維像素點值轉(zhuǎn)換為首尾相連的一維時間序列；第二個全連接層是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的過度操作，避免數(shù)據(jù)信息過大造成分類誤差；最后分類層利用Softmax分類器實現(xiàn)多分類故障的輸出。卷積操作時均采用3×3的小卷積核設(shè)計，減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有利于加深網(wǎng)絡(luò)維度，實現(xiàn)深層次的特征提取同時可以在一定程度上可以減少過擬合。每進(jìn)行兩次卷積操作后進(jìn)行局部最大池化。模型訓(xùn)練的效果除了網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)的選取之外，還受到訓(xùn)練參數(shù)的影響。訓(xùn)練批次為64，學(xué)習(xí)率為0．003。模型的具體參數(shù)如表1所示。

2．2應(yīng)用流程

基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的齒輪箱故障診斷方法，通過布置在齒輪箱箱壁不同監(jiān)測點不同通道的傳感器采集振動信號，利用獲取的信號對設(shè)計的診斷流程進(jìn)行有監(jiān)督的訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的模型經(jīng)測試集進(jìn)行性能評估。診斷流程方法的具體步驟如下：（1）齒輪箱箱壁采集多通道的振動信號，作為數(shù)據(jù)集，并劃分訓(xùn)練集與測試集。（2）將每一個通道的振動信號進(jìn)行預(yù)處理，并通過CWT進(jìn)行時頻分析，生成二維特征圖。（3）搭建用來進(jìn)行故障特征融合提取的網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)，決定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、初始化網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和偏置。（4）將訓(xùn)練樣本集輸入到網(wǎng)絡(luò)模型中，通過正向傳播進(jìn)行訓(xùn)練，反向傳播求得訓(xùn)練誤差，進(jìn)而使得參數(shù)更新，直到網(wǎng)絡(luò)收斂。（5）將測試樣本集輸入到參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化好的網(wǎng)絡(luò)模型中，判斷測試集樣本的準(zhǔn)確程度。確定網(wǎng)絡(luò)整體的輸出。即步驟1、步驟2為多通道數(shù)據(jù)集構(gòu)造，步驟3、步驟4為多數(shù)據(jù)融合特征提取過程。

3實驗處理與分析

3．1多傳感器數(shù)據(jù)集構(gòu)建

本節(jié)以動力傳動綜合故障實驗臺為依托，針對多通道信息數(shù)據(jù)融合的特征提取方法，采取了多個傳感器一起布置的方式，見圖2。圖中共放置了三個加速度傳感器，箱蓋上傳感器為軸向、徑向和垂向三通道采集，軸承端蓋頂端處傳感器采用軸向和徑向兩個通道，端蓋側(cè)方傳感器是軸向通道采集。采取多傳感器放置在齒輪箱的不同位置和不同方向，確保齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)一次就可以獲得包含多種信息的振動信號。研究所使用的數(shù)據(jù)是由布置在箱頂上傳感器的三個通道和端蓋上傳感器的軸向通道采集獲得的。將采集到的共四個通道數(shù)據(jù)，按一定比例隨機(jī)選取分成訓(xùn)練集與測試集，最終得到的數(shù)據(jù)集為：訓(xùn)練集9000，測試集900，信號長度1024。類別標(biāo)簽見表2。

3．2信號時頻分析

針對CNN擅長對圖像進(jìn)行處理的特點，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行CWT生成二維特征圖。為有效的分析數(shù)據(jù)，確定使用復(fù)Morlet小波，尺度因子為256。圖3展示了4個通道下針對內(nèi)圈和裂紋復(fù)合信號經(jīng)CWT變換后的時頻圖，為方便其輸入進(jìn)行了維度壓縮，壓縮后的大小為64＊64。

3．3多傳感器數(shù)據(jù)融合故障診斷

訓(xùn)練集4個通道的數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行多次迭代訓(xùn)練，通過正向訓(xùn)練和反向傳播算法，對網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。為了進(jìn)一步防止網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練發(fā)生過擬合現(xiàn)象，減少訓(xùn)練時間，提高訓(xùn)練效率。本文設(shè)置了不同組迭代次數(shù)，表3為每組迭代次數(shù)后的分類準(zhǔn)確率和損失率?？梢园l(fā)現(xiàn)本種方法在經(jīng)過15次迭代次數(shù)后，就有了很好的效果，測試集的準(zhǔn)確率能夠達(dá)到90％；再后續(xù)的迭代過程中，訓(xùn)練集準(zhǔn)確率基本上都接近或達(dá)到100％，測試集準(zhǔn)確率也在99％及以上。由此可以分析出，該種方法沒有進(jìn)行太多次迭代就能看到效果，有著較強(qiáng)的融合多通道信息的特征提取能力。為了進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)的正向訓(xùn)練和反向傳播的性能，將訓(xùn)練過程前30次迭代情況的損失和準(zhǔn)確率細(xì)節(jié)進(jìn)行展示，發(fā)展趨勢見圖4。通過圖中可以看出，該網(wǎng)絡(luò)遵循正常的訓(xùn)練策略，準(zhǔn)確率隨著迭代次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)上升的趨勢。為了更加清晰地展現(xiàn)各工況的分類效果，通過混淆矩陣對訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)只有類別3中0．01概率的部分被預(yù)測分類到類別四中，其他類別都完美的進(jìn)行了分類。

3．4單傳感器數(shù)據(jù)診斷方法

為驗證多傳感器數(shù)據(jù)融合診斷方法能夠更全面、更完整地分析信號特征，表征設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計了單傳感器單通道振動數(shù)據(jù)的故障診斷實驗。針對不同測點的四通道數(shù)據(jù)，共進(jìn)行4組實驗與本文所提的方法進(jìn)行對比。網(wǎng)絡(luò)的輸入更新為單通道一維信號，之后特征提取部分均與多通道網(wǎng)絡(luò)融合的參數(shù)設(shè)置一致。每種方法重復(fù)進(jìn)行實驗，計算每種狀態(tài)分類準(zhǔn)確率的平均值，結(jié)果如表4所示。通過表4發(fā)現(xiàn)，單傳感器單通道的信號輸入到相同的網(wǎng)絡(luò)模型中，測試后的平均準(zhǔn)確率為97．59％，雖然表現(xiàn)出了較好的特征提取能力，但總體仍低于本章所提出的診斷方法。因此，基于多通道數(shù)據(jù)融合的特征提取網(wǎng)絡(luò)模型能夠較全面的對齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，具有很好的效果。

4結(jié)束語

為了全面分析齒輪箱的工作狀態(tài)，融合多方位的振動信息，提出了一種借用多通道傳感器進(jìn)行信號采集，并利用CNN進(jìn)行特征提取的診斷流程。實驗結(jié)果表明，該種方法有效的利用了多傳感器多通道信號輸入的優(yōu)勢，診斷能力明顯高于單通道信號輸入；CNN能夠更好的融合多傳感器多通道的信息進(jìn)行特征提取，提出的方法具有很高的診斷準(zhǔn)確率。

作者:夏晗鐸 郝如江 程旺單位 石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院