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基于联邦图网络的转子系统故障诊断方法
李晖, 陈银超, 孙绍山, 梁兆鑫, 毛刚, 乔彬, 李永波
航空学报    2024, 45 (17): 530611-530611.   DOI: 10.7527/S1000-6893.2024.30611
摘要   (799 HTML11 PDF(pc) (3984KB)(444)  

转子系统运行环境恶劣、多源监测数据融合困难且易产生数据孤岛现象,对转子系统健康监测带来巨大挑战。本文提出了基于遗传进化构图的联邦图卷积神经网络(FGCN)转子系统故障诊断方法。首先,利用联邦学习和图神经网络,构建联邦图网络框架,通过在每个本地客户端上进行局部模型训练,并通过联邦加权平均算法聚合这些局部模型得到全局模型,这种数据不动、模型动的方式,不仅实现了数据的本地化处理,还确保了模型参数的安全与隐私;此外,为了解决多源传感器数据融合自适应差的问题,提出了遗传进化构图方法,该方法通过模拟生物进化过程中的自然选择和遗传变异机制,在训练过程中自动调整图结构节点之间的连接关系和权重;极大地提高了多源传感器构图的自适应性和灵活性,进而提升故障诊断的准确性。最后,通过在转子故障实验台数据集上进行验证,实验结果表明,所提出的方法能够更充分利用多传感器监测数据,在客户端包含故障种类数量不同的诊断场景中达到了95%以上的故障诊断准确率。



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图 8 多传感器联邦训练下不同构图方法的混淆矩阵
正文中引用本图/表的段落
为了更直观地揭示哪种故障模式对最终结果产生负面影响,本文借助混淆矩阵进行深入分析,如图8所示。从图中可以清晰地看出,不同的构图方法对最终的故障诊断结果具有显著影响。有向路径构图在识别内圈裂纹和外圈裂纹方面的表现较差;而KNN构图则在外圈裂纹的识别上存在明显缺陷,导致部分样本被错误地归类为正常状态;相较之下,余弦相似度构图整体表现稳定,但在处理某些特定故障模式时仍显露出局限性,例如部分内圈裂纹0.2 mm样本被错误地判定为外圈点蚀8 mm,部分外圈点蚀1 mm样本被误判为内圈点蚀8 mm。而所提出的方法在各类故障模式的识别上展现出了高度的准确性,仅有极少数内圈裂纹0.2 mm样本被误判为外圈点蚀8 mm。这一卓越表现归功于该方法在构图过程中所展现出的强大自适应能力。通过有效地捕捉多源传感器数据间的内在联系,从而提取出更具代表性的特征信息。因此,可以确信本文所提出的方法在故障特征提取和多源数据领域具有显著的优势。
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