CN114963408A - 一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法,包括解决空调系统故障诊断中数据非均衡问题的数据增强模块,数据增强模块为特征增强模块提供充足的数据支持,特征增强模块可以将数据增强模块学习到的特征进行强化,提升故障诊断模型构建模块中的可用信息量,故障诊断模型构建模块通过基于跳跃自注意力的卷积神经网络,可以给予特征不同的关注程度,准确识别空调系统存在的各类故障。本发明可以依靠少量的故障数据实现较高的故障诊断准确度,且能够准确识别各类故障,避免了相关人员采集故障数据带来的各种问题,大大减少了故障诊断所耗费的成本。
Description
技术领域
本发明属于空调故障诊断技术领域,具体涉及一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法。
背景技术
随着生活水平的提高,人们对于室内环境的要求也越来越高,空调系统发挥了越来越重要的作用。目前,空调系统故障检测大多依靠检修人员手动检查,并且维修时间总是远远滞后于故障发生时间。如果空调系统长期处于故障运行状态,不仅会降低室内的舒适度,还会造成大量的能源浪费。
现有的基于数据的空调系统故障诊断方法通常面临着数据非均衡的问题。由于空调系统故障发生频率很低,故障数据通常难以获取,因此,空调的故障数据会远远小于正常运行的数据,这将会导致基于数据的故障诊断方法诊断准确度降低,误判带来的影响也随之增加。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题,提供了一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本技术方案提出了一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法,包括:
故障诊断模型构建模块:所述故障诊断模型构建模块根据增强特征集中的数据,判断空调系统是否发生故障,并判断具体故障类型。
优选的,还包括由生成器和判别器构成的条件生成对抗网络;
将噪声数据和故障数据对应的故障类别输入到生成器中,生成器生成与故障数据分布规律一致的生成数据;
将故障数据、生成数据和其对应的类别输入到判别器中,判别器判断其输入数据是真实故障数据或生成器生成数据;
之后将构成特征集输送到特征增强模块,其中N是特征集数据的维度。
优选的,特征增强模块工作方法包括以下步骤:
S3:构建编码解码网络模型,该模型包括编码器和解码器,编码器包括双向长短期记忆网络,解码器包括多层长短期记忆网络和全连接层,将空调系统的正常运行数据输入到编码解码网络模型中进行训练;
优选的,还包括由若干个自注意力卷积模块和全连接层构成的基于跳跃自注意力的卷积神经网络,自注意力卷积模块之间通过跳跃方式连接,增强特征集的数据经过自注意力层后依次通过卷积层、池化层,最后通过全连接层和Softmax输出具体的故障类型。
优选的,自注意力层实现过程,包括以下步骤:
S11:输入向量input=(r1,r2,...,rn)分别经过三组全连接层得到值向量value=(v1,v2,...,vn)、查询向量query=(q1,q2,...,qn)以及键向量key=(k1,k2,...,kn);
S12:查询向量query=(q1,q2,...,qn)中的每个元素与键向量相乘,然后经过Softmax层得到Score矩阵:
其中,(si1,si2,...,sin)=Softmax(qi·key),i=1,2,...,n;
S13:输出向量output=(a1,a2,...,an)的各个元素由对应位置的Score矩阵的行向量与值向量的转置相乘得到,该输出代表了将输入特征给予不同程度的关注后的结果。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明能够解决空调系统故障诊断中数据非均衡问题,避免了因故障数据较少导致的诊断效率低的问题,减少了获取故障数据的成本投入;并且能够实现对特征的增强,有效增加了故障诊断中的可用信息量,提高了故障诊断的准确度,降低了因误判导致的影响;同时能够给予特征不同程度的关注,能够准确识别各类故障,提高了模型整体性能,大大缩小了故障诊断所需成本。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明整体流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示,本实施例提出了一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法,包括:
数据增强模块:通过单变量特征选择技术和条件生成对抗网络,实现对故障数据的增强。
故障诊断模型构建模块:故障诊断模型构建模块根据增强特征集中的数据,基于跳跃自注意力的卷积神经网络,判断空调系统是否发生故障,并判断具体故障类型。
故障诊断模型构建模块:基于跳跃自注意力的卷积神经网络实现对故障的高效识别与诊断。
还包括由生成器G和判别器D构成的条件生成对抗网络;在工作时,将随机噪声数据连同故障数据标签一起输入到条件生成对抗网络中。
将噪声数据和故障数据对应的故障类别输入到生成器中,生成器生成与故障数据分布规律一致的生成数据;
将故障数据、生成数据和其对应的类别输入到判别器中,判别器判断其输入数据是真实故障数据或生成器生成数据;
判别器的输出介于0-1,输出为0代表判别器认为该数据是生成数据,输出为1代表判别器认为该数据是真实数据。当判别器的输出为0.5时,代表此时判别器无法判断该数据是何种类型。判别器输出接近0.5时的数据是所需数据,将该数据构建生成数据集
之后将构成特征集输送到特征增强模块,其中N是特征集数据的维度,且N<N1。
特征增强模块是为了将数据增强模块学习到的特征进行增强,提高该过程中的可用信息量,以便于后面的故障诊断模块有足够的数据支撑。
S1:将标准化特征集按不同比例(比例分别为 和1)划分为多个特征子集对特征子集求取19个统计特征(分别为平均值、标准差、能量、熵、自相关系数、绝对平均值、峰度、偏度、中位数、最小值、最大值、变异系数、均方根、形状因子、峰值因子、裕度因子、脉冲因子、最大值最小值的差值、最大值平均值的差值),将其统计特征合并得到原始统计特征集
S3:构建编码解码网络模型,该模型包括编码器和解码器,编码器包括双向长短期记忆网络,解码器包括多层长短期记忆网络和全连接层,将空调系统的正常运行数据输入到编码解码网络模型中进行训练;
其中,编码解码网络模型用来获得残差特征,该模型仅仅依靠空调系统的正常运行数据来训练,在训练时,计算正常运行数据与该模型输出的差值,当差值小于1e-3时,表示该模型训练完成。增强特征集是故障诊断模型构建模块的数据来源。
还包括由若干个自注意力卷积模块和全连接层构成的基于跳跃自注意力的卷积神经网络,自注意力卷积模块之间通过跳跃方式连接,增强特征集的数据经过自注意力层后依次通过卷积层、池化层,最后通过全连接层和Softmax输出具体的故障类型。
其中,跳跃方式连接可以解决网络层数较深时梯度消失的问题,同时有助于梯度的反向传播,加快训练过程。
以增强特征集中任意数据样本(r1,r2,...,rn)为例,其中,n是数据维度且n=M+N,自注意力层实现过程,包括以下步骤:
S11:输入向量input=(r1,r2,...,rn)分别经过三组全连接层得到值向量value=(v1,v2,...,vn)、查询向量query=(q1,q2,...,qn)以及键向量key=(k1,k2,...,kn);
S12:查询向量query=(q1,q2,...,qn)中的每个元素与键向量相乘,然后经过Softmax层得到Score矩阵:
其中,(si1,si2,...,sin)=Softmax(qi·key),i=1,2,...,n;
S13:输出向量output=(a1,a2,...,an)的各个元素由对应位置的Score矩阵的行向量与值向量的转置相乘得到,该输出代表了将输入特征给予不同程度的关注后的结果。
数据增强模块可以解决在空调系统故障诊断中数据非均衡的问题,为特征增强模块提供充足的数据支持。数据增强模块能够解决数据非均衡问题,避免了因故障数据较少导致的诊断效率低的问题,减少了获取故障数据的成本投入。
特征增强模块可以将数据增强模块学习到的特征进行强化,提升故障诊断模型构建模块中的可用信息量。特征增强模块能够实现对特征的增强,有效增加了故障诊断中的可用信息量,提高了故障诊断的准确度,降低了因误判带来的影响。
故障诊断模型构建模块通过基于跳跃自注意力的卷积神经网络,可以给予特征不同的关注程度,准确识别空调系统存在的各类故障,并且能够提升模型的整体性能,大大缩小了故障诊断所需成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
5.根据权利要求1所述的一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法,其特征在于,特征增强模块工作方法包括以下步骤:
S3:构建编码解码网络模型,该模型包括编码器和解码器,编码器包括双向长短期记忆网络,解码器包括多层长短期记忆网络和全连接层,将空调系统的正常运行数据输入到编码解码网络模型中进行训练;
6.根据权利要求1所述的一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法,其特征在于,还包括由若干个自注意力卷积模块和全连接层构成的基于跳跃自注意力的卷积神经网络,自注意力卷积模块之间通过跳跃方式连接,增强特征集的数据经过自注意力层后依次通过卷积层、池化层,最后通过全连接层和Softmax输出具体的故障类型。
7.根据权利要求6所述的一种基于数据和特征增强的空调系统非均衡故障诊断方法,其特征在于,自注意力层实现过程,包括以下步骤:
S11:输入向量input=(r1,r2,...,rn)分别经过三组全连接层得到值向量value=(v1,v2,...,vn)、查询向量query=(q1,q2,...,qn)以及键向量key=(k1,k2,...,kn);
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