DE112022000106T5 - Transmission fault diagnosis and signal acquisition method, apparatus and electronic device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Getriebefehlerdiagnose und Signalerfassung, eine Vorrichtung und ein elektronisches Gerät, wobei das Diagnoseverfahren Erlangen eines realen Signals des Getriebes und eines durch das Erfassungsverfahren erzeugten analogen Signals umfasst, wobei das reale Signal ein reales Drehmomentsignal, ein reales Schwingungssignal und ein reales Drehsignal umfasst; das analoge Signal und das reale Signal jeweils in ein vorbestimmtes Fehlerdiagnosenetzwerk eingegeben werden, um ein Fehlerdiagnoseergebnis des Getriebes zu erhalten; wobei das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk ein erstes neuronales Netzwerk zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netzwerk mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe der Fehlerdiagnoseergebnisse umfasst, und das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk auf der Grundlage des Trainings der analogen Signale und der realen Signale erzeugt wird. Die Erfindung bietet eine technische Lösung, die die Qualität der Sensordaten verbessert und die Genauigkeit der Getriebefehlerdiagnose erhöht.The present invention relates to a method for transmission fault diagnosis and signal detection, a device and an electronic device, the diagnostic method comprising obtaining a real signal of the transmission and an analog signal generated by the detection method, the real signal being a real torque signal, a real vibration signal and a includes real rotation signal; each of the analog signal and the real signal is input to a predetermined fault diagnosis network to obtain a fault diagnosis result of the transmission; wherein the predetermined fault diagnosis network comprises a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism for outputting the fault diagnosis results, and the predetermined fault diagnosis network is generated based on the training of the analog signals and the real signals. The invention offers a technical solution that improves the quality of the sensor data and increases the accuracy of the transmission fault diagnosis.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Algorithmusentwurfs, insbesondere ein Verfahren zur Getriebefehlerdiagnose und Signalerfassung, eine Vorrichtung und ein elektronisches Gerät.The invention relates to the field of algorithm design, in particular to a method for transmission fault diagnosis and signal acquisition, an apparatus and an electronic device.
Stand der TechnikState of the art
Windkraftanlagen arbeiten das ganze Jahr über unter rauen Umweltbedingungen wie Sandstürmen, Blitzen und Regenfällen, und die Anforderungen an ihren Betrieb und ihre Wartung werden immer strenger, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit ihrer Hauptkomponenten zu gewährleisten. Das Getriebe ist ein wichtiges Kraftübertragungselement für die Windkraftanlagen, dessen Wartung und Austausch zeit- und kostenaufwändig ist, während sein Gesundheitszustand eng mit dem stabilen Betrieb der Windkraftanlagen verbunden ist. In den letzten Jahren haben Forscher in großem Umfang Signalanalysemethoden für die Diagnose von Getriebefehlern eingesetzt, und ihre Methoden verwenden meist statistische Merkmale im Zeit- und Frequenzbereich, Wavelet-Transformation, Fast-Fourier-Transformation, empirische Modalzerlegung usw., um Merkmale aus Getriebestörungssignalen zu extrahieren und dann eine Fehlerdiagnose zu erstellen. In der Praxis weisen Getriebe jedoch komplexe und variable Betriebsbedingungen, verschiedene Signalkomponenten und eine Mischung von Betriebsarten auf, was zu einem nicht stationären Signal führt. Übliche Methoden der Signalanalyse können durch Störkomponenten und eine geringe Auflösung der charakteristischen Signale beeinträchtigt werden, was eine genaue Bestimmung des Fehlerzustands eines Getriebes unmöglich macht. Gleichzeitig ist das endgültige Sensorerfassungssignal mit einer großen Menge an Umgebungsgeräuschen vermischt und hat einen geringen Signal-Rausch-Abstand. Darüber hinaus können die vorhandenen Sensoren in Windparks nur charakteristische Signale wie Windgeschwindigkeit, Spannung und Strom erfassen und keine physikalischen Größen wie Bauteilspannung und Beschleunigung erfassen oder genau messen, so dass sie den Fehlerzustand des Getriebes nicht genau wiedergeben können. Die Verbesserung der Qualität der Sensordaten ist daher für eine genaue Fehlerdiagnose in Getrieben unerlässlich.Wind turbines operate in harsh environmental conditions such as sandstorms, lightning and rainfall all year round, and the requirements for their operation and maintenance are becoming more stringent to ensure the reliability and safety of their main components. The gearbox is an important power transmission element for the wind turbines, which is time-consuming and costly to maintain and replace, while its health condition is closely related to the stable operation of the wind turbines. In recent years, researchers have extensively applied signal analysis methods to diagnose gear failures, and their methods mostly use time-domain and frequency-domain statistical features, wavelet transform, fast Fourier transform, empirical modal decomposition, etc. to extract features from gear failure signals extract and then create an error diagnosis. However, in practice, transmissions exhibit complex and variable operating conditions, different signal components, and a mix of operating modes, resulting in a non-stationary signal. Common methods of signal analysis can be hampered by spurious components and poor resolution of the characteristic signals, making it impossible to accurately determine the fault condition of a transmission. At the same time, the final sensor detection signal is mixed with a large amount of ambient noise and has a low signal-to-noise ratio. In addition, the existing sensors in wind farms can only detect characteristic signals such as wind speed, voltage and current and cannot detect or accurately measure physical quantities such as component voltage and acceleration, so they cannot accurately reflect the fault condition of the gearbox. Improving the quality of sensor data is therefore essential for accurate fault diagnosis in transmissions.
Die Entwicklung der digitalen Zwillingstechnologie bietet eine effektive Strategie für die Echtzeit-Zustandsbewertung von Getrieben in einer variablen Umgebung, indem virtuelle Simulationsmodelle erstellt werden, die die Entwicklung von Fehlern während des tatsächlichen Getriebebetriebs simulieren und eine hochgenaue Simulation mit dem tatsächlichen physischen Getriebe aufrechterhalten können. Die integrierte Multiphysik- und Multiskalensimulation des Getriebes ermöglicht eine genaue Überwachung des Zustands jedes einzelnen Systems des Getriebes und eine Echtzeitausgabe der Erfassungsdaten des Zwillingssystems. Die endgültige Fusion von Modell- und Sensordaten gleicht die Unzulänglichkeiten der von physischen Sensoren erfassten Daten wirksam aus. Derzeit haben einige Entwickler ein Modell zur Diagnose von Getriebefehlern entwickelt, das auf der Technologie des digitalen Zwillings und tiefen neuronalen Netzen zur Fehlererkennung basiert (siehe Patentdokument
Inhalt der Erfindungcontent of the invention
In Anbetracht dessen stellt die vorliegende Ausführung der Erfindung ein Verfahren zur Getriebefehlerdiagnose und Signalerfassung, eine Vorrichtung und ein elektronisches Gerät bereit, wodurch die Qualität der Sensordaten verbessert und die Genauigkeit der Diagnose von Getriebefehlern erhöht wird.In view of this, the present embodiment of the invention provides a transmission fault diagnosis and signal acquisition method, apparatus and electronic device, thereby improving the quality of sensor data and increasing the accuracy of transmission fault diagnosis.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Signalerfassung eines Getriebes, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erstellen eines digitalen Zwillingsmodell auf der Grundlage von Material- und Geometrieparametern der Zahnräder in einem Getriebe; Erlangen eines realen Drehmomentsignals des Getriebes, wobei das reale Drehmomentsignal erste Signaldaten für die Korrektur der Parameter eines digitalen Zwillingsmodells und zweite Signaldaten für die Berechnung eines analogen Signals umfasst; Eingeben der ersten Signaldaten in das digitale Zwillingsmodell, um die Parameter des digitalen Zwillingsmodells zu kalibrieren; Eingeben der zweiten Signaldaten in das korrigierte digitales Zwillingsmodell, um ein analoges Signal zu erzeugen, wobei das analoge Signal ein analoges Schwingungssignal und ein analoges Drehsignal umfasst.According to a first aspect, the present invention provides a method for signal acquisition of a transmission, the method comprising: creating a digital twin model based on material and geometry parameters of gears in a transmission; obtaining a real torque signal of the transmission, the real torque signal comprising first signal data for correcting the parameters of a digital twin model and second signal data for calculating an analog signal; inputting the first signal data into the digital twin model to calibrate the parameters of the digital twin model; Entering the second signal data into the corrected digital twin mo dell to generate an analog signal, the analog signal including an analog vibration signal and an analog rotation signal.
Optional fasst Erstellen eines digitalen Zwillingsmodell auf der Grundlage von Material- und Geometrieparametern der Zahnräder in einem Getriebe Folgendes um: Erhalten von Materialparametern und geometrischen Parametern der aktiven bzw. angetriebenen Räder in dem Getriebe, wobei die Materialparameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: Masseparameter, Massenträgheitsparameter, Steifigkeitsparameter und Dämpfungsparameter; Erstellen von Gleichungen für die Differentialdynamik des Getriebes auf der Grundlage der physikalischen Struktur des Eingriffs zwischen den aktiven und den angetriebenen Rädern unter Verwendung der Materialparameter und der geometrischen Parameter; Berechnen der Simulationsmatrix für den Ausgang des analogen Signals mit Hilfe der Gleichungen der Differentialdynamik des Getriebes; Erstellen eines mathematischen Modells zur Charakterisierung der Zahnradlastbeziehung unter Verwendung der Simulationsmatrix, der Massenträgheitsmatrix, der Dämpfungsmatrix und der Steifigkeitsmatrix und Verwendung des mathematischen Modells als digitales Zwillingsmodell, wobei die Massenträgheitsmatrix auf der Grundlage der Massenparameter und der Massenträgheitsparameter gebildet wird, und wobei die Dämpfungsmatrix auf der Grundlage der Dämpfungsparameter und der Geometrieparameter und die Steifigkeitsmatrix auf der Grundlage der Steifigkeitsparameter und der Geometrieparameter gebildet ist.Optionally, creating a digital twin model based on material and geometry parameters of the gears in a transmission includes: obtaining material parameters and geometric parameters of the active and driven wheels, respectively, in the transmission, the material parameters including at least one of the following parameters: mass parameters, mass inertia parameters, stiffness parameters and damping parameters; generating equations for the differential dynamics of the transmission based on the physical structure of the mesh between the active and driven wheels using the material parameters and the geometric parameters; calculating the simulation matrix for the output of the analog signal using the equations of the differential dynamics of the transmission; Creating a mathematical model to characterize the gear load relationship using the simulation matrix, the inertia matrix, the damping matrix and the stiffness matrix and using the mathematical model as a digital twin model, where the inertia matrix is formed based on the mass parameters and the inertia parameters, and where the damping matrix is based on the Based on the damping parameters and the geometry parameters and the stiffness matrix is formed on the basis of the stiffness parameters and the geometry parameters.
Gemäß einem zweiten Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zur Getriebefehlerdiagnose, das Folgendes umfasst: Erlangen eines realen Signals des Getriebes und eines analogen Signals, das wie in einer der optionalen Ausführungsformen des ersten Aspekts erzeugt wird, wobei das reale Signal ein reales Drehmomentsignal, ein reales Schwingungssignal und ein reales Drehsignal umfasst; Eingeben des analogen Signals bzw. des realen Signals in ein vorbestimmtes Fehlerdiagnosenetzwerk, um ein Fehlerdiagnoseergebnis für das Getriebe zu erhalten; wobei das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk ein erstes neuronales Netzwerk zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netzwerk mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe der Fehlerdiagnoseergebnisse umfasst, und das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk auf der Grundlage des Trainings der analogen Signale und der realen Signale erzeugt wird.According to a second aspect, the invention provides a method for transmission fault diagnosis, comprising: obtaining a real signal of the transmission and an analog signal generated as in any of the optional embodiments of the first aspect, the real signal being a real torque signal, a real vibration signal and a real rotation signal; inputting the analog signal or the real signal into a predetermined fault diagnosis network to obtain a fault diagnosis result for the transmission; wherein the predetermined fault diagnosis network comprises a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism for outputting the fault diagnosis results, and the predetermined fault diagnosis network is generated based on the training of the analog signals and the real signals.
Optional fasst der Schritt des Extrahierens von Merkmalen des Zielsignals auf der Grundlage des ersten neuronalen Netzes unter Verwendung des analogen Signals und/oder des realen Signals als Zielsignal Folgendes um: Zusammenfügen des Zielsignals zu einem zweidimensionalen Ebenenvektor unter Verwendung der Anzahl der abgetasteten Zeitpunkte und der Anzahl der Sensoren des Zielsignals als zweidimensionale Ebenenachsen; Durchführen einer eindimensionalen Faltungsberechnung an dem zweidimensionalen Ebenenvektor auf der Grundlage einer Vielzahl eindimensionaler Faltungskerne derselben Dimension, um eine Vielzahl eindimensionaler ursprünglicher Merkmale zu erhalten; separates Zusammenfassen jedes der eindimensionalen ursprünglichen Merkmale, um eine Vielzahl von eindimensionalen Zeitserienmerkmalen zu erhalten; zweidimensionales Zusammenfügen mehrerer eindimensionaler Zeitserienmerkmale, um einen neuen zweidimensionalen Ebenenvektor zu erhalten, und Anpassen der Anzahl und Dimensionalität der eindimensionalen Faltungskerne; wobei der neue zweidimensionale Ebenenvektor als der zweidimensionale Ebenenvektor verwendet wird, um eine Vielzahl von eindimensionalen ursprünglichen Merkmalen auf der Grundlage des angepassten eindimensionalen Faltungskerns zu erhalten, wobei zu dem Schritt der eindimensionalen Faltungsberechnung des zweidimensionalen Ebenenvektors auf der Grundlage einer Vielzahl von eindimensionalen Faltungskernen der gleichen Dimension zurückgekehrt wird, bis eine vorbestimmte Anzahl von Malen zurückgekehrt ist, um eine Vielzahl von Zielzeitmerkmalen zu erhalten; wobei die Vielzahl von Zielzeitmerkmalen zu einem eindimensionalen Zielvektor zusammengefügt wird und der eindimensionale Zielvektor in eine vorbestimmte, vollständig verbundene Schicht eingespeist wird, um den eindimensionalen Zielvektor über die vorbestimmte, vollständig verbundene Schicht in eine Vielzahl von eindimensionalen abstrakten Merkmalen umzuwandeln, die die gleiche Anzahl von Elementen haben wie die Anzahl von abgetasteten Zeitpunkten, wobei die Anzahl von Elementen der eindimensionalen abstrakten Merkmale die gleiche ist wie die Anzahl von Sensoren.Optionally, the step of extracting features of the target signal based on the first neural network using the analog signal and/or the real signal as the target signal comprises: assembling the target signal into a two-dimensional plane vector using the number of sampled time points and the number of the sensors of the target signal as two-dimensional plane axes; performing a one-dimensional convolution calculation on the two-dimensional plane vector based on a plurality of one-dimensional convolution kernels of the same dimension to obtain a plurality of one-dimensional original features; separately aggregating each of the one-dimensional original features to obtain a plurality of one-dimensional time-series features; two-dimensionally merging a plurality of one-dimensional time-series features to obtain a new two-dimensional plane vector and adjusting the number and dimensionality of the one-dimensional convolution kernels; wherein the new two-dimensional plane vector is used as the two-dimensional plane vector to obtain a plurality of one-dimensional original features based on the adjusted one-dimensional convolution kernel, wherein to the step of one-dimensional convolution computation of the two-dimensional plane vector based on a plurality of one-dimensional convolution kernels of the same dimension returning a predetermined number of times to obtain a plurality of target timing features; wherein the plurality of target time features are assembled into a one-dimensional target vector and the one-dimensional target vector is fed into a predetermined fully connected layer to transform the one-dimensional target vector via the predetermined fully connected layer into a plurality of one-dimensional abstract features having the same number of Elements have like the number of time points sampled, where the number of elements of the one-dimensional abstract features is the same as the number of sensors.
Optional wird eine eindimensionale Faltungsberechnung an dem zweidimensionalen Ebenenvektor unter Verwendung desselben eindimensionalen Faltungskerns auf der Grundlage mehrerer Dimensionen durchgeführt, um mehrere eindimensionale ursprüngliche Merkmale zu erhalten, dazu gehören die folgenden Schritte: für jedes Sensorelement wird eine Vielzahl von Elementen aus dem zweidimensionalen Ebenenvektor mit einer vorbestimmten Anzahl von Abtastzeitpunkten gleitend extrahiert und die Vielzahl von Elementen mit einer vorbestimmten Anzahl von Abtastzeitpunkten wird in eine Vielzahl von zu faltenden eindimensionalen Vektoren gebildet; wobei jeder zu faltende eindimensionale Vektor nacheinander mit dem aktuellen eindimensionalen Faltungskern konvolviert und gerechnet wird, um die aktuellen eindimensionalen ursprünglichen Merkmale zu erzeugen; wobei auf dieser Grundlage jeder zu faltende eindimensionale Vektor der Reihe nach mit dem aktuellen eindimensionalen Faltungskern gefaltet wird, um das aktuelle eindimensionale ursprüngliche Merkmal zu erzeugen, und alle eindimensionalen Faltungskerne durchlaufen werden, bis das eindimensionale ursprüngliche Merkmal, das jedem eindimensionalen Faltungskern entspricht, erhalten wird.Optionally, a one-dimensional convolution calculation is performed on the two-dimensional plane vector using the same one-dimensional convolution kernel based on multiple dimensions to obtain multiple one-dimensional original features, including the following steps: for each sensor element, a plurality of elements from the two-dimensional plane vector with a predetermined number of sampling times is extracted in a sliding manner and the plurality of elements having a predetermined number of sampling times are formed into a plurality of one-dimensional vectors to be convolved; where each one-dimensional vector to be convolved is successively convolved with the current one-dimensional convolution kernel and computed to get the current one-dimensional original ones to generate features; on this basis, each one-dimensional vector to be convolved is convolved in turn with the current one-dimensional convolution kernel to generate the current one-dimensional original feature, and all one-dimensional convolution kernels are traversed until the one-dimensional original feature corresponding to each one-dimensional convolution kernel is obtained .
Optional umfasst der Schritt des Ausgebens von Fehlerdiagnoseergebnissen auf der Grundlage des zweiten neuronalen Netzes: Durchführen eines hierarchischen Aufmerksamkeitsprozesses an der Vielzahl von eindimensionalen abstrakten Merkmalen auf der Grundlage eines linearen Perzeptrons und Verschmelzen der Vielzahl von eindimensionalen abstrakten Merkmalen, um einen Ausgangsvektor zu erhalten; und Eingeben des Ausgangsvektors in einen vorbestimmten Klassifikator , um den vorbestimmten Klassifikator zu veranlassen, die Fehlerdiagnoseergebnisse auszugeben.Optionally, the step of outputting failure diagnosis results based on the second neural network includes: performing a hierarchical attention process on the plurality of one-dimensional abstract features based on a linear perceptron and merging the plurality of one-dimensional abstract features to obtain an output vector; and inputting the output vector to a predetermined classifier to cause the predetermined classifier to output the fault diagnosis results.
Optional wird auf der Grundlage eines linearen Perzeptrons ein hierarchischer Aufmerksamkeitsprozess für die mehreren eindimensionalen abstrakten Merkmale durchgeführt und die mehreren eindimensionalen abstrakten Merkmale verschmolzen wird, um einen Ausgangsvektor zu erhalten, dazu gehören die folgenden Schritte: Eingeben der Vielzahl von eindimensionalen abstrakten Merkmalen in das lineare Perzeptron, um eine Vielzahl von verborgenen Merkmalen zu erhalten; Berechnen einer Vielzahl von Gewichtskoeffizienten, die der Vielzahl von verborgenen Merkmalen entsprechen, mit Hilfe einer Softmax-Funktion, wobei die Gewichtskoeffizienten verwendet werden, um die hierarchische Aufmerksamkeit der verborgenen Merkmale zu charakterisieren; Gewichten und Summieren der Vielzahl von verborgenen Merkmalen unter Verwendung der Vielzahl von Gewichtskoeffizienten, um den Ausgangsvektor zu erhalten.Optionally, based on a linear perceptron, a hierarchical attentional process is performed for the plurality of one-dimensional abstract features and the plurality of one-dimensional abstract features is merged to obtain an output vector, including the following steps: Inputting the plurality of one-dimensional abstract features into the linear perceptron , to obtain a variety of hidden traits; calculating a plurality of weight coefficients corresponding to the plurality of hidden features using a softmax function, the weight coefficients being used to characterize the hierarchical attention of the hidden features; weight and sum the plurality of hidden features using the plurality of weight coefficients to obtain the output vector.
Gemäß einem dritten Aspekt bietet die Erfindung eine Vorrichtung zur Getriebefehlerdiagnose, die Folgendes umfasst: ein Signalerfassungsmodul zum Erfassen eines realen Signals eines Getriebes und eines analogen Signals, das wie in einer der optionalen Ausführungsformen des ersten Aspekts erzeugt wird, wobei das reale Signal ein reales Drehmomentsignal, ein reales Schwingungssignal und ein reales Drehsignal umfasst; ein Fehlerdiagnosemodul zum Eingeben des analogen Signals bzw. des realen Signals in ein vorbestimmtes Fehlerdiagnosenetzwerk, um ein Fehlerdiagnoseergebnis für das Getriebe zu erhalten; wobei das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk ein erstes neuronales Netzwerk zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netzwerk mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe der Fehlerdiagnoseergebnisse umfasst, und das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk auf der Grundlage des Trainings der analogen Signale und der realen Signale erzeugt wird.According to a third aspect, the invention provides an apparatus for transmission fault diagnosis, comprising: a signal acquisition module for acquiring a real signal of a transmission and an analog signal generated as in any of the optional embodiments of the first aspect, the real signal being a real torque signal , a real vibration signal and a real rotation signal; a fault diagnosis module for inputting the analog signal or the real signal into a predetermined fault diagnosis network to obtain a fault diagnosis result for the transmission; wherein the predetermined fault diagnosis network comprises a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism for outputting the fault diagnosis results, and the predetermined fault diagnosis network is generated based on the training of the analog signals and the real signals.
Gemäß einem vierten Aspekt stellt eine Ausführungsform der Erfindung ein elektronisches Gerät bereit, das Folgendes umfasst: einen Speicher und einen Prozessor, wobei der genannte Speicher und der genannte Prozessor kommunikativ miteinander verbunden sind, wobei in dem genannten Speicher Computerbefehle gespeichert sind, wobei der genannte Prozessor die genannten Computerbefehle ausführt und dadurch das im ersten Aspekt oder in einer der optionalen Ausführungsformen des ersten Aspekts beschriebene Verfahren durchführt.According to a fourth aspect, an embodiment of the invention provides an electronic device comprising: a memory and a processor, said memory and said processor being communicatively coupled, said memory storing computer instructions, said processor executes said computer instructions and thereby performs the method described in the first aspect or in one of the optional embodiments of the first aspect.
Gemäß einem fünften Aspekt stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein computerlesbares Speichermedium bereit, wobei das computerlesbare Speichermedium Computerbefehle speichert, wobei die Computerbefehle verwendet werden, um den Computer zu veranlassen, dadurch das im ersten Aspekt beschriebene Verfahren oder eine der optionalen Ausführungsformen des ersten Aspekts durchzuführen.According to a fifth aspect, embodiments of the present invention provide a computer-readable storage medium, the computer-readable storage medium storing computer instructions, the computer instructions being used to cause the computer to thereby perform the method described in the first aspect or any of the optional embodiments of the first aspect.
Die technische Lösung, die durch die vorliegende Anmeldung bereitgestellt wird, hat die folgenden Vorteile:The technical solution provided by the present application has the following advantages:
Diese Patentanmeldung bietet eine technische Lösung, um ein digitales Modell des digitalen Zwillingsmodells zu erstellen, das auf den Materialparametern und geometrischen Abmessungsparametern der Zahnräder in dem Getriebe basiert, woraufhin die Parameter des digitalen Zwillingsmodells durch Simulation in Kombination mit dem realen Drehmomentsignal des Getriebes korrigiert werden. Das digitale Zwillingsmodell entspricht mehr den tatsächlichen Arbeitsbedingungen des Getriebes als herkömmliche Techniken, um die Datenqualität des analogen Signals realistischer zu gestalten. Das reale Drehmomentsignal wird somit als Eingangssignal für das Modell verwendet, und das analoge Schwingungssignal und das analoge Rotationssignal werden ausgegeben. Dies erweitert nicht nur den Bereich der Getriebestörungsdaten, sondern führt auch zu einer höheren Qualität des analogen Signals, wodurch die Fehlerdiagnosegenauigkeit der nachfolgenden Getriebestörungsdiagnose auf der Grundlage der realen Signaldaten und der analogen Signaldaten des Getriebes verbessert wird.This patent application provides a technical solution to create a digital model of the digital twin model based on the material parameters and geometric dimensional parameters of the gears in the gearbox, after which the parameters of the digital twin model are corrected by simulation in combination with the real torque signal of the gearbox. The digital twin model corresponds more closely to the actual working conditions of the gearbox than traditional techniques to make the data quality of the analog signal more realistic. The real torque signal is thus used as input to the model, and the analog vibration signal and the analog rotation signal are output. This not only widens the range of transmission failure data, but also leads to higher analog signal quality, thereby improving the fault diagnosis accuracy of subsequent transmission failure diagnosis based on the transmission real signal data and transmission analog signal data.
Darüber hinaus verwendet die vorliegende Erfindung ein erstes neuronales Netz zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netz mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe von Fehlerdiagnoseergebnissen während der Fehlerdiagnose, um nützliche Probenmerkmale weiter zu verstärken und unbrauchbare Probenmerkmale zu schwächen, wodurch die Genauigkeit der Fehlerdiagnose weiter verbessert wird, wobei der Merkmalsextraktionsschritt des ersten neuronalen Netzes die von der Vielzahl von Sensoren gesammelten Fehlersignale von zweidimensionalen Daten in eindimensionale Daten umwandelt, dann eine eindimensionale Faltung durchführt und dann die resultierenden eindimensionalen Merkmale iterativ in zweidimensionale Daten für eine mehrstufige eindimensionale, zweidimensionale und eindimensionale Merkmalsextraktion aufspaltet. Das Ergebnis ist ein Signal mit ausgeprägteren Merkmalen und der gleichen Dimensionalität wie die ursprünglichen Daten. Dies erleichtert die Klassifizierung der nachfolgenden Fehlermeldungen und erhöht die Diagnosegenauigkeit. Die lineare Perceptron-basierte hierarchische Aufmerksamkeitsverarbeitung von Merkmalsvektoren erhöht die Nichtlinearität des neuronalen Netzes, um die Degradationscharakteristika von Getrieben besser zu berücksichtigen, wodurch die Fehlerdiagnoseergebnisse näher an der realen Situation liegen und die Genauigkeit der Fehlerdiagnose von Getrieben verbessert wird.In addition, the present invention uses a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism to output fault diagnosis results during fault diagnosis to further enhance useful sample features and weaken useless sample features, thereby further improving the accuracy of fault diagnosis. wherein the feature extraction step of the first neural network converts the error signals collected by the plurality of sensors from two-dimensional data to one-dimensional data, then performs one-dimensional convolution, and then iteratively splits the resulting one-dimensional features into two-dimensional data for multi-stage one-dimensional, two-dimensional and one-dimensional feature extraction. The result is a signal with more pronounced features and the same dimensionality as the original data. This makes it easier to classify the subsequent error messages and increases diagnostic accuracy. The linear perceptron-based hierarchical attention processing of feature vectors increases the non-linearity of the neural network to better account for the degradation characteristics of gears, making the fault diagnosis results closer to the real situation and improving the accuracy of gear fault diagnosis.
Figurenlistecharacter list
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die beigefügten Figuren klarer verstanden werden. Die beigefügten Figuren sind schematisch und sollten nicht als Einschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ausgelegt werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zur Signalerfassung eines Getriebes in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 ein Flussblockdiagramm eines Verfahrens zur Signalerfassung eines Getriebes in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung eines typischen geraden zylindrischen Zahnradpaares, das nach dem Stand der Technik ineinandergreift; -
4 eine schematische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zur Getriebefehlerdiagnose in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
5 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Getriebefehlerdiagnose in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
6 eine schematische Darstellung der Struktur des ersten neuronalen Netzes in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
7 ein schematisches Flussdiagramm eines anderen Verfahrens zur Getriebefehlerdiagnose in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
8 ein Diagramm der Variation der Verlustfunktion eines tiefen zeitlichen Diagnosenetzes mit der Anzahl der Iterationen in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
9 eine schematische Darstellung der Struktur einer Vorrichtung zur Signalerfassung eines Getriebes in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
10 eine schematische Darstellung der Struktur eines elektronischen Geräts in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1 a schematic representation of the steps of a method for signal detection of a transmission in an embodiment of the present invention; -
2 a flow block diagram of a method for signal detection of a transmission in an embodiment of the present invention; -
3 Figure 12 is a schematic representation of a typical prior art right cylindrical gear pair meshing; -
4 a schematic representation of the steps of a method for transmission fault diagnosis in an embodiment of the present invention; -
5 a schematic flowchart of a method for transmission fault diagnosis in an embodiment of the present invention; -
6 a schematic representation of the structure of the first neural network in an embodiment of the present invention; -
7 a schematic flow diagram of another method for transmission fault diagnosis in an embodiment of the present invention; -
8th a diagram of the variation of the loss function of a deep temporal diagnostic network with the number of iterations in an embodiment of the present invention; -
9 Fig. 12 is a schematic structure diagram of a transmission signal detection apparatus in one embodiment of the present invention; -
10 12 is a schematic representation of the structure of an electronic device in an embodiment of the present invention;
Um den Zweck, die technischen Lösungen und die Vorteile der Ausführungsformen der Erfindung deutlicher zu machen, werden die technischen Lösungen in den Ausführungsformen der Erfindung im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen in den Ausführungsformen der Erfindung klar und vollständig beschrieben, wobei klar ist, dass die beschriebenen Ausführungsformen ein Teil der Ausführungsformen der Erfindung und nicht alle sind. Ausgehend von den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung fallen auch alle anderen Ausführungsformen, die der Fachmann ohne schöpferische Arbeit erhält, in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.In order to make the purpose, the technical solutions and the advantages of the embodiments of the invention more clear, the technical solutions in the embodiments of the invention are described clearly and fully in the following in conjunction with the accompanying drawings in the embodiments of the invention, it being understood that the described embodiments are part and not all of the embodiments of the invention. Based on the embodiments of the present invention, all other embodiments obtained by those skilled in the art without creative work also fall within the scope of the present invention.
Wie in den
Schritt S101: Erstellen eines digitalen Zwillingsmodell auf der Grundlage von Material- und Geometrieparametern der Zahnräder in einem Getriebe.Step S101: Creation of a digital twin model based on material and geometry parameters of the gears in a gearbox.
Schritt S102: Erlangen des realen Drehmomentsignals des Getriebes, wobei das reale Drehmomentsignal erste Signaldaten zur Korrektur der Parameter des digitalen Zwillingsmodells und zweite Signaldaten zur Berechnung des Analogsignals umfasst, und Einspeisen der ersten Signaldaten in das digitale Zwillingsmodell zur Korrektur der Parameter des digitalen Zwillingsmodells.Step S102: Obtaining the real torque signal of the transmission, the real torque signal comprising first signal data for correcting the parameters of the digital twin model and second signal data for calculating the analog signal, and feeding the first signal data into the digital twin model for correcting the parameters of the digital twin model.
Schritt S103: Eingeben der zweiten Signaldaten in das korrigierte digitales Zwillingsmodell, um ein analoges Signal zu erzeugen, wobei das analoge Signal ein analoges Schwingungssignal und ein analoges Drehsignal umfasst.Step S103: input the second signal data into the corrected digital twin model to generate an analog signal, the analog signal including an analog vibration signal and an analog rotation signal.
Insbesondere wird in dieser Ausführungsform die Signalqualität des simulierten Fehlersignals weiter verbessert und somit ein digitales Zwillingsmodell des Getriebes erstellt, das auf den Materialparametern und geometrischen Maßparametern der Zahnräder im Getriebe basiert, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Zahnradgröße, das Zahnradmaterial, die Materialsteifigkeit, die Dämpfung zwischen den Zahnrädern und die Zahnradmasse, im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken, die einfach ein dreidimensionales Modell zur Erstellung eines digitalen Zwillingsmodells verwenden. Dadurch kann das digitale Zwillingsmodell Bedingungen simulieren, die näher an den realen Bedingungen des Getriebebetriebs liegen. Herkömmliche digitale Zwillingsmodelle, bei denen es sich in der Regel um Simulationen eines einzigen Schwingungssignals handelt. In dieser Ausführungsform werden die geometrischen und materiellen Parameter im digitalen Zwillingsmodell korrigiert, indem eine Gleichung zwischen den Schwingungs- und Drehsignalen und dem Drehmomentsignal aufgestellt und dann zunächst das reale Drehmomentsignal auf der Grundlage einer Finite-Elemente-Simulationssoftware verwendet wird. Das reale Drehmomentsignal wird dann als Anregung in das korrigierte digitale Zwillingsmodell eingegeben, um ein wohlgeformtes analoges Schwingungssignal und ein analoges Drehsignal zu erhalten. Dies führt dazu, dass mehr Arten von Analogsignalen vom digitalen Zwillingsmodell ausgegeben werden und die Qualität der Analogsignale besser ist, was die Genauigkeit der anschließenden Getriebefehlerdiagnose verbessert.In particular, in this embodiment, the signal quality of the simulated error signal is further improved, thus creating a digital twin model of the transmission based on the material parameters and geometric dimensional parameters of the gears in the transmission, including but not limited to the gear size, the gear material, the material stiffness, the Damping between the gears and the gear mass, as opposed to traditional techniques that simply use a three-dimensional model to create a digital twin model. This allows the digital twin model to simulate conditions that are closer to real-life transmission operating conditions. Traditional digital twin models, which are typically simulations of a single vibration signal. In this embodiment, the geometric and physical parameters in the digital twin model are corrected by establishing an equation between the vibration and rotation signals and the torque signal, and then first using the real torque signal based on finite element simulation software. The real torque signal is then input to the corrected digital twin model as an excitation to obtain a well-formed analog vibration signal and analog rotation signal. As a result, more types of analog signals are output from the digital twin model, and the quality of the analog signals is better, which improves the accuracy of the subsequent transmission fault diagnosis.
Konkret umfasst in einer Ausführungsform der obige Schritt S101 insbesondere die folgenden Schritte:
- Schritt 1: Ermittlung von Materialparametern und geometrischen Abmessungsparametern der aktiven und angetriebenen Räder im Getriebe, wobei die Materialparameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: Masseparameter, Trägheitsparameter, Steifigkeitsparameter und Dämpfungsparameter.
- Schritt 2: Erstellen von Differentialdynamikgleichungen für das Getriebe auf der Grundlage der physikalischen Struktur des Eingriffs zwischen den Haupt- und Antriebsrädern unter Verwendung von Materialparametern und geometrischen Maßparametern.
- Schritt 3: Berechnen der Simulationsmatrix für das analoge Ausgangssignal mit Hilfe der Differentialdynamikgleichungen des Getriebes.
- Schritt 4: Unter Verwendung der Simulationsmatrix, der Massenträgheitsmatrix, der Dämpfungsmatrix und der Steifigkeitsmatrix wird ein mathematisches Modell zur Charakterisierung der Zahnradlastbeziehung erstellt und das mathematische Modell als digitales Zwillingsmodell verwendet.
- Step 1: Determination of material parameters and geometric dimensional parameters of the active and driven wheels in the transmission, the material parameters comprising at least one of the following parameters: mass parameters, inertia parameters, stiffness parameters and damping parameters.
- Step 2: Create differential dynamics equations for the gearbox based on the physical structure of the mesh between the main and drive gears using material parameters and geometric dimensional parameters.
- Step 3: Calculate the simulation matrix for the analog output signal using the differential dynamics equations of the gearbox.
- Step 4: Using the simulation matrix, inertia matrix, damping matrix and stiffness matrix, a mathematical model is created to characterize the gear load relationship and the mathematical model is used as a digital twin model.
Konkret wird in dieser Ausführungsform ein mathematisches Gleichungsmodell auf der Grundlage der Zahnradlastbeziehung erstellt, wodurch die Erstellung eines digitalen Zwillingsmodells ermöglicht wird. Zunächst werden Materialparameter wie die Massenparameter, die Trägheitsparameter, die Steifigkeitsparameter und die Dämpfungsparameter ermittelt, gefolgt von den geometrischen Parametern, die die Größe des Zahnrads beschreiben. Die Massenträgheitsmatrix, die Dämpfungsmatrix und die Steifigkeitsmatrix werden dann konstruiert, und diese Implementierung verwendet die folgenden Annahmen beim Aufbau des Getriebesimulationsmodells, um das Getriebe im Idealzustand zu konstruieren:
- 1) Es wird angenommen, dass die Bauteile starr sind, und die elastische Verformung der Zahnräder und Seile wird ignoriert.
- 2) Es wird angenommen, dass sich die ineinandergreifenden Zahnräder nicht voneinander lösen.
- 3) Das Phänomen des umgekehrten Schocks sollte ignoriert werden.
- 1) The components are assumed to be rigid and the elastic deformation of the gears and cables is ignored.
- 2) It is assumed that the meshed gears do not disengage from each other.
- 3) The reverse shock phenomenon should be ignored.
Die zur Bildung des Modells erforderliche Parametermatrix sieht wie folgt aus.
Anschließend werden die Gleichungen der Differentialdynamik für das Getriebe entsprechend der physikalischen Struktur des Getriebes konstruiert, wie in
Anschließend werden die realen Drehmomentsignale Tp0 und Tg0, die in den physikalischen Sensoren überwacht werden, an das digitale Zwillingsmodell weitergegeben, das in Echtzeit mit den Parametern Tp und Tg des digitalen Zwillingsmodells aktualisiert werden kann, und die Material- und Geometrieparameter können mithilfe von Finite-Elemente-Simulationssoftware-Simulationen korrigiert werden. Die aktualisierte Belastungsmatrix ergibt sich wie folgt:
Das Simulationsmodell kann in Matlab gelöst werden, nachdem die Parametervariablen bestimmt wurden, und das digitale Zwillingsmodell, das auf der Lastbeziehung basiert, hat die Form [m]{δ̈̈} + [c]{δ̇} + [k]{δ} = {p}, wodurch ein hohes Maß an Konsistenz zwischen dem digitalen Zwillingsmodell und dem physikalischen Modell erhalten wird. Durch die oben genannten Schritte werden die simulierten Bedingungen des digitalen Zwillingsmodells näher an die realen Bedingungen des Getriebebetriebs herangeführt, so dass das digitale Zwillingsmodell mehr Arten von simulierten Signalen und eine bessere Qualität der simulierten Signale ausgibt und somit die Genauigkeit der anschließenden Fehlerdiagnose des Getriebes verbessert.The simulation model can be solved in Matlab after the parametric variables are determined, and the digital twin model based on the load relation has the form [m]{δ̈̈} + [c]{δ̇} + [k]{δ} = { p}, thereby maintaining a high degree of consistency between the digital twin model and the physical model. Through the above steps, the simulated conditions of the digital twin model are brought closer to the real conditions of transmission operation, so that the digital twin model outputs more types of simulated signals and better quality of the simulated signals, thus improving the accuracy of the subsequent fault diagnosis of the transmission.
Wie in den
Schritt S201: Gewinnung eines realen Signals des Getriebes und eines analogen Signals, das auf der Grundlage der Verfahren in den obigen Schritten S101 bis S 103 erzeugt wurde, wobei das reale Signal ein reales Drehmomentsignal, ein reales Schwingungssignal und ein reales Rotationssignal umfasst, wobei das analoge Signal ein analoges Schwingungssignal und ein analoges Rotationssignal umfasst;Step S201: Obtaining a real signal of the transmission and an analog signal generated based on the methods in the above steps S101 to S103, the real signal including a real torque signal, a real vibration signal and a real rotation signal, the analog signal comprises an analog vibration signal and an analog rotation signal;
Schritt S202: Eingeben des analogen Signals bzw. des realen Signals in ein vorbestimmtes Fehlerdiagnosenetzwerk, um ein Fehlerdiagnoseergebnis für das Getriebe zu erhalten.Step S202: Inputting the analog signal or the real signal to a predetermined fault diagnosis network to obtain a fault diagnosis result for the transmission.
Das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk umfasst ein erstes neuronales Netzwerk zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netzwerk mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe von Fehlerdiagnoseergebnissen, wobei das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk auf der Grundlage von Training mit simulierten Signalen und realen Signalen erzeugt wird.The predetermined fault diagnosis network comprises a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism for outputting fault diagnosis results, the predetermined fault diagnosis network being generated based on training with simulated signals and real signals.
Insbesondere wird in dieser Ausführungsform das in den Schritten S101 bis S103 erzeugt analoges Signal zusammen mit dem realen Signal als Eingangsdaten für das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk verwendet, was den Signaltyp und die Signalqualität verbessert, wodurch die Genauigkeit des Fehlerdiagnosenetzwerks bei der Klassifizierung des fehlerhaften Signals verbessert wird. Darüber hinaus umfasst das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetz in dieser Ausführungsform ein erstes neuronales Netzwerk zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netzwerk mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe von Fehlerdiagnoseergebnissen. Das zweite neuronale Netzwerk, das auf einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus basiert, kann eine mehrstufige Aufmerksamkeit bilden, indem es die vom ersten neuronalen Netzwerk extrahierten Merkmale in mehrere Stufen mit einer logischen Zwischensumme aufteilt. Die Aufmerksamkeit wird auf die relevanten Teile der Szene gelenkt und die unwichtigen Teile werden ignoriert. Der Aufmerksamkeitsmechanismus ist im Wesentlichen eine effiziente Zuteilung von Informationsverarbeitungsressourcen. Durch die Zuweisung unterschiedlicher Gewichtungen für die Modelleingangsmerkmale, die Fokussierung der Aufmerksamkeit auf Informationen, die als kritischer für die Gegenwart angesehen werden, und die Hervorhebung der Auswirkungen von Schlüsselmerkmalen auf das Modell kann der Aufmerksamkeitsmechanismus das Problem der Informationsüberlastung lösen und die Modelleffizienz und Vorhersageleistung verbessern. Dies führt zu genaueren Fehlerdiagnoseergebnissen, die auf tieferen und kritischeren Merkmalsinformationen beruhen.In particular, in this embodiment, the analog signal generated in steps S101 to S103 is used together with the real signal as input data for the predetermined fault diagnosis network, which improves the signal type and signal quality, thereby improving the accuracy of the fault diagnosis network in classifying the faulty signal. Furthermore, in this embodiment, the predetermined fault diagnosis network includes a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism for outputting fault diagnosis results. The second neural network, based on a hierarchical attention mechanism, can form multi-level attention by dividing the features extracted by the first neural network into multiple levels with a logical subtotal. Attention is drawn to the relevant parts of the scene and the unimportant parts are ignored. The attentional mechanism is essentially an efficient allocation of information processing resources. By assigning different weights to the model input features, focusing attention on information considered more critical to the present, and highlighting the impact of key features on the model, the attention mechanism can solve the information overload problem and improve model efficiency and prediction performance. This leads to more accurate fault diagnosis results based on deeper and more critical feature information.
Insbesondere wird in einer Ausführungsform das analoge und/oder reale Signal als Zielsignal verwendet, und die Merkmalsextraktion des Zielsignals wird auf der Grundlage des ersten neuronalen Netzwerks durchgeführt, das insbesondere die folgenden Schritte umfasst.In particular, in one embodiment, the analog and/or real signal is used as the target signal and the feature extraction of the target signal is performed based on the first neural network, which specifically comprises the following steps.
Schritt 5: das Zielsignal wird zu einem zweidimensionalen Ebenenvektor zusammengesetzt, wobei die Anzahl der abgetasteten Zeitpunkte und die Anzahl der Sensoren als zweidimensionale Ebenenachse verwendet werden.Step 5: the target signal is assembled into a two-dimensional plane vector using the number of sampled time points and the number of sensors as the two-dimensional plane axis.
Schritt 6: eine Vielzahl von eindimensionalen ursprünglichen Merkmalen wird erhalten, indem eine eindimensionale Faltungsberechnung an einem zweidimensionalen Ebenenvektor auf der Grundlage einer Vielzahl von eindimensionalen Faltungskernen der gleichen Dimension durchgeführt wird.Step 6: a plurality of one-dimensional original features are obtained by performing a one-dimensional convolution calculation on a two-dimensional plane vector based on a plurality of one-dimensional convolution kernels of the same dimension.
Schritt 7: separates Zusammenfassen der eindimensionalen Rohmerkmale, um eine Vielzahl eindimensionaler zeitlicher Merkmale zu erhalten.Step 7: Separately aggregate the raw one-dimensional features to obtain a plurality of one-dimensional temporal features.
Schritt 8: eine Vielzahl von eindimensionalen zeitlichen Merkmalen wird zweidimensional zusammengefügt, um einen neuen zweidimensionalen Ebenenvektor zu erhalten, und die Anzahl und Dimensionalität der eindimensionalen Faltungskerne werden angepasst.Step 8: a plurality of one-dimensional temporal features are two-dimensionally assembled to obtain a new two-dimensional plane vector, and the number and dimensionality of the one-dimensional convolution kernels are adjusted.
Schritt 9: der neue zweidimensionale Ebenenvektor wird als zweidimensionaler Ebenenvektor verwendet, basierend auf dem angepassten eindimensionalen Faltungs-Kernel, und kehrt zu Schritt sechs zurück, bis eine vorbestimmte Anzahl von Malen zurückgekehrt ist, um eine Vielzahl von Ziel-Timing-Merkmalen zu erhalten.Step 9: the new two-dimensional plane vector is used as a two-dimensional plane vector based on the adjusted one-dimensional convolution kernel and returns to step six until a predetermined number of times to return to obtain a plurality of target timing features.
Schritt 10: Zusammenfügen der Vielzahl von Zielzeitmerkmalen zu einem eindimensionalen Zielvektor und Eingeben des eindimensionalen Zielvektors in eine vorbestimmte vollständig verbundene Schicht, um den eindimensionalen Zielvektor in eine Vielzahl von eindimensionalen abstrakten Merkmalen zu transformieren, die die gleiche Anzahl von Elementen haben wie die Anzahl von abgetasteten Zeitpunkten über die vorbestimmte vollständig verbundene Schicht, wobei die Anzahl von Elementen der eindimensionalen abstrakten Merkmale die gleiche ist wie die Anzahl von Sensoren.Step 10: merging the plurality of target time features into a one-dimensional target vector and inputting the one-dimensional target vector into a predetermined fully connected layer to transform the one-dimensional target vector into a plurality of one-dimensional abstract features that have the same number of elements as the number of sampled points in time over the predetermined fully connected layer, where the number of elements of the one-dimensional abstract features is the same as the number of sensors.
Konkret wird in dieser Ausführungsform eine eindimensionale Faltungsmethode verwendet, die sich vom Stand der Technik unterscheidet, um Merkmalsdaten mit derselben Dimension wie die Eingangssignaldaten und mit vielfältigeren Merkmalen zu erhalten. Wie in der
konkret wird das Zielsignal zu einem zweidimensionalen Ebenenvektor zusammengesetzt, wobei die Anzahl der abgetasteten Zeitpunkte und die Anzahl der Sensoren als zweidimensionale Ebenenachse verwendet werden. Das heißt, die Signaldaten, die ursprünglich in das erste neuronale Netz eingegeben wurden, sind zweidimensionale, planare Daten mit der Abtastzeit als y-Achse und der Seriennummer des Signalsensors als x-Achse. Die ersten extrahierten Signalmerkmale werden dann durch eine eindimensionale Faltungsberechnung der zweidimensionalen ebenen Daten auf der Grundlage mehrerer eindimensionaler Faltungskerne der gleichen Größe erhalten. Im Vergleich zur bestehenden Technologie, die einen eindimensionalen Faltungskern verwendet, um die eindimensionalen Eingangssignale direkt zu falten, kombiniert die vorliegende Ausführungsform mehrere Signale zu zweidimensionalen Daten und führt dann eine eindimensionale Faltung durch, so dass verschiedene Signalsequenzen gemischt werden und die erhaltenen Merkmalsinformationen umfassender und repräsentativer sind. Darüber hinaus werden im Vergleich zum Stand der Technik eindimensionale Faltungskerne direkt auf zweidimensionalen, ebenen Daten zur zeilenweisen oder spaltenweisen Faltungsberechnung verwendet. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von ihr durch die folgenden spezifischen Arbeitsschritte:
- 1. gleitende Extraktion einer Vielzahl von Sätzen von Elementen einer vorbestimmten Anzahl von Abtastzeitpunkten aus einem zweidimensionalen Ebenenvektor für jedes Sensorelement, und Bilden einer Vielzahl von eindimensionalen Vektoren, die aus der Vielzahl von Sätzen von Elementen der vorbestimmten Anzahl von Abtastzeitpunkten gefaltet werden sollen.
- 2. Falten jedes eindimensionalen Vektors, der mit dem aktuellen eindimensionalen Faltungskern gefaltet werden soll, um die aktuellen eindimensionalen Rohmerkmale zu erzeugen.
- 3. auf der Grundlage von Schritt 2 alle 1D-Faltungskerne durchlaufen, bis die 1D-Rohmerkmale, die jedem 1D-Faltungskern entsprechen, erhalten werden.
- 1. sliding extraction of a plurality of sets of elements of a predetermined number of sampling times from a two-dimensional plane vector for each sensor element, and forming a plurality of one-dimensional vectors to be convolved from the plurality of sets of elements of the predetermined number of sampling times.
- 2. Convolve each one-dimensional vector to be convolved with the current one-dimensional convolution kernel to produce the current raw one-dimensional features.
- 3. Based on step 2, iterate through all 1D convolution kernels until the raw 1D features corresponding to each 1D convolution kernel are obtained.
Konkret stellt beispielsweise die x-Achse der 2D-Planardaten die Sensornummer und die y-Achse die Anzahl der Abtastzeitpunkte dar, und eine vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Abtastzeitpunkte (z. B. zwei) wird auf der y-Achse bestimmt, und dann werden die Daten für alle Sensoren, die den Abtastzeitpunkten entsprechen, per Schieber abgeholt (z. B. werden, beginnend mit der ersten Zeile, zwei Datenzeilen auf den 2D-Planardaten auf einmal genommen, d. h. zwei Abtastzeitpunkte, bis alle Datenzeilen durchlaufen sind). Anschließend werden die zu den vorgegebenen Abtastzeitpunkten erfassten Daten mit der Sensor-Seriennummer zu einer 1D-Sequenz verkettet (z. B. werden nach der Erfassung von jeweils zwei Datenreihen die beiden Reihen zu einer 1D-Sequenz verkettet). Dann werden die eindimensionalen Sequenzdaten, die aus jedem Stitching erhalten werden, einmal gefaltet, bis die gesamten eindimensionalen Sequenzdaten gefaltet sind, und die Ergebnisse mehrerer Berechnungen werden erhalten, und dann werden die Ergebnisse jeder Berechnung zu einem eindimensionalen Merkmalsvektor zusammengefügt, d.h. die ursprünglichen eindimensionalen Merkmale werden erhalten. Schließlich werden auf der Grundlage von Schritt 2 alle eindimensionalen Faltungskerne durchlaufen, bis die ursprünglichen eindimensionalen Merkmale, die jedem eindimensionalen Faltungskern entsprechen, erhalten werden.Concretely, for example, the x-axis of the 2D planar data represents the sensor number and the y-axis represents the number of sampling times, and a predetermined number of consecutive sampling times (e.g. two) is determined on the y-axis, and then the data for all sensors corresponding to the sampling instants are fetched via slider (e.g., starting with the first row, two data rows on the 2D planar data are taken at a time, i.e. two sampling instants until all data rows are traversed). The data acquired at the specified sampling times are then concatenated with the sensor serial number to form a 1D sequence (e.g. after the acquisition of two data rows each, the two rows are concatenated to form a 1D sequence). Then the one-dimensional sequence data obtained from each stitching is convolved once until the entire one-dimensional sequence data is convolved, and the results of multiple calculations are obtained, and then the results of each calculation are assembled into a one-dimensional feature vector, that is, the original one-dimensional features will get. Finally, based on step 2, all one-dimensional convolution kernels are traversed until the original one-dimensional features corresponding to each one-dimensional convolution kernel are obtained.
D. h. für gegebene zweidimensionale Sensordaten X = [x1 x2 ··· xi ··· xn]T ∈Rn×m, wobei n die Länge der Sensorzeitreihe ist, dann die dem i-ten Zeitschritt entsprechenden Daten xi = [x1,i x2,i L xm,i]T sind, wobei m die Anzahl der Sensoren angibt. Außerdem soll der Vektor Xi:i+t-1 die i-te Eingangsprobe wie folgt darstellen:
Da ein einzelner Faltungskern nur eine Merkmalskarte aus dem Eingangsvektor extrahieren kann, werden mehrere Faltungskerne verwendet, um mit dem Eingangsvektor zu arbeiten, so dass ein vollständigeres Fehlermerkmal extrahiert wird.Because a single convolution kernel can only extract one feature map from the input vector, multiple convolution kernels are used to operate on the input vector so that a more complete error feature is extracted.
Im siebten Schritt werden dann die mehreren eindimensionalen Rohmerkmale, die von der Faltungsschicht ausgegeben werden, unter Verwendung der Poolingschicht heruntergetastet, um mehrere eindimensionale zeitliche Merkmale zu erhalten. Zum einen extrahiert die Poolingschicht die wichtigsten Teile jeder Merkmalszuordnung, zum anderen wird durch diese Operation die Anzahl der Merkmalsdimensionen erheblich reduziert, was sie ideal für die Verarbeitung hochdimensionaler Daten macht. Der maximale Poolingvorgang wird wie folgt ausgedrückt:
Zur weiteren Verbesserung der extrahierten Merkmale, damit diese vollständiger und repräsentativer werden, werden in dieser Ausführungsform die erhaltenen mehrfachen eindimensionalen zeitlichen Merkmale wieder in zwei Dimensionen gespleißt, um einen neuen zweidimensionalen Ebenenvektor zu erhalten, und die Anzahl und Dimensionalität des ursprünglichen eindimensionalen Faltungskerns wird angepasst. Der neue zweidimensionale Ebenenvektor wird dann als zweidimensionaler Ebenenvektor verwendet, und die Schritte sechs bis sieben werden unter Verwendung des angepassten eindimensionalen Faltungskerns bis zu einer festgelegten Anzahl von Malen wiederholt. In dieser Ausführungsform werden drei Merkmale extrahiert, was zu einer Vielzahl von Zielzeitmerkmalen mit noch besserer Merkmalsleistung führt.In this embodiment, to further improve the extracted features to make them more complete and representative, the obtained multiple one-dimensional temporal features are spliced again in two dimensions to obtain a new two-dimensional plane vector, and the number and dimensionality of the original one-dimensional convolution kernel is adjusted. The new two-dimensional plane vector is then used as the two-dimensional plane vector, and steps six through seven are repeated a specified number of times using the adjusted one-dimensional convolution kernel. In this embodiment, three features are extracted, resulting in multiple target time features with even better feature performance.
Schließlich werden die mehreren Ziel-Timing-Merkmale zuerst und zuletzt zu einem eindimensionalen Ziel-Vektor zusammengefügt, und dann wird der eindimensionale Ziel-Vektor in eine vorbestimmte, vollständig verbundene Schicht eingespeist, um ihn in mehrere eindimensionale abstrakte Merkmale umzuwandeln, die die gleiche Anzahl von Elementen haben wie die Anzahl der vollständig abgetasteten Zeitpunkte des Signals, und wobei die Anzahl der Elemente jedes eindimensionalen abstrakten Merkmals die gleiche ist wie die Anzahl der Sensoren, indem die Dimensionalität und die Anzahl der eindimensionalen Ziel-Vektoren über die vorbestimmte, vollständig verbundene Schicht angepasst wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Signaleingangsdaten genau der Dimension der Merkmalsdaten entsprechen, und das Problem der geringeren Genauigkeit aufgrund der geringeren Datenmenge bei der Merkmalsextraktion wird vermieden.Finally, the multiple target timing features are assembled first and last into a one-dimensional target vector, and then the one-dimensional target vector is fed into a predetermined fully connected layer to transform it into multiple one-dimensional abstract features that have the same number of elements as the number of fully sampled instants of the signal, and where the number of elements of each one-dimensional abstract feature is the same as the number of sensors by increasing the dimensionality and the number of one-dimensional target vectors over the predetermined fully connected layer is adjusted. This ensures that the signal input data corresponds exactly to the dimension of the feature data and avoids the problem of lower accuracy due to the smaller amount of data in feature extraction.
In einer Ausführungsform umfasst die Ausgabe eines Fehlerdiagnoseergebnisses auf der Grundlage des zweiten neuronalen Netzes insbesondere die folgenden Schritte:
- Schritt 11: Separate Dimensionserweiterung der mehreren eindimensionalen abstrakten Merkmale.
- Schritt 12: die erweiterte Vielzahl eindimensionaler abstrakter Merkmale wird für hierarchische Aufmerksamkeit auf der Grundlage eines linearen Perzeptrons verarbeitet, und die Vielzahl eindimensionaler abstrakter Merkmale wird fusioniert, um einen Ausgangsvektor zu erhalten.
- Schritt 13: Der Ausgangsvektor wird in den vorbestimmten Klassifikator eingegeben, um den vorbestimmten Klassifikator zu veranlassen, ein Fehlerdiagnoseergebnis auszugeben.
- Step 11: Separate dimensional expansion of the multiple one-dimensional abstract features.
- Step 12: the extended plurality of one-dimensional abstract features are processed for hierarchical attention based on a linear perceptron, and the plurality of one-dimensional abstract features are fused to obtain an output vector.
- Step 13: The output vector is input to the predetermined classifier to cause the predetermined classifier to output a failure diagnosis result.
Konkret wird in dieser Ausführungsform der hierarchische Aufmerksamkeitsmechanismus verwendet, um hochrangige Merkmalsinformationen (d. h. eindimensionale abstrakte Merkmale) aus der Ausgabe des ersten neuronalen Netzes zu fusionieren. Zuvor werden die eindimensionalen abstrakten Merkmale zunächst dimensional erweitert. Aufmerksamkeitsnetze können die Eingabesequenz auf drei Arten dimensional erweitern, um die Merkmalsgenauigkeit weiter zu verbessern. Bei der ersten Methode wird das erste Moment der Daten in der Zeitdimension eine vorgegebene Anzahl von Malen wiederholt. In einem komplexen physikalischen System kann der Wert des ersten Moments die Richtung und den Verlauf des physikalischen Systems stark beeinflussen, so dass die Betonung der Bedeutung des ersten Moments nach der dimensionalen Erweiterung zu genaueren eindimensionalen abstrakten Merkmalen führen kann. Die beiden verbleibenden Behandlungen werden zu jedem Zeitpunkt vom ersten Moment der Daten subtrahiert bzw. multipliziert, um die Degradationsinformationen in mehreren Dimensionen zu betrachten und dem Aufmerksamkeitsnetz zu helfen, Degradationsmerkmale umfassender und reichhaltiger zu lernen.Specifically, in this embodiment, the hierarchical attention mechanism is used to fuse high-level feature information (i.e., one-dimensional abstract features) from the output of the first neural network. Before that, the one-dimensional abstract features are first dimensionally expanded. Attention networks can dimensionally expand the input sequence in three ways to further improve feature accuracy. The first method repeats the first moment of the data in the time dimension a predetermined number of times. In a complex physical system, the value of the first moment can greatly affect the direction and course of the physical system, so emphasizing the importance of the first moment after dimensional expansion can lead to more accurate one-dimensional abstract features. The two remaining treatments are subtracted and multiplied from the first moment of the data at each time point to view the degradation information in multiple dimensions and help the attention network learn degradation features more comprehensively and richly.
Die versteckten Zustände der Fehlermerkmale werden dann für jeden Moment auf der Grundlage eines linearen Perzeptrons berechnet, um die Nichtlinearität des Netzes zu erhöhen und die verschlechterten Merkmale des Getriebes besser anzupassen. Die versteckten Zustände werden dann normalisiert, und die normalisierte Eingabesequenz wird dann mit den Gewichten multipliziert, um eine Merkmalsfusion zu erreichen. Schließlich werden die vom hierarchischen Aufmerksamkeitsnetz ausgegebenen Merkmalsvektoren in einen vordefinierten Klassifikator (u. a. Softmax-Klassifikator, logistischer Klassifikator) eingespeist, um eine Fehlerdiagnose des Getriebes zu erreichen.The hidden states of the fault features are then computed for each moment based on a linear perceptron to increase the non-linearity of the network and better match the degraded features of the transmission. The hidden states are then normalized and the normalized input sequence is then multiplied by the weights to achieve feature fusion. Finally, the feature vectors output by the hierarchical attention network are fed into a predefined classifier (e.g. softmax classifier, logistic classifier) in order to achieve a fault diagnosis of the transmission.
Konkret umfasst in einer Ausführungsform der obige Schritt 12 insbesondere die folgenden Schritte:
- Schritt 14: Mehrere eindimensionale abstrakte Merkmale werden nacheinander in das lineare Perzeptron eingegeben, um mehrere versteckte Merkmale zu erhalten.
- Schritt 15: Eine Vielzahl von Gewichtskoeffizienten, die der Vielzahl von versteckten Merkmalen entsprechen, werden von der Softmax-Funktion berechnet, und die Gewichtskoeffizienten werden verwendet, um die hierarchische Aufmerksamkeit der versteckten Merkmale zu charakterisieren.
- Schritt 16: Der Ausgangsvektor wird durch Gewichtung und Summierung einer Vielzahl von versteckten Merkmalen unter Verwendung einer Vielzahl von Gewichtungskoeffizienten erhalten.
- Step 14: Multiple one-dimensional abstract features are sequentially input to the linear perceptron to obtain multiple hidden features.
- Step 15: A plurality of weight coefficients corresponding to the plurality of hidden features are computed by the softmax function and the weight coefficients are used to characterize the hidden features' hierarchical attention.
- Step 16: The output vector is obtained by weighting and summing a plurality of hidden features using a plurality of weighting coefficients.
Insbesondere wird davon ausgegangen, dass die Merkmale des zweiten Eingangs des neuronalen Netzes als H=[h1 h2 L hi L hn] dargestellt werden, wobei bi das eindimensionale abstrakte Merkmal zum i-ten Zeitschritt darstellt. Zunächst wird bi in ein lineares Perzeptron eingegeben, um den versteckten Merkmalsausdruck ui zu lernen, der wie folgt ausgedrückt wird:
Hierbei bezeichnen W und b die Gewichte bzw. Verzerrungen des linearen Perzeptrons.Here, W and b denote the weights or distortions of the linear perceptron.
Der Gewichtskoeffizient wird dann für jeden Zeitschritt berechnet, wobei ein größerer Koeffizient anzeigt, dass der Zeitschritt mehr Fehlerinformationen enthält, und der Gewichtskoeffizient wird durch die Softmax-Funktion berechnet, ausgedrückt als
Die oben genannten Schritte führen zu einer genauen Berechnung eines Ausgangsvektors, der vollständigere und genauere Merkmale für die Klassifizierung von Fehlersignalen enthält.The above steps result in an accurate calculation of an output vector containing more complete and accurate features for error signal classification.
In dieser Ausführungsform sind die Parameter jeder Schicht des zeitlichen tiefen Diagnosenetzmodells, das aus dem ersten neuronalen Netz und dem zweiten neuronalen Netz besteht, in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Beschreibung der Struktur des zeitlichen Tiefendiagnosenetzmodells
In einer Ausführungsform sieht ein Anwendungsbeispiel für die experimentelle Prüfung und Simulation eines Getriebes folgendermaßen aus:
- Um den Betriebszustand des Getriebes in Echtzeit zu überwachen, wird das Getriebe zunächst in ein Prüfsystem eingesetzt. Das System besteht aus einer Getriebediagnoseplattform, einem Schwingungssensor, einem Rotationssensor, einem Drehmomentsensor, einem Signalkabel, einem Datenerfassungsgerät und einem Computer. Das Prüfsystem ist einfach zu bedienen, die Teile können leicht ausgetauscht werden und es können normale Getriebebedingungen, Zahnbruch, Lochfraß, Verschleiß und andere Bedingungen simuliert werden. Die Getriebe haben große und kleine Zahnräder mit einem Modul von 75 für die großen und 55 für die kleinen Zahnräder und werden mit Tauchöl geschmiert.
- In order to monitor the operating status of the transmission in real time, the transmission is first placed in a test system. The system consists of a transmission diagnostic platform, a vibration sensor, a rotation sensor, a torque sensor, a signal cable, a data acquisition device and a computer. The test system is easy to operate, parts can be easily replaced, and normal gear conditions, tooth breakage, pitting, wear and tear and other conditions can be simulated. The gears have large and small gears with a module of 75 for the large and 55 for the small gears and are lubricated with immersion oil.
Die anfänglichen Eingangsparameter für das Dynamikmodell werden zunächst in Form von grundlegenden Zahnradgeometrie- und Materialparametern gemessen, einschließlich der Masseparameter mp und mg, der Trägheitsparameter Ip und Ig, der Steifigkeitsparameter km und kpy, kgy, der Dämpfungsparameter cm und cpy, cgy sowie der Geometriemaße Rp und Rg. Anschließend können die Parametermatrix und das Differentialdynamikmodell des Getriebes konstruiert und das Dynamikmodell für die Rotationsvariablen θpund θg und die Translationsvariablen (Schwingungsvariablen) yp und yg in der translatorischen Anordnung Rotation {δ} = {yp θp yg θg}T gelöst werden, was die Überwachung und Erfassung der Rotationssignale θp0 und θg0, der Schwingungssignale yp0 und yg0 und der Drehmomentsignale Tp0 und Tg0 im Simulationsmodell ermöglicht.The initial input parameters for the dynamics model are first measured in terms of basic gear geometry and material parameters, including mass parameters m p and m g , inertia parameters I p and I g , stiffness parameters km and k py , k gy , damping parameters cm and c py , c gy as well as the geometry measures R p and R g . Subsequently, the parameter matrix and the differential dynamics model of the transmission can be constructed and the dynamics model for the rotational variables θ p and θ g and the translational (vibration) variables y p and y g in the translational arrangement rotation {δ} = {y p θ p y g θ g } T can be solved, allowing the monitoring and acquisition of the rotation signals θ p0 and θ g0 , the vibration signals y p0 and y g0 , and the torque signals T p0 and T g0 in the simulation model.
Die Drehmomentsignale Tp0 und Tg0 von den physikalischen Sensoren werden dann an das digitale Zwillingsmodell weitergeleitet, das die Parameter Tp und Tg des digitalen Zwillingsmodells in Echtzeit aktualisiert, was die aktualisierte Lastmatrix ergibt:
Das Simulationsmodell kann in Matlab gelöst werden, nachdem die Parametervariablen bestimmt wurden, und das Modell hat die Form [m] {δ̈} + [c]{δ̇} + [k]{δ} = {p}, wodurch ein hohes Maß an Konsistenz zwischen dem digitalen Zwillingsmodell und dem physikalischen Modell gewährleistet wird.The simulation model can be solved in Matlab after the parametric variables have been determined, and the model has the form [m]{δ̈} + [c]{δ̇} + [k]{δ} = {p}, giving a high degree of Consistency between the digital twin model and the physical model is guaranteed.
Schließlich kann das digitale Zwillingsmodell Überwachungsdrehsignale θp0, θg0 und Schwingungssignale yp0, yg0 ausgeben, während die Modellausgabe in Echtzeit mit der physikalischen Sensormessung von Drehsignalen und Schwingungssignalen als Indikatorvariable verglichen werden kann, die den Betriebszustand des Getriebes widerspiegelt, um eine Echtzeitüberwachung des Getriebezustandes zu erreichen.Finally, the digital twin model can output monitoring rotation signals θ p0 , θ g0 and vibration signals y p0 , y g0 , while the model output can be compared in real-time with the physical sensor measurement of rotation signals and vibration signals as an indicator variable reflecting the operating condition of the transmission to provide real-time monitoring of the to achieve gear condition.
In diesem Versuch wurden die Sensorsignale für normale, löchrige, gebrochene und verschlissene Zahnräder bei einer Drehzahl von 880 U/min ohne Last mit einer Abtastrate von 5120 Hz erfasst, und die Sensorsignale für alle Zahnräder wurden auch im Simulationsmodell ausgegeben. Die Einzelheiten sind in Tabelle 2 dargestellt. 3.300 Proben sind insgesamt vorhanden, davon 1.000 in normalem Zustand, 1.000 in abgenutztem Zustand, 800 in löchrigem Zustand und 500 mit abgebrochenen Zähnen. Jede Probe enthält die physikalischen Sensoraufzeichnungen des Getriebes im Dauerbetrieb sowie die Drehsignale θp0, θg0 und Schwingungssignale yp0, yg0 aus dem digitalen Zwillingsmodell. Sie bilden den Datensatz für das zeitliche tiefe Diagnosemodell, das zum Trainieren der Netzparameter und zum Testen der Netzleistung verwendet wird.In this experiment, the sensor signals for normal, pitted, cracked and worn gears were collected at a speed of 880 rpm with no load at a sampling rate of 5120 Hz, and the sensor signals for all gears were also output in the simulation model. The details are shown in Table 2. There are 3,300 samples in total, 1,000 in normal condition, 1,000 in worn condition, 800 in pitted condition and 500 with broken teeth. Each sample contains the physical sensor recordings of the transmission in continuous operation as well as the rotation signals θ p0 , θ g0 and vibration signals y p0 , y g0 from the digital twin model. They form the data set for the deep-time diagnostic model used to train the network parameters and test the network performance.
Tabelle 2 Informationen über die Anzahl der für den Versuch gesammelten Proben
Die Rohdaten spiegeln die Schwankungen der einzelnen Parameter nicht direkt wider, da die von den verschiedenen Sensoren überwachten Daten unterschiedliche physikalische Eigenschaften darstellen, was zu unterschiedlichen Größenordnungen für jeden Parameter führt. Um den Einfluss der Größe und des Wertebereichs der vorhergesagten Prozessparameter zu vermeiden, müssen die Daten einheitlich normalisiert und die Werte aller Attribute auf einen identischen Wertebereich festgelegt werden. Durch die Normalisierung werden die Unterschiede zwischen den Werten verringert, Probleme mit der Verzerrung der Daten vermieden, das anschließende Training erleichtert und die Genauigkeit und Konvergenz des Vorhersagemodells verbessert. Vor diesem Hintergrund sollte der Min-Max-Ansatz zur Normalisierung verwendet werden. Angenommen, die Eingabe X = {x1, x2, ···,xk} ∈ ℝN×K, wobei N für den Zeitschritt und K für die Anzahl der Sensoren steht. Der i-te Vektor wird nach der Maximum-Minimum-Normalisierungsmethode wie folgt normalisiert:
Hierbei min(xi), max(xi) stellen den Höchst- bzw. Mindestwert des Vektors xi dar.where min(x i ), max(x i ) represent the maximum and minimum values of the vector xi, respectively.
Da es vier Kategorien von Getriebestörungen gibt und um die direkte Eingabe der Klassifizierungsergebnisse in das Netz zu erleichtern, wurde für jede Störung ein eindeutiger thermischer Code verwendet, dessen Ergebnisse in Tabelle 3 dargestellt sind. Tabelle 3 Einzigartiger Wärmecode für Getriebestörungsarten
Im Trainingsprozess werden 80 % der Proben jeder vollständigen Trainingsuntermenge zufällig als Trainingsmenge und die restlichen 20 % als Validierungsmenge ausgewählt. Die Hyperparameter des tiefen diagnostischen Zeitreihennetzes wurden anhand der Testergebnisse des Modells auf dem Validierungsset ausgewählt und angepasst. Diese Hyperparameter wurden durch Abwägen der Vorhersagegenauigkeit gegen die Rechenkosten bestimmt, und das endgültige Trainingsflussdiagramm des Modells ist in
Für jede Trainingsrunde werden die Proben nach dem Zufallsprinzip in eine Reihe von kleinen Stapeln mit jeweils 32 Proben aufgeteilt und in das Trainingssystem eingegeben. Die Merkmale werden zunächst mit drei eindimensionalen Faltungseinheiten aus den Originaldaten extrahiert, und die lokalen Merkmale werden mit mehreren Filtern in jeder Faltungsschicht aus den Daten extrahiert. Die Größe jedes Faltungs-Kernels in der Faltungsschicht beträgt 2*1 und wird jeweils um einen Schritt verschoben, und der Füllwert wird für jede Zeitreihe auf 1 gesetzt, um sicherzustellen, dass keine Randinformationen verloren gehen. Eine nichtlineare Aktivierungsfunktion wird dann auf die Ausgabe der Faltungsschicht angewandt, um die Netzdarstellung zu verbessern. Die Ausgabe wird schließlich durch eine Poolingschicht geleitet, um redundante Informationen zu entfernen. Die Fenstergröße wird in der Poolingschicht auf 2 gesetzt und jeweils um zwei Schritte verschoben, d. h. die Merkmalszuordnung wird innerhalb einer Faltungseinheit abgeschlossen. Wenn das eindimensionale Faltungsnetzwerk die Signalfehlermerkmale extrahiert, werden die Fehlermerkmale in die vollständig verbundene Schicht eingespeist, um Fehlermerkmale auf höherer Ebene zu erhalten, und die Ausgabedaten haben die Dimensionen m * n, was der ursprünglichen Dimension der Eingabedaten entspricht. Anschließend werden hierarchische Aufmerksamkeitsmechanismen eingesetzt, um Informationen über Merkmale auf hoher Ebene zu fusionieren. Es berechnet den versteckten Zustand des fehlerhaften Merkmals zu jedem Zeitpunkt und normalisiert ihn mit Hilfe der Softmax-Funktion, dann multipliziert es die Eingabesequenz mit den Gewichten, um eine Merkmalsfusion zu erreichen. Schließlich wird der Merkmalsvektor des hierarchischen Aufmerksamkeitsnetzes in einen Softmax-Klassifikator eingespeist, um eine Fehlerdiagnose des Getriebes zu ermöglichen. Das tiefe zeitliche Diagnosenetzwerk verwendet eine Kreuzentropie-Verlustfunktion als Zielfunktion, Backpropagation-Lernen zur Aktualisierung der Gewichte im Netzwerk und einen Adam-Optimierer mit adaptiven Tuning-Fähigkeiten zur Optimierung. Das Modell wird einmal trainiert, und die Lernrate wird für eine stabile Konvergenz auf 0,0001 gesetzt. Standardmäßig beträgt die maximale Anzahl der Trainingssitzungen für das Modell 700.For each round of training, the samples are randomly divided into a series of small batches of 32 samples each and entered into the training system. The features are first extracted from the original data using three one-dimensional convolution units, and the local features are extracted from the data using multiple filters in each convolution layer. The size of each convolution kernel in the convolution layer is 2*1 and is shifted one step at a time, and the padding value is set to 1 for each time series to ensure no edge information is lost. A non-linear activation function is then applied to the output of the convolution layer to improve the mesh representation. The output is finally passed through a pooling layer to remove redundant information. The window size is set to 2 in the pooling layer and shifted by two steps, i. H. feature mapping is completed within a convolution unit. When the one-dimensional convolutional network extracts the signal error features, the error features are fed into the fully connected layer to obtain higher-level error features, and the output data has dimensions m*n, which is the original dimension of the input data. Hierarchical attentional mechanisms are then employed to fuse information about high-level traits. It calculates the hidden state of the erroneous feature at each point in time and normalizes it using the softmax function, then multiplies the input sequence by the weights to achieve feature fusion. Finally, the feature vector of the hierarchical attention network is fed into a softmax classifier to enable fault diagnosis of the transmission. The deep temporal diagnostic network uses a cross-entropy loss function as the objective function, backpropagation learning to update the weights in the network, and an Adam optimizer with adaptive tuning capabilities for optimization. The model is trained once and the learning rate is set to 0.0001 for stable convergence. By default, the maximum number of training sessions for the model is 700.
Ein tiefes zeitliches Diagnosenetzwerk wurde unter Verwendung des pytorch Deep Learning Frameworks konstruiert, wobei die Anzahl der Iterationen des Netzwerks auf 700 gesetzt wurde, mit 16 Stichproben pro Eingabe und einer Lernrate von 0,0001. Die Netzparameter wurden mithilfe des Gradientenabstiegs optimiert, und die Trainingskurve der Netzverlustfunktion ist in
Aus
Tabelle 4 Ergebnisse der Fehlervorhersage des zeitlichen Tiefendiagnosenetz
Mit Hilfe der oben genannten Schritte bietet diese Patentanmeldung eine technische Lösung, um ein digitales Modell des digitalen Zwillingsmodells zu erstellen, das auf den Materialparametern und geometrischen Abmessungsparametern der Zahnräder in dem Getriebe basiert, woraufhin die Parameter des digitalen Zwillingsmodells durch Simulation in Kombination mit dem realen Drehmomentsignal des Getriebes korrigiert werden. Das digitale Zwillingsmodell entspricht mehr den tatsächlichen Arbeitsbedingungen des Getriebes als herkömmliche Techniken, um die Datenqualität des analogen Signals realistischer zu gestalten. Das reale Drehmomentsignal wird somit als Eingangssignal für das Modell verwendet, und das analoge Schwingungssignal und das analoge Rotationssignal werden ausgegeben. Dies erweitert nicht nur den Bereich der Getriebestörungsdaten, sondern führt auch zu einer höheren Qualität des analogen Signals, wodurch die Fehlerdiagnosegenauigkeit der nachfolgenden Getriebestörungsdiagnose auf der Grundlage der realen Signaldaten und der analogen Signaldaten des Getriebes verbessert wird.With the help of the above steps, this patent application provides a technical solution to create a digital model of the digital twin model based on the material parameters and geometric dimensional parameters of the gears in the gearbox, after which the parameters of the digital twin model are determined by simulation in combination with the real one Torque signal of the gearbox can be corrected. The digital twin model corresponds more closely to the actual working conditions of the gearbox than traditional techniques to make the data quality of the analog signal more realistic. The real torque signal is thus used as input to the model, and the analog vibration signal and the analog rotation signal are output. This not only widens the range of transmission failure data, but also leads to higher analog signal quality, thereby improving the fault diagnosis accuracy of subsequent transmission failure diagnosis based on the transmission real signal data and transmission analog signal data.
Darüber hinaus verwendet die vorliegende Erfindung ein erstes neuronales Netz zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netz mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe von Fehlerdiagnoseergebnissen während der Fehlerdiagnose, um nützliche Probenmerkmale weiter zu verstärken und unbrauchbare Probenmerkmale zu schwächen, wodurch die Genauigkeit der Fehlerdiagnose weiter verbessert wird. wobei der Merkmalsextraktionsschritt des ersten neuronalen Netzes die von der Vielzahl von Sensoren gesammelten Fehlersignale von zweidimensionalen Daten in eindimensionale Daten umwandelt, dann eine eindimensionale Faltung durchführt und dann die resultierenden eindimensionalen Merkmale iterativ in zweidimensionale Daten für eine mehrstufige eindimensionale, zweidimensionale und eindimensionale Merkmalsextraktion aufspaltet. Das Ergebnis ist ein Signal mit ausgeprägteren Merkmalen und der gleichen Dimensionalität wie die ursprünglichen Daten. Dies erleichtert die Klassifizierung der nachfolgenden Fehlermeldungen und erhöht die Diagnosegenauigkeit. Die lineare Perceptron-basierte hierarchische Aufmerksamkeitsverarbeitung von Merkmalsvektoren erhöht die Nichtlinearität des neuronalen Netzes, um die Degradationscharakteristika von Getrieben besser zu berücksichtigen, wodurch die Fehlerdiagnoseergebnisse näher an der realen Situation liegen und die Genauigkeit der Fehlerdiagnose von Getrieben verbessert wird.In addition, the present invention uses a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism to output fault diagnosis results during fault diagnosis to further strengthen useful sample features and weaken useless sample features, thereby further improving the accuracy of fault diagnosis. wherein the feature extraction step of the first neural network converts the error signals collected by the plurality of sensors from two-dimensional data to one-dimensional data, then performs one-dimensional convolution, and then iteratively splits the resulting one-dimensional features into two-dimensional data for multi-stage one-dimensional, two-dimensional and one-dimensional feature extraction. The result is a signal with more pronounced features and the same dimensionality as the original data. This makes it easier to classify the subsequent error messages and increases diagnostic accuracy. The linear perceptron-based hierarchical attention processing of feature vectors increases the non-linearity of the neural network to better account for the degradation characteristics of gears, making the fault diagnosis results closer to the real situation and improving the accuracy of gear fault diagnosis.
Wie in
Ein Signalerfassungsmodul 201 zum Erfassen eines realen Signals eines Getriebes und eines analogen Signals, das durch eine Ausführungsform eines Getriebesignalerfassungsverfahrens erzeugt wird, wobei das reale Signal ein reales Drehmomentsignal, ein reales Schwingungssignal und ein reales Rotationssignal umfasst. Einzelheiten sind in der entsprechenden Beschreibung von Schritt S201 in der obigen Ausführungsform des Verfahrens zu finden, die hier nicht wiederholt wird.A
Fehlerdiagnosemodul 202 zur Eingabe der analogen und realen Signale in ein vordefiniertes Fehlerdiagnosenetzwerk, um ein Fehlerdiagnoseergebnis für das Getriebe zu erhalten. Einzelheiten sind in der entsprechenden Beschreibung von Schritt S201 in der obigen Ausführungsform des Verfahrens zu finden, die hier nicht wiederholt wird.
wobei das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk ein erstes neuronales Netzwerk zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netzwerk mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe von Fehlerdiagnoseergebnissen umfasst, wobei das vorbestimmte Fehlerdiagnosenetzwerk auf der Grundlage von Training mit simulierten Signalen und realen Signalen erzeugt wird.
wherein the predetermined fault diagnosis network comprises a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism for outputting fault diagnosis results, the predetermined fault diagnosis network being generated based on training with simulated signals and real signals.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Getriebefehler-Diagnosevorrichtung zur Durchführung einer Getriebefehler-Diagnose-Methode in der obigen Ausführungsform, die in der gleichen Art und Weise und Prinzip wie im Detail in der entsprechenden Beschreibung der obigen Methode Ausführungsform beschrieben implementiert ist und wird nicht wiederholt werden.The embodiment of the present invention provides a gear failure diagnosis apparatus for performing a gear failure diagnosis method in the above embodiment, which is implemented in the same manner and principle as described in detail in the corresponding description of the above method embodiment and will not be repeated become.
Durch die Synergie der oben genannten Komponenten bietet die vorliegende Anwendung eine technische Lösung zur Erstellung eines digitalen Modells des digitalen Zwillingsmodells, das auf den Materialparametern und geometrischen Parametern der Zahnräder innerhalb des Getriebes basiert, wonach die Parameter des digitalen Zwillingsmodells durch Simulation in Kombination mit den realen Drehmomentsignalen des Getriebes korrigiert werden. Das digitale Zwillingsmodell entspricht mehr den tatsächlichen Arbeitsbedingungen des Getriebes als herkömmliche Techniken, um die Datenqualität des analogen Signals realistischer zu gestalten. Das reale Drehmomentsignal wird somit als Eingangssignal für das Modell verwendet, und das analoge Schwingungssignal und das analoge Rotationssignal werden ausgegeben. Dies erweitert nicht nur den Bereich der Getriebestörungsdaten, sondern führt auch zu einer höheren Qualität des analogen Signals, wodurch die Fehlerdiagnosegenauigkeit der nachfolgenden Getriebestörungsdiagnose auf der Grundlage der realen Signaldaten und der analogen Signaldaten des Getriebes verbessert wird.Through the synergy of the above components, the present application offers a technical solution to create a digital model of the digital twin model based on the material parameters and geometric parameters of the gears inside the gearbox, after which the parameters of the digital twin model are determined by simulation in combination with the real ones Torque signals of the transmission are corrected. The digital twin model corresponds more closely to the actual working conditions of the gearbox than traditional techniques to make the data quality of the analog signal more realistic. The real torque signal is thus used as input to the model, and the analog vibration signal and the analog rotation signal are output. This not only widens the range of transmission failure data, but also leads to higher analog signal quality, thereby improving the fault diagnosis accuracy of subsequent transmission failure diagnosis based on the transmission real signal data and transmission analog signal data.
Darüber hinaus verwendet die vorliegende Erfindung ein erstes neuronales Netz zur Merkmalsextraktion und ein zweites neuronales Netz mit einem hierarchischen Aufmerksamkeitsmechanismus zur Ausgabe von Fehlerdiagnoseergebnissen während der Fehlerdiagnose, um nützliche Probenmerkmale weiter zu verstärken und unbrauchbare Probenmerkmale zu schwächen, wodurch die Genauigkeit der Fehlerdiagnose weiter verbessert wird. wobei der Merkmalsextraktionsschritt des ersten neuronalen Netzes die von der Vielzahl von Sensoren gesammelten Fehlersignale von zweidimensionalen Daten in eindimensionale Daten umwandelt, dann eine eindimensionale Faltung durchführt und dann die resultierenden eindimensionalen Merkmale iterativ in zweidimensionale Daten für eine mehrstufige eindimensionale, zweidimensionale und eindimensionale Merkmalsextraktion aufspaltet. Das Ergebnis ist ein Signal mit ausgeprägteren Merkmalen und der gleichen Dimensionalität wie die ursprünglichen Daten. Dies erleichtert die Klassifizierung der nachfolgenden Fehlermeldungen und erhöht die Diagnosegenauigkeit. Die lineare Perceptron-basierte hierarchische Aufmerksamkeitsverarbeitung von Merkmalsvektoren erhöht die Nichtlinearität des neuronalen Netzes, um die Degradationscharakteristika von Getrieben besser zu berücksichtigen, wodurch die Fehlerdiagnoseergebnisse näher an der realen Situation liegen und die Genauigkeit der Fehlerdiagnose von Getrieben verbessert wird.In addition, the present invention uses a first neural network for feature extraction and a second neural network with a hierarchical attention mechanism to output fault diagnosis results during fault diagnosis to further strengthen useful sample features and weaken useless sample features, thereby further improving the accuracy of fault diagnosis. wherein the feature extraction step of the first neural network converts the error signals collected by the plurality of sensors from two-dimensional data to one-dimensional data, then performs one-dimensional convolution, and then iteratively splits the resulting one-dimensional features into two-dimensional data for multi-stage one-dimensional, two-dimensional and one-dimensional feature extraction. The result is a signal with more pronounced features and the same dimensionality as the original data. This makes it easier to classify the subsequent error messages and increases diagnostic accuracy. The linear perceptron-based hierarchical attention processing of feature vectors increases the non-linearity of the neural network to better account for the degradation characteristics of gears, making the fault diagnosis results closer to the real situation and improving the accuracy of gear fault diagnosis.
Der Prozessor 901 kann eine Central Processing Unit (CPU) sein. Bei dem Prozessor 901 kann es sich auch um andere Allzweckprozessoren, digitale Signalprozessoren (DSP), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) oder andere programmierbare Logikbausteine, diskrete Gate- oder Transistor-Logikbausteine, diskrete Hardwarekomponenten oder eine Kombination dieser Bausteine handeln. diskrete Logikbausteine mit Gatter oder Transistoren, diskrete Hardwarekomponenten oder eine Kombination dieser Arten von Chips.The
Der Speicher 902 dient als nichttransitorisches, computerlesbares Speichermedium, das zum Speichern von nichttransitorischen Softwareprogrammen, nichttransitorischen, computerausführbaren Programmen und Modulen verwendet werden kann, wie z. B. die Programmanweisungen/-module, die dem Verfahren in der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechen. Der Prozessor 901 führt das Verfahren in der oben beschriebenen Ausführungsform aus, indem er die im Speicher 902 gespeicherten nichttransitorischen Softwareprogramme, Anweisungen und Module ausführt und dadurch verschiedene funktionale Anwendungen des Prozessors sowie die Datenverarbeitung durchführt.
Der Speicher 902 kann einen Bereich für gespeicherte Programme und einen Bereich für gespeicherte Daten enthalten, wobei der Bereich für gespeicherte Programme das Betriebssystem und die für mindestens eine Funktion erforderlichen Anwendungen speichern kann; der Bereich für gespeicherte Daten kann die vom Prozessor 901 erzeugten Daten usw. speichern. Darüber hinaus kann der Speicher 902 einen Hochgeschwindigkeits-Direktzugriffsspeicher und auch einen nichttransitorischen Speicher, wie z. B. mindestens eine Plattenspeichereinrichtung, eine Flash-Speichereinrichtung oder eine andere nichttransitorische Festkörperspeichereinrichtung umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Speicher 902 optional einen Speicher, der sich relativ zum Prozessor 901 entfernt befindet, und diese entfernten Speicher können über ein Netzwerk mit dem Prozessor 901 verbunden sein. Beispiele für die oben genannten Netze sind unter anderem das Internet, Firmen-Intranets, lokale Netze, mobile Kommunikationsnetze und Kombinationen davon.
Die ein oder mehreren Modulen sind im Speicher 902 gespeichert und führen, wenn sie vom Prozessor 901 ausgeführt werden, das Verfahren in der oben beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens durch.The one or more modules are stored in
Die spezifischen Einzelheiten der oben genannten elektronischen Vorrichtungen können durch Bezugnahme auf die entsprechenden Beschreibungen und Wirkungen in den oben genannten Ausführungsformen der Methode verstanden werden und werden hier nicht wiederholt.The specific details of the above electronic devices can be understood by reference to the corresponding descriptions and effects in the above method embodiments and will not be repeated here.
Es ist für den Fachmann klar, dass die Ausführung aller oder eines Teils der Prozesse in den Verfahren der obigen Ausführungsformen mittels eines Computerprogramms möglich ist, um die entsprechende Hardware anzuweisen, dies zu tun, und das implementierte Programm kann in einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert werden, das, wenn es ausgeführt wird, Prozesse wie diejenigen der oben beschriebenen Ausführungsformen der Verfahren umfassen kann. Bei dem Speichermedium kann es sich um eine Diskette, eine optische Diskette, einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Flash-Speicher, ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder ein Solid-State-Laufwerk (SSD) usw. handeln; das Speichermedium kann auch eine Kombination der oben genannten Speicherarten umfassen.It will be appreciated by those skilled in the art that all or part of the processes in the methods of the above embodiments may be performed by a computer program to instruct the appropriate hardware to do so, and the implemented program may be stored on a computer readable storage medium, which, when executed, may include processes such as those of the method embodiments described above. The storage medium can be a floppy disk, optical disk, read only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, hard disk drive (HDD), or solid state drive (SSD) act etc.; the storage medium can also comprise a combination of the storage types mentioned above.
Obgleich Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben sind, können verschiedene Modifikationen und Variationen von Fachleuten vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, und solche Modifikationen und Variationen fallen in den durch die beigefügten Ansprüche definierten Umfang.Although embodiments of the invention are described in connection with the accompanying drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention, and such modifications and variations fall within the scope defined by the appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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