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基于频域数据注意力机制的核电厂水泵故障模式识别模型研究

刘子铭 罗能 艾琼

刘子铭, 罗能, 艾琼. 基于频域数据注意力机制的核电厂水泵故障模式识别模型研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(6): 203-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0203
引用本文: 刘子铭, 罗能, 艾琼. 基于频域数据注意力机制的核电厂水泵故障模式识别模型研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(6): 203-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0203
Liu Ziming, Luo Neng, Ai Qiong. Research on Fault Pattern Recognition Model of Nuclear Power Plant Water Pump Based on Frequency-Domain Data Attention Mechanism[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(6): 203-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0203
Citation: Liu Ziming, Luo Neng, Ai Qiong. Research on Fault Pattern Recognition Model of Nuclear Power Plant Water Pump Based on Frequency-Domain Data Attention Mechanism[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(6): 203-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0203

基于频域数据注意力机制的核电厂水泵故障模式识别模型研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0203
详细信息
    作者简介:

    刘子铭(1997—),男,学士,现从事信息化管理工作,E-mail: 446046726@qq.com

  • 中图分类号: TL353+.12

Research on Fault Pattern Recognition Model of Nuclear Power Plant Water Pump Based on Frequency-Domain Data Attention Mechanism

  • 摘要: 针对核电厂水泵共性的异常振动、转子部件摩擦与磨损等故障模式,利用水泵最容易获取的泵壳加速度信号的频域数据为输入,提出了一种结合卷积神经网络和注意力网络的频域数据注意力机制方法,并建立了核电厂水泵故障模式识别模型。研究结果表明:相对于传统方法,利用频域数据作为输入、基于频域数据注意力网络算法建立的水泵故障模式识别模型输入的数据长度更短,能够有效提升模型训练的效率,该故障模式识别模型在测试集上的故障模式识别准确率达到100%,优于其他基于深度学习算法建立的故障诊断模型,证明了本文提出方法的优势。

     

  • 图  1  频域数据注意力机制结构图

    $ {s_1},{s_2}, \cdots {s_{{n_{\rm{s}}}}} $—截断后的每一段多通道一维数组;h—多头自注意力网络的头数

    Figure  1.  Structure of Frequency Domain Attention Mechanism     

    图  2  多头自注意力网络结构图

    Figure  2.  Structure of Mutihead Self-Attention Network

    图  3  核电厂水泵结构及传感器布置位置

    Figure  3.  Pump Structure and Sensor Location of Nuclear Power Plant

    图  4  模型训练过程图

    Figure  4.  Model Training Process Diagram

    图  5  本文提出模型预测结果混淆矩阵

    Figure  5.  Prediction Result Confusion Matrix Based on Proposed Model

    表  1  水泵故障模拟试验的故障类型、故障程度及数据条数     

    Table  1.   Fault Type, Degree and Data Number of Pump Fault Simulation Test

    编号故障码故障类型故障程度数据条数
    0 00 正常 3680
    1 10 导轴承磨损 轻度 3720
    2 11 导轴承磨损 中度 3870
    3 12 导轴承磨损 重度 3820
    4 20 止推轴承磨损 轻度 3760
    5 21 止推轴承磨损 中度 4020
    6 22 止推轴承磨损 重度 3700
    7 30 口环刮磨 中度 3770
    8 31 口环刮磨 重度 3660
    9 41 转子偏心 中度 3740
    10 42 转子偏心 重度 3720
      注:空白表示无此项
    下载: 导出CSV

    表  2  频域数据注意力机制模型相关超参数

    Table  2.   Related Hyper-Parameter of Frequency Domain Data Attention Mechanism Model

    所属部分超参数名超参数值
    输入层数据段数目ns50
    输入层截段后每个数据段长度ls500
    卷积模块卷积1核长度/通道数5/32
    卷积模块卷积2核长度/通道数3/1
    卷积模块池化长度lp2
    多头自注意力网络h/$ {d_{{K_i}}} $/$ {d_{{V_i}}} $2/50/30
    下载: 导出CSV

    表  3  各个模型在时域数据集和频域数据集上的训练信息

    Table  3.   Training Information of Each Model on Time-Domain Dataset and Frequency-Domain Dataset

    数据集网络模型单步时
    长/ms
    模型待
    训练参
    数数目
    验证集平均
    准确率/
    标准差
    测试集
    准确率
    频域数据集本文提出的1610794399.68%±0.38%100.00%
    文献[6]提出的2912784399.30%±1.02%99.79%
    文献[7]提出的3017304399.47%±1.19%99.58%
    时域数据集本文提出的2617294350.77%±1.69%51.91%
    文献[6]提出的3622784379.88%±1.70%78.18%
    文献[7]提出的3632304375.15%±2.05%71.82%
      注:①采用训练第20个迭代周期以后模型在验证集上的平均准确率和标准差
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-22
  • 修回日期:  2021-10-23
  • 刊出日期:  2021-12-09

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