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基于改进CWT-CNN的核电厂传感器故障诊断研究

邓志光 李政希 何亮 吴茜 朱加良 朱毖微 徐涛 王海麟

邓志光, 李政希, 何亮, 吴茜, 朱加良, 朱毖微, 徐涛, 王海麟. 基于改进CWT-CNN的核电厂传感器故障诊断研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 156-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0156
引用本文: 邓志光, 李政希, 何亮, 吴茜, 朱加良, 朱毖微, 徐涛, 王海麟. 基于改进CWT-CNN的核电厂传感器故障诊断研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 156-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0156
Deng Zhiguang, Li Zhengxi, He Liang, Wu Qian, Zhu Jialiang, Zhu Biwei, Xu Tao, Wang Hailin. Research on Sensor Fault Diagnosis of Nuclear Power Plant Based on Improved CWT-CNN[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 156-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0156
Citation: Deng Zhiguang, Li Zhengxi, He Liang, Wu Qian, Zhu Jialiang, Zhu Biwei, Xu Tao, Wang Hailin. Research on Sensor Fault Diagnosis of Nuclear Power Plant Based on Improved CWT-CNN[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 156-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0156

基于改进CWT-CNN的核电厂传感器故障诊断研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0156
基金项目: 中国核动力研究设计院院原创基金核电厂多工况下典型传感器测量通道缓变故障早期识别(WDZC-2023-CXZX-002)
详细信息
    作者简介:

    邓志光(1992—),男,硕士研究生,工程师,现主要从事反应堆过程测量、信号分析和状态监测研究,E-mail: dzg7400613@163.com

    通讯作者:

    何 亮,E-mail: dzg13551896713@163.com

  • 中图分类号: TH86;TL363

Research on Sensor Fault Diagnosis of Nuclear Power Plant Based on Improved CWT-CNN

  • 摘要: 核电厂传感器故障后果严重,而核电厂一回路系统和设备的固有复杂性为基于精确数学模型的传感器故障诊断带来了困难。本文提出了一种将深度学习算法与时频分析相结合的核电厂传感器智能故障诊断方法,将信号识别问题转化为图像识别问题。先利用连续小波变换(CWT)对核电厂典型传感器7种常见健康状态的时序信号进行处理,以生成捕捉故障信号特征的时频图;然后以预处理和标记的数据集训练经通道注意力机制(CA)改进的卷积神经网络(CNN)模型,提取时频图的细微图像特征,基于这些特征识别和隔离传感器故障。该方法不需建模和设计阈值,鲁棒性强,准确率达到97%以上,通过与长短期记忆(LSTM)神经网络、一维卷积神经网络(1D-CNN)等典型深度学习网络的诊断效果对比,验证了改进CWT-CNN的有效性和优越性。

     

  • 图  1  CWT-CNN故障诊断流程

    Figure  1.  Fault Diagnosis Process of CWT-CNN

    图  2  7种健康状况的传感器温度信号

    Figure  2.  Sensor Temperature Signals of Seven Health Conditions

    图  3  7种健康状况的时频图

    Figure  3.  Time-frequency Diagrams of Seven Health Conditions

    图  4  改进CNN架构

    Figure  4.  Improved CNN Architecture

    图  5  CWT-CNN的训练集的准确率和损失曲线

    Figure  5.  Training Set Accuracy and Loss Curve of CWT-CNN

    图  6  CWT-CNN的测试集混淆矩阵

    注:横坐标表示传感器7种真实的健康状况标签;纵坐标表示诊断的健康状况标签;每个橙色和绿色正方形框中2个数字分别表示样本数和准确率;最下行和最右列方框中的数字分别是诊断正确率和误判率的统计情况;右下角小方框中为算法诊断的平均准确率

    Figure  6.  Test Set Confusion Matrix of CWT-CNN

    表  1  传感器健康状态标签

    Table  1.   Labels for Sensor Health Conditions

    健康状态类型 恒偏差 漂移 冲击 工频噪声 精度下降 卡死 正常
    标签 1 2 3 4 5 6 7
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    表  2  网络参数

    Table  2.   Network Parameters

    网络层 描述 输出特征图尺寸
    输入层 输入数据 256×256×3
    卷积层1(C1)+BN层 6个滤波器,大小为5×5 256×256×6
    池化层1(P1) 滤波器大小为2×2 128×128×6
    卷积层2(C2)+BN层 16个滤波器,大小为5×5 128×128×16
    池化层2(P2) 滤波器大小为2×2 64×64×16
    SE层(S1) 64×64×16
    全连接层(F1) 128节点,Dropout=0.5 128×65536
    全连接层(F2) 64节点,Dropout=0.5 64×128
    全连接层(F3) 7节点 7×64
    输出层 7×1
    学习率 0.0001
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    表  3  不同方法的故障诊断效果

    Table  3.   Fault Diagnosis Efficacy of Different Methods

    算法 测试集平均
    诊断准确率/%
    平均F1
    分数
    平均训
    练时间/s
    平均测
    试时间/s
    改进后CWT-CNN 97.54 0.98 52.94 0.38
    未改进CWT-CNN 95.63 0.96 51.79 0.36
    LSTM 93.88 0.94 62.72 0.84
    1D-CNN 92.94 0.93 54.34 0.78
    RBF 84.68 0.85 55.96 0.72
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-20
  • 修回日期:  2024-08-13
  • 刊出日期:  2025-01-06

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