留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于VMD和CNN−BiLSTM的矿井提升电动机故障诊断方法

李敬兆 何娜 张金伟 王擎 李化顺

李敬兆,何娜,张金伟,等. 基于VMD和CNN−BiLSTM的矿井提升电动机故障诊断方法[J]. 工矿自动化,2023,49(7):49-59.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120065
引用本文: 李敬兆,何娜,张金伟,等. 基于VMD和CNN−BiLSTM的矿井提升电动机故障诊断方法[J]. 工矿自动化,2023,49(7):49-59.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120065
LI Jingzhao, HE Na, ZHANG Jinwei, et al. Fault diagnosis method for mine hoisting motor based on VMD and CNN-BiLSTM[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(7):49-59.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120065
Citation: LI Jingzhao, HE Na, ZHANG Jinwei, et al. Fault diagnosis method for mine hoisting motor based on VMD and CNN-BiLSTM[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(7):49-59.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120065

基于VMD和CNN−BiLSTM的矿井提升电动机故障诊断方法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120065
基金项目: 国家自然科学基金项目(51874010);淮南市科技计划项目(2021A243)。
详细信息
    作者简介:

    李敬兆(1964—),男,安徽淮南人,教授,博士研究生导师,博士,主要研究方向为嵌入式系统、人工智能技术,E-mail:jzhli@aust.edu.cn

    通讯作者:

    何娜(1999—),女,安徽宿州人,硕士研究生,主要研究方向为信号处理、设备故障诊断,E-mail:hn200742@163.com

  • 中图分类号: TD67

Fault diagnosis method for mine hoisting motor based on VMD and CNN-BiLSTM

  • 摘要: 针对传统基于音频信号的电动机故障诊断方法获取电动机音频信号特征信息不足和故障诊断精度不高的问题,提出了一种基于优化的变分模态分解(VMD)和卷积神经网络CNN−双向长短期记忆(BiLSTM)的矿井提升电动机故障诊断方法。针对模态混叠和端点效应问题,采用鲸鱼算法(WOA)优化的VMD对电动机音频信号进行分解,将电动机音频信号分解为K个本征模态分量(IMF),经Pearson相关系数筛选后,提取主IMF分量的13维静态MFCC特征参数,为了获取信号的动态特征,提取13维静态MFCC的一阶差分和二阶差分系数,构成39维特征向量,从而把动静态特征结合起来,提高故障诊断性能。为了提高故障诊断精度,在CNN中引入BiLSTM层,CNN在空间维度上提取音频信号的局部特征,BiLSTM在时间维度上保留音频信号的双向时间序列信息,捕获音频信号长距离依赖关系,从而最大程度保留全局和局部特征。实验结果表明:① VMD分解的每个IMF分量都具有独立的中心频率且分布均匀,在频域上表现出稀疏性的特点,能够有效避免模态混叠问题;在IMF求解中,VMD分解通过镜像延拓的方式避免了经验模态分解(EMD)和集合经验模态分解(EEMD)中出现的端点效应问题。② 基于13维静态MFCC特征的故障诊断准确率为97.5%,基于39维动静态MFCC特征的故障诊断准确率比基于13维静态MFCC特征的故障诊断准确率提高了1.11%。③基于CNN−BiLSTM诊断模型的准确率达到98.61%,与目前通用诊断模型CNN,BiLSTM和CNN−LSTM相比,准确率分别提高5.83%,4.17%和3.89%。

     

  • 图  1  WOA优化VMD参数流程

    Figure  1.  Flow of WOA-VMD

    图  2  MFCC特征提取流程

    Figure  2.  MFCC feature extraction process

    图  3  CNN−BiLSTM模型结构

    Figure  3.  Structure of CNN-BiLSTM Model

    图  4  采集装置

    Figure  4.  Acquisition device

    图  5  现场安装

    Figure  5.  Site installation

    图  6  滤波降噪前后音频信号波形

    Figure  6.  Waveform of audio signal before and after noise reduction

    图  7  VMD参数的WOA优化结果

    Figure  7.  WOA optimization results of VMD parameters

    图  8  VMD分解

    Figure  8.  VMD decomposition

    图  10  EEMD分解

    Figure  10.  EEMD decomposition

    图  9  EMD分解

    Figure  9.  EMD decomposition

    图  11  IMF相关系数值

    Figure  11.  Correlation coefficient of IMF

    图  12  不同模型损失函数曲线

    Figure  12.  Loss function curves of different models

    图  13  各模型诊断结果对比

    Figure  13.  Comparison of diagnostic results of each model

    图  14  测试集混淆矩阵

    Figure  14.  Test set confusion matrix

    表  1  各网络层参数

    Table  1.   Parameters of each network layer

    网络层主要参数
    卷积层1核大小:$ 5 \times 1 $,数量:32,步长:1
    池化层1核大小:$ 2 \times 1 $,步长:1
    卷积层2核大小:$ 3 \times 1 $,数量:64,步长:1
    池化层2核大小:$ 2 \times 1 $,步长:1
    BiLSTM层单元数:5
    全连接层
    Softmax层
    下载: 导出CSV

    表  2  最优VMD参数

    Table  2.   Optimal VMD parameters

    数据类型惩罚因子模态个数
    电流故障2 0645
    正常状态1 9685
    机械故障2 5326
    超载故障2 6667
    下载: 导出CSV

    表  3  不同分解方式的相关系数

    Table  3.   Correlation coefficients of different decomposition modes

    分解方式IMF1IMF2IMF3IMF4IMF5IMF6IMF7IMF8IMF9
    VMD0.349 00.335 10.405 80.825 10.249 20.166 0
    EMD0.262 60.794 70.318 40.259 10.088 70.0387−0.018 00.009 2
    EEMD0.195 40.686 40.421 30.201 10.194 20.214 00.054 20.032 20.022 5
    下载: 导出CSV

    表  4  不同模型评价结果

    Table  4.   Evaluation results of different models

    模型类型准确率/%训练时间/s
    CNN92.789
    BiLSTM94.4410
    CNN−LSTM94.7212
    CNN−BiLSTM98.6114
    下载: 导出CSV
  • [1] 何俊峰,肖慧明. 矿井提升机健康管理系统研究[J]. 制造业自化化,2020,42(6):4-7,38.

    HE Junfeng,XIAO Huiming. Reaserch on system of maganement for mine hoist[J]. Manufacturing Automation,2020,42(6):4-7,38.
    [2] 赵书涛,王二旭,陈秀新,等. 声振信号联合1D−CNN的大型电机故障诊断方法[J]. 哈尔滨工业大学学报,2020,52(9):116-122.

    ZHAO Shutao,WANG Erxu,CHEN Xiuxin,et al. Fault diagnosis method for large motor based on sound-vibration signal combined with 1D-CNN[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2020,52(9):116-122.
    [3] 李伟,李硕. 理解数字声音——基于一般音频/环境声的计算机听觉综述[J]. 复旦学报(自然科学版),2019,58(3):269-313.

    LI Wei,LI Shuo. Understanding digital audio−a review of general audio/ambient sound based computer audition[J]. Journal of Fudan University(Natural Science),2019,58(3):269-313.
    [4] 李海. 基于EMD和特征融合的电机故障诊断[D]. 杭州: 浙江大学, 2013.

    LI Hai. Faults diagnosis of motor based on EMD and feature-fusion[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.
    [5] 孙杰臣. 基于音频的矿井提升机故障诊断和健康预测系统[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2021.

    SUN Jiechen. Fault diagnosis and health prediction system for mine hoists based on audio signal[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2021.
    [6] 路敬祎,马雯萍,叶东,等. 基于VMD的音频信号增强算法研究[J]. 机械工程学报,2018,54(10):10-15. doi: 10.3901/JME.2018.10.010

    LU Jingyi,MA Wenping,YE Dong,et al. Algorithm of sound signal enhancement based on VMD[J]. Journal of Mechanical Engineering,2018,54(10):10-15. doi: 10.3901/JME.2018.10.010
    [7] 丁石川,厉雪衣,杭俊,等. 深度学习理论及其在电机故障诊断中的研究现状与展望[J]. 电力系统保护与控制,2020,48(8):172-187.

    DING Shichuan,LI Xueyi,HANG Jun,et al. Deep learning theory and its application to fault diagnosis of an electric machine[J]. Power System Protection and Control,2020,48(8):172-187.
    [8] 马立玲,刘潇然,沈伟,等. 基于一种改进的一维卷积神经网络电机故障诊断方法[J]. 北京理工大学学报,2020,40(10):1088-1093.

    MA Liling,LIU Xiaoran,SHEN Wei,et al. Motor fault diagnosis method based on an improved one-dimensional convolutional neural network[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology,2020,40(10):1088-1093.
    [9] 张鹏,束小曼,厉雪衣,等. 基于LSTM的交流电机系统故障诊断方法研究[J]. 电机与控制学报,2022,26(3):109-116.

    ZHANG Peng,SHU Xiaoman,LI Xueyi,et al. LSTM-based fault diagnosis of AC electric machine system[J]. Electric Machines and Control,2022,26(3):109-116.
    [10] 向玲,王朋鹤,李京蓄. 基于CNN−LSTM的风电机组异常状态检测[J]. 振动与冲击,2021,40(22):11-17.

    XIANG Ling,WANG Penghe,LI Jingxu. Abnormal state detection of wind turbines based on CNN-LSTM[J]. Journal of Vibration and Shock,2021,40(22):11-17.
    [11] 李可,牛园园,宿磊,等. 参数优化VMD的滚动轴承故障诊断方法[J]. 振动工程学报,2023,36(1):280-287.

    LI Ke,NIU Yuanyuan,SU Lei,et al. Rolling bearing fault diagnosis method based on parameter optimized VMD[J]. Journal of Vibration Engineering,2023,36(1):280-287.
    [12] ZOSSO D,DRAGOMIRETSKIY K. Variational mode decomposition[J]. IEEE Transactions on Signal Processing:A Publication of the IEEE Signal Procession Society,2014,62(3):531-544.
    [13] MIRJALILI S,LEWIS A. The whale optimization algorithm[J]. Advances in Engineering Software,2016,95:51-67. doi: 10.1016/j.advengsoft.2016.01.008
    [14] 曹仕骏,郑近德,潘海洋,等. 基于改进自适应经验傅里叶分解的滚动轴承故障诊断方法[J]. 振动与冲击,2022,41(15):287-299.

    CAO Shijun,ZHENG Jinde,PAN Haiyang,et al. Enhanced adaptive empirical Fourier decomposition based rolling bearing fault diagnosis method[J]. Journal of Vibration and Shock,2022,41(15):287-299.
    [15] 王前,王刚,蒋晗晗,等. 基于MFCC与CDET的滚动轴承故障诊断方法研究[J]. 控制工程,2019,26(9):1682-1686.

    WANG Qian,WANG Gang,JIANG Hanhan et al. Study on fault diagnosis of rolling bearing based on MFCC and CDET[J]. Control Engineering of China,2019,26(9):1682-1686.
    [16] 李宏全,郭兴明,郑伊能. 基于EMD和MFCC的舒张期心杂音的分类识别[J]. 振动与冲击,2017,36(11):8-13.

    LI Hongquan,GUO Xingming,ZHENG Yineng. Classification and recognition of diastolic heart murmurs based on EMD and MFCC[J]. Journal of Vibration and Shock,2017,36(11):8-13.
    [17] 刘思思,谭建平,易子馗. 基于MFCC和SVM的车窗电机异常噪声辨识方法研究[J]. 振动与冲击,2017,36(5):102-107.

    LIU Sisi,TAN Jianping,YI Zikui. A window motor abnormal noiseidentification method based on MFCC and SVM[J]. Journal of Vibration and Shock,2017,36(5):102-107.
    [18] 崔佳嘉,马宏忠. 基于改进MFCC和3D-CNN的变压器铁心松动故障声纹识别模型[J]. 电机与控制学报,2022,26(12):150-160.

    CUI Jiajia,MA Hongzhong. Voiceprint recognition model of transformer core looseness fault based on improved MFCC and 3D-CNN[J]. Electric Machines and Control,2022,26(12):150-160.
    [19] 汪欣,毛东兴,李晓东. 基于声信号和一维卷积神经网络的电机故障诊断研究[J]. 噪声与振动控制,2021,41(2):125-129.

    WANG Xin,MAO Dongxing,LI Xiaodong. Motor fault diagnosis using microphones and one-dimensional convolutional neural network[J]. Noise and Vibration Control,2021,41(2):125-129.
    [20] 董绍江,李洋,梁天,等. 基于CNN−BiLSTM的滚动轴承变工况故障诊断方法[J]. 振动. 测试与诊断,2022,42(5):1009-1016,1040.

    DONG Shaojiang,LI Yang,LIANG Tian,et al. Fault diagnosis method of rolling bearing based on CNN-BiLSTM under variable working conditions[J]. Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis,2022,42(5):1009-1016,1040.
    [21] 王宏伟,孙文磊,张小栋,等. 基于优化VMD复合多尺度散布熵及LSTM的风力发电机齿轮箱故障诊断方法研究[J]. 太阳能学报,2022,43(4):288-295.

    WANG Hongwei,SUN Wenlei,ZHANG Xiaodong,et al. Fault diagnosis method of wind turbine's gearbox based on composite multiscale dispersion entropy of optimised WMD and LSTM[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2022,43(4):288-295.
  • 加载中
图(14) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  838
  • HTML全文浏览量:  23
  • PDF下载量:  36
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-20
  • 修回日期:  2023-07-20
  • 网络出版日期:  2023-08-08

目录

    /

    返回文章
    返回