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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
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    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
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    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
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    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
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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

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