改進(jìn)模糊ARTMAP方法在電力系統(tǒng)診斷中的應(yīng)用

蔣浩 李林

摘 要：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于復(fù)雜過(guò)程中故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，具有良好的發(fā)展前景。由于模糊ARTFAM（FAM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)性能受訓(xùn)練樣本序影響，提出一種利用改善貝葉斯信念方法并基于模糊ARTMAP集成的模型（BBM），并描述其在電力發(fā)電系統(tǒng)中作為故障檢測(cè)和診斷的智能學(xué)習(xí)適用性。圍繞檢測(cè)循環(huán)水系統(tǒng)冷凝器傳熱性能展開(kāi)試驗(yàn)，判斷該模型在故障預(yù)測(cè)檢測(cè)和診斷任務(wù)中的有效性。試驗(yàn)結(jié)果證明，采用BBM模型具有智能故障檢測(cè)和診斷工具的解釋能力，并能監(jiān)測(cè)和診斷發(fā)電系統(tǒng)故障的復(fù)雜過(guò)程。

關(guān)鍵詞：故障檢測(cè);貝葉斯信念方法;模糊ARTMAP;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);分類(lèi)

DOI：10. 11907/rjdk. 181978

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）002-0128-04

Abstract： The artificial neural network used in fault diagnosis and condition monitoring problem in the process of the complex has good prospects. Due to the fuzzy ARTFAM （FAM） neural network classification performance is affected by the training sample sequence， this paper puts forward a method of using improved bayesian belief and model based on fuzzy ARTMAP integration （BBM）， and describes its in electric power systems as the applicability of the fault detection and diagnosis of intelligent learning. Experimental process is mainly used for detection of circulating water system in the condenser of the heat transfer performance， a series of experiments to determine the model to predict the effectiveness of the detection and diagnosis of task failure. The test results prove that the BBM model has the ability to interpret intelligent fault detection and diagnostic tools， and can monitor and diagnose the complex process of power system faults.

Key Words： fault detection; Bayesian belief method; the fuzzy ARTMAP; the neural network; classification

0 引言

我國(guó)現(xiàn)代電力系統(tǒng)正進(jìn)入智能化時(shí)代，目前電力需求不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)正常高效運(yùn)行在電力建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)遭遇故障，將影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行并降低性能水平[1]。因此，建立一套高效的電力系統(tǒng)故障信息在線檢測(cè)與分類(lèi)系統(tǒng)，以便及時(shí)檢測(cè)電力系統(tǒng)的各種故障、準(zhǔn)確快速地將故障分類(lèi)，對(duì)于電力系統(tǒng)故障診斷及預(yù)防意義重大[2]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）作為智能故障診斷工具，在電力系統(tǒng)工程中已有許多成功應(yīng)用，包括使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行短期電力負(fù)荷或價(jià)格預(yù)測(cè)及變壓器故障診斷[3-4]。然而，傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)通用性的限制導(dǎo)致模型可能過(guò)度適合訓(xùn)練樣本。隨后，隨著模糊理論的發(fā)展，建立了模糊ARTMAP（FAM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5-7]解決該問(wèn)題，其被用于發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)斷路器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和有源電力濾波器故障檢測(cè)。FAM是一個(gè)增量和監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)自適應(yīng)共振理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。盡管FAM能夠克服穩(wěn)定性-可塑性困境，但在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)AM性能受到離線訓(xùn)練樣本排列順序的影響。針對(duì)該缺點(diǎn)，有學(xué)者提出一些被稱(chēng)為排序算法的預(yù)處理程序，如min-max聚類(lèi)和遺傳算法[8-10]。還有研究者為克服該問(wèn)題并提高分類(lèi)可靠性，提出許多融合技術(shù)。例如，Tang[11]采用FAM投票算法進(jìn)行診斷檢測(cè)，Loo[12]將基于概率多元投票策略的多元FAM應(yīng)用于診斷和分類(lèi)問(wèn)題。但是排序算法和融合技術(shù)沒(méi)有考慮訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)的影響，排序算法診斷精度受樣本總數(shù)影響。為減少訓(xùn)練樣本數(shù)量和序列的影響，并提高FAM診斷準(zhǔn)確性和可靠性，本文采用改進(jìn)的貝葉斯信念法（BBM）組合多個(gè)FAM分類(lèi)器，以表示在不同文本中的樣本序列[13-15]。

1 模糊ARTMAP基本原理

FAM由兩個(gè)ART模塊組成，即ARTa模塊和ARTb模塊，其由一個(gè)內(nèi)部映射域連接，由輸入域的ARTa模塊函數(shù)和輸出域的ARTb模塊函數(shù)進(jìn)行聚類(lèi)成的簇并形成一個(gè)關(guān)聯(lián)域。每個(gè)模塊由3層組成：標(biāo)準(zhǔn)化層F0，輸入層F1和識(shí)別層F2。模糊FAM的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。當(dāng)輸出域是一組有限的類(lèi)標(biāo)簽時(shí)，可以將FAM用作分類(lèi)器[16-17]。FAM算法可以簡(jiǎn)單地描述為：

ARTa模塊接受輸入模式，并且標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)M維輸入向量[α]被補(bǔ)碼編碼為一個(gè)2M維向量A：

輸入向量維數(shù)保持不變，表達(dá)式為：

再輸入樣本A，通過(guò)類(lèi)別選擇功能選擇存儲(chǔ)在網(wǎng)格中的類(lèi)別節(jié)點(diǎn)。

其中，[αa]是ARTa的選擇函數(shù)，[Wαj]是第j個(gè)類(lèi)節(jié)點(diǎn)的權(quán)向量。當(dāng)一個(gè)獲勝類(lèi)節(jié)點(diǎn)被選擇，一個(gè)警戒測(cè)試被用來(lái)檢測(cè)原型模式和輸入模式的相似性，[ρa(bǔ)]表示警戒參數(shù)，[Wαj]是第j個(gè)獲勝節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)上述類(lèi)別匹配函數(shù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)生共振且開(kāi)始學(xué)習(xí)，即根據(jù)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)更新權(quán)重矢量[Wj]。

[β]∈[0，1]是學(xué)習(xí)率。一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)會(huì)創(chuàng)建在編碼后的輸入模式[Fα2]層中。同時(shí)對(duì)于ARTb同樣的學(xué)習(xí)算法發(fā)生在目標(biāo)模式中。

在ARTa和ARTb發(fā)生共振后，在獲勝節(jié)點(diǎn)[Fα2]層中通過(guò)映射域向ARTb產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測(cè)。進(jìn)行映射域警戒測(cè)試，如果測(cè)試失敗，表明ARTa獲勝節(jié)點(diǎn)在ARTb預(yù)測(cè)了一個(gè)錯(cuò)誤的目標(biāo)類(lèi)別，則啟動(dòng)匹配追蹤過(guò)程。在匹配追蹤期間，[ρa(bǔ)]值增加，直到略高于[AWαj]，然后對(duì)ARTa的另一個(gè)獲勝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行新的搜索，持續(xù)該過(guò)程直到被選擇[Fα2]節(jié)點(diǎn)可以在ARTb中作出正確預(yù)測(cè)[18]。

2 貝葉斯信念方法改進(jìn)

2.1 基于改進(jìn)貝葉斯信念方法的決策融合

貝葉斯信念方法是基于分類(lèi)器相互獨(dú)立的假設(shè)，并將每個(gè)分類(lèi)器的誤差考慮在內(nèi)。假設(shè)在模式空間Z中有M個(gè)類(lèi)和K個(gè)分類(lèi)器。分類(lèi)器[ek]可被認(rèn)為是一個(gè)函數(shù)，表示樣本x由類(lèi)器[ek]分配給類(lèi)別j。

其二維混淆矩陣可以表示為：

該矩陣是在測(cè)試集上訓(xùn)練完[ek（x）]后執(zhí)行[ek]獲得的。每行i對(duì)應(yīng)類(lèi)[ci]，每列j對(duì)應(yīng)[ek（k）=j]。矩陣中[nkij]指來(lái)自類(lèi)[ci]的輸入樣本被分類(lèi)器[ek（x）]分配給類(lèi)[cj]。在類(lèi)[ci]的樣本數(shù)量是[nki=][j=1M+1nkij]，其中i=1，…，M，被[ek（x）]標(biāo)記為j的樣本數(shù)量為[nkj=][i=1Mnkij]，其中j=1，…，M+1。在混淆矩陣基礎(chǔ)上，可以通過(guò)信念函數(shù)為每個(gè)分類(lèi)器計(jì)算分類(lèi)信念度量。

其中i=1，2，…，M，j=1，2，…，M+1。該方程的計(jì)算只適合于每個(gè)類(lèi)樣本數(shù)量相同的情況，當(dāng)類(lèi)樣本數(shù)量不同時(shí)，由于信念分類(lèi)的準(zhǔn)確性下降，因此一個(gè)修改的信念I(lǐng)Bk計(jì)算如下：

當(dāng)形成多個(gè)分類(lèi)器e1，e2，…，ek相對(duì)應(yīng)的信念B1，B2，…，Bk是基于基礎(chǔ)分類(lèi)器性能計(jì)算得出，結(jié)合所有融合分類(lèi)器信念度量可以產(chǎn)生分類(lèi)器系統(tǒng)最終信念度量，典型的組合策略是平均和相乘算法，由于后驗(yàn)問(wèn)題估計(jì)不準(zhǔn)確，本文采用平均估計(jì)后驗(yàn)概率，平均算法如下：

因此，x被分類(lèi)為j（j=1，2，…，M+1），根據(jù)信念作出最終決策。

2.2 基于改進(jìn)貝葉斯信念方法的模糊ARTMAP集成

在改進(jìn)貝葉斯信念方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的模糊ARTMAP集成算法如下所示：

步驟1：利用一個(gè)樣本集合生成n個(gè)不同序列的訓(xùn)練樣本集合。

步驟2：分別訓(xùn)練n個(gè)訓(xùn)練樣本集的模糊ARTMAP，并生成n個(gè)訓(xùn)練好的模糊ARTMAP。

步驟3：測(cè)試樣本分別輸入n個(gè)訓(xùn)練過(guò)的模糊ARTMAP，混淆矩陣可根據(jù)式（7）生成。

步驟4：通過(guò)公式（8）計(jì)算每個(gè)分類(lèi)器分類(lèi)信念度量。

步驟5：通過(guò)組合等式獲得多分類(lèi)器系統(tǒng)的最終信念度量。

步驟6：根據(jù)信念度量最大值對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行分類(lèi)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證

本文搜集了電力工程循環(huán)水系統(tǒng)2 439個(gè)樣本的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)樣本由12個(gè)特征在不同溫度和壓力測(cè)量的電容器入口和出口點(diǎn)及其它重要信息組成。以下案例用以評(píng)估BBM作為預(yù)測(cè)智能故障檢測(cè)和診斷模型的適用性。

冷凝器是循環(huán)水系統(tǒng)的一種主要組件。汽輪機(jī)冷凝器使用循環(huán)水從低壓流中去除廢熱能，同時(shí)，保持冷凝器真空最低的恒定水平。因此，冷凝器傳熱對(duì)冷凝器反壓力有很大影響，一個(gè)高效傳熱過(guò)程將協(xié)助冷凝器反壓力維持在較低水平。保持合適的等級(jí)冷凝器反壓力，高渦輪發(fā)電才可以保持工作效率。因此，壓力和溫度等因素的排氣蒸汽和冷卻水對(duì)冷凝器的冷凝性能有重要影響。搜集2 439個(gè)數(shù)據(jù)樣本用于檢測(cè)和監(jiān)測(cè)傳熱條件。每個(gè)數(shù)據(jù)樣本有12個(gè)特征，傳熱條件可以分為冷凝器傳熱效率高或效率低兩種狀態(tài)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中，有1 248個(gè)數(shù)據(jù)樣本顯示低效傳熱性能，1 191個(gè)數(shù)據(jù)樣本顯示高效傳熱性能。本文為評(píng)估BBM在預(yù)測(cè)冷凝器的傳熱效率性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由于訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)排序可能影響單個(gè)FAM分類(lèi)準(zhǔn)確性，并且單個(gè)輸出用于表示類(lèi)別預(yù)測(cè)會(huì)導(dǎo)致分類(lèi)準(zhǔn)確性較低。為準(zhǔn)確觀察BBM集成工作的效果及改善后的泛化能力，利用改進(jìn)的貝葉斯信念方法，按照訓(xùn)練樣本不同數(shù)據(jù)的排序訓(xùn)練BBM，同時(shí)利用排序后的數(shù)據(jù)對(duì)FAM進(jìn)行測(cè)試訓(xùn)練。

在診斷訓(xùn)練階段，F(xiàn)AM和BBM性能訓(xùn)練是一個(gè)保守模型中進(jìn)行快速學(xué)習(xí)的過(guò)程，其中[β]設(shè)置為1、[αa]設(shè)置為0.001。另外為了保證穩(wěn)定、可塑的性能，警戒參數(shù)[ρa(bǔ)]設(shè)置為0.5，集合大小設(shè)置為5。

在實(shí)驗(yàn)中，采用修剪策略刪除[Fα2]節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的具有較低影響因子的原型類(lèi)別，其被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)冗余節(jié)點(diǎn)。修剪的目的是減少FAM產(chǎn)生的原型類(lèi)別大小，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)性能。修剪閾值從0.0改變到0.95，與基線警戒參數(shù)值固定至0.5。因更高的值將消除大部分訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所以并不適用。表2顯示了在不同閾值下排序后的多組數(shù)據(jù)訓(xùn)練FAM的預(yù)測(cè)性能和BBM的預(yù)測(cè)性能在準(zhǔn)確性上的比較，顯而易見(jiàn)BBM性能優(yōu)于FAM預(yù)測(cè)性能，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)閾值在0.55左右時(shí)兩種模型的預(yù)測(cè)性能準(zhǔn)確性都較高，精度保持在90%以上，如果繼續(xù)增大閾值，則會(huì)降低模型準(zhǔn)確性，這可能是由于過(guò)度剪枝的不良影響造成的，如編碼在原型節(jié)點(diǎn)中的重要信息被刪除。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新穎可靠的BBM集成方法，并將其應(yīng)用于電力工程中循環(huán)水系統(tǒng)傳熱性故障預(yù)測(cè)診斷[19-20]。由于FAM分類(lèi)性能受訓(xùn)練樣本序列影響，采用基于改進(jìn)貝葉斯信念方法的集成方法解決該問(wèn)題，利用不同順序的訓(xùn)練樣本將一組FAM輸出結(jié)果組合并最后獲得融合決策。結(jié)果表明，當(dāng)使用BBM模型時(shí)，系統(tǒng)故障檢測(cè)準(zhǔn)確度提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，BBM集成方法能夠準(zhǔn)確、可靠地診斷故障類(lèi)別，與其它預(yù)測(cè)檢測(cè)方法相比，具有更好的診斷性能，因此BBM集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)檢測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：江 艷）