一种柔壁喷管的在线监测方法与流程

1.本发明涉及机械设备故障监测技术领域，具体涉及一种柔壁喷管的在线监测方法。


背景技术：

2.柔壁喷管是高速风洞调节气流马赫数参数的重要部段，主要由沿风洞中轴线对称布局的上柔板和下柔板组成，在柔板的背气流面上布置若干铰链支撑点并与执行机构相连，通过控制执行机构的行程来控制柔板的弯曲形状使之与喷管理论气动型面相吻合，以得到不同试验马赫数的喷管型面。在长期的风洞试验中，频繁的往复运动和气动载荷带来的振动都会加速柔板的疲劳，甚至存在断裂的风险，需对柔板的疲劳程度进行有效的在线监测，以保证试验安全。


技术实现要素：

3.因此，为了对柔壁喷管的退化程度进行有效的在线监测，防止柔壁喷管断裂引起严重安全事故，本发明提出了一种基于多模自编码器和超球体思想的柔壁喷管在线监测方法，该方法具体包括如下步骤：步骤一、布置传感器，在每个电动推杆对应的柔壁喷管位置放置一个三向振动传感器；步骤二、收集数据，根据每个马赫数的柔壁喷管型面对应于一组推杆长度，多次收集不同组推杆长度下每个三向振动传感器的振动数据；其中分别为第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器在x、y和z方向的振动向量，当j=0时， 为柔壁喷管未退化时不同组推杆长度下每个三向振动传感器的振动向量；步骤三、提取数据特征，根据步骤二的振动数据d提取x,y,z三个方向的数据特征；本步骤能够克服传统方法是从一维获得振动数据特征的缺陷，而该步骤能够从三个方向获得更多的数据特征。
4.优选的，提取数据特征的方法包括如下步骤：s3
‑
1、构建三模自编码器，由三个自动编码器并联构成；s3
‑
2、通过三模自编码器分别提取三向振动传感器在x、y和z方向的数据特征；s3
‑
3、对三模自编码器进行训练，通过对步骤s3
‑
2的数据特征和振动数据d进行交叉验证的方法对三模自编码器进行训练，从而确定三模自编码器中隐藏层神经元个数（分别为 ）及相关参数，其中，每个自编码器的输出层神经元个数与输入层保持一致，通常隐藏层的神经元个数少于输入层神经元个数，这将强迫三模自动编码器学习到原
始数据的特征表示；这一步是对自编码器的训练，以确定每个编码器的神经元个数（分别为 ）及相关参数。
5.步骤四、特征标准化，通过公式对x、y和z方向的数据特征进行标准化，然后将三个方向的数据特征合并，并获得第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器的特征向量，当j=0时，为柔壁喷管未退化时在x、y和z方向的特征向量；其中，m表示x、y或z方向， 表示第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器在m方向的特征，和分别表示第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器在m方向上特征的平均值和标准差；该步骤目的是，特征有维，每维特征之间的大小存在差异，为了消除这种差异，所以采用标准化处理步骤五、柔壁喷管的退化进行评估，通过分析步骤四获得的特征向量h
i,j,k
可知，每一个特征向量的取值都在[0,1]之间，因此，特征向量h
i,j,k
所分布的区域为一个单元超球体区间，在单位超球体区间中，h
i,0,k
为球心，h
i,j,k
为单元超球体区间中的一点；当h
i,j,k
与h
i,0,k
的差异小于参考值式，则柔壁喷管没有退化，反之，当柔壁喷管的其中一个位置进入退化阶段。
[0006]
步骤六、根据如下公式得出柔壁喷管的退化进行评估指标值，其中， 为第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器的评估指标值，即与h
i,0,k
的偏离程度（即距离）；其中t
x 是三模自编码器x方向的隐藏层神经元个数，t
y
是三模自编码器y方向的隐藏层神经元个数，t
z
是三模自编码器z方向的隐藏层神经元个数。
[0007]
通过上述的步骤一至步骤六能够在线监测柔壁喷管的退化程度，无需维护人员离线检测。
[0008]
在基于步骤六的基础上可以制定出柔壁喷管的维护策略，考虑到每个马赫数柔壁喷管型面对应于一组推杆长度，且推杆长度不完全相同，对应的退化程度不同，所以柔壁喷管维护包括如下两条维护策略：第一维护策略：保养或更换，当柔壁喷管的任意一个超过第一阈值但小于第二阈值时，则认为柔
壁喷管已出现退化，需要进行保养或更换；所述第一阈值 的表达式如下：所述第二阈值的表达式如下；其中，和分别为通过数据d获得的的平均值和标准差，和为常数，其中≥2，＞，和的取值可根据历史数据进行合理设置。
[0009]
第二维护策略：更换当柔壁喷管的任意一个大于或等于第二阈值时，则认为柔壁喷管随时会出故障，一定要进行更换。
[0010]
通过上述的柔壁喷管维护策略，能够对柔壁喷管进行预防性维护，提醒或警告维护人员对柔壁喷管进行维护，以避免试验风险或事故。
[0011]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过多模自编码器和结合超球体思想解决了不能在线监测柔壁喷管的退化的问题，又减轻了维护人员离线检测的工作量，同时还能够提供基于监测结果的柔壁喷管维护策略，对柔壁喷管进行预防性维护，提醒或警告维护人员对柔壁喷管进行维护，以避免试验风险或事故。
[0012]
本发明结合超球体思想，球体是由三维构成的，而本方法的超球体是由维构成，在标准化处理后，每维的特征都在0~1之间，那么超球体的半径为1，且超球体中的每个点对应柔壁的一个状态，点到球心的距离能反映柔壁的健康程度。在柔壁健康阶段时，对应柔壁状态的点到球心的距离较小。当柔壁开始老化时，对应柔壁状态的点到球心的距离慢慢增加。
附图说明
[0013]
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0014]
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
[0015]
在风洞试验中，除了机械往复运动加速柔壁喷管退化，还有风载带来的振动也会加速柔壁喷管退化。
[0016]
在柔壁喷管未退化的情况下，虽然用高压锁紧柔壁喷管可以防止柔壁喷管受气动力变形，但在试验过程中，由于风载的脉冲作用，柔壁喷管成一定规律的振动。由于每个马赫数柔壁喷管型面对应于一组推杆长度，但推杆长度不完全相同，那么对应的退化程度不同，因此，在试验过程中，由于风载的脉冲作用，柔壁喷管的不同位置的振动信息与柔壁喷
管未退化时存在一定的差异。
[0017]
如图1所示，根据上述分析，本发明是通过布置一定数量的三向振动传感器获取能反映柔壁喷管退化的振动数据，然后通过三模自编码器提取振动数据的特征，再基于标准化的特征和超球体思想，对柔壁喷管的退化进行评估，最后给出了基于上述监测结果的柔壁喷管维护策略。
[0018]
在布置一定数量的三向振动传感器时，在每个电动推杆对应的柔壁喷管位置放置一个三向振动传感器；布置完传感器后，对传感器的数据进行收集，根据每个马赫数的柔壁喷管型面对应于一组推杆长度，多次收集不同组推杆长度下每个三向振动传感器的振动数据 ；其中分别为第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器在x、y和z方向的振动向量，当j=0时， 为柔壁喷管未退化时不同组推杆长度下每个三向振动传感器的振动向量；根据上述的振动数据提取x,y,z三个方向的数据特征，在提取时采用自动编码器进行提取；而传统的自动编码器（参考文献：基于堆叠自动编码器的电力系统暂态稳定评估）为单输入模型，获得的特征数量有限，并且难以从振动传感器信息中获取三维数据的特征。
[0019]
所以本发明首先将三个自动编码器并联构成，构建三模自编码器；利用三模自编码器分别提取三向振动传感器在x、y和z方向的数据特征，并利用振动数据d，通过交叉验证的方法对三模自编码器进行训练，从而确定三模自编码器中隐藏层神经元个数（分别为）及相关参数。其中，每个自编码器的输出层神经元个数与输入层保持一致，通常隐藏层的神经元个数少于输入层神经元个数，这将强迫自动编码器学习到原始数据的特征表示。（自动编码器由输入层、隐藏层以及输出层构成，编码器作用于输入层与隐藏层之间，将原始数据映射到数据的隐含表示；解码器作用于隐藏层与输出层之间，尽可能的将隐含表示重构为原始输入数据。一般关注编码器的输出并将它作为原始数据的特征表示，而解码器的输出主要用于训练过程中的相似性衡量以执行反向传播调整神经网络的权重与偏置。）在提取振动数据的数据特征后，通过如下公式对特征标准化；其中，m表示x、y或z方向，表示第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器在m方向的特征， 和分别表示第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器在m方向上特征的平均值和标准差；通过对x、y和z方向的特征进行标准化后，将三个方向的特征合并，并获得第i组推
杆长度下第j时刻时第k个传感器的特征向量 ，当j=0时，为柔壁喷管未退化时在x、y和z方向的特征向量；完成特征标准化后，通过如下方法对柔壁喷管的退化进行评估；通过分析获得的特征向量h
i,j,k
可知，每一个特征向量的取值都在[0,1]之间，因此，特征向量h
i,j,k
所分布的区域为一个单元超球体区间，在单位超球体区间中，h
i,0,k
为球心，h
i,j,k
为单位超球体区间中的一点；当h
i,j,k
与h
i,0,k
的差异小于参考值，则柔壁喷管没有退化，反之，当柔壁喷管的其中一个位置进入退化阶段；即：当时，则柔壁喷管没有退化，反之，柔壁喷管进入退化阶段；其中和分别为h
i,0,k
的均值和标准差。
[0020]
在退化进行评估时，通过如下公式计算得出柔壁喷管的退化进行评估指标值，其中，为第i组推杆长度下第j时刻时第k个传感器的评估指标值，即与h
i,0,k
的偏离程度（即距离）；t
x 是三模自编码器x方向的隐藏层神经元个数，t
y
是三模自编码器y方向的隐藏层神经元个数，t
z
是三模自编码器z方向的隐藏层神经元个数。
[0021]
在得出评估指标值时，可以通过该指标判断出两种柔壁喷管维护方案，具体判断方法如下：考虑到每个马赫数柔壁喷管型面对应于一组推杆长度，且推杆长度不完全相同，对应的退化程度不同，所以柔壁喷管维护包括如下两条维护策略：第一维护策略：保养或更换，当柔壁喷管的任意一个超过第一阈值但小于第二阈值时，则认为柔壁喷管已出现退化，需要进行保养或更换，所述第一阈值的表达式如下：所述第二阈值的表达式如下；其中，和分别为通过数据d获得的的平均值和标准差，和为常数，其中≥2，＞，和的取值可根据工程中历史数据进行合理设置。
[0022]
第二维护策略：必须更换，当柔壁喷管的任意一个大于或等于第二阈值时，则认为柔壁喷管随时会出故障，一定要进行更换。
[0023]
通过上述方法，能够在线监测柔壁喷管的退化程度，还能够提供基于监测结果的柔壁喷管维护策略，对柔壁喷管进行预防性维护，提醒或警告维护人员对柔壁喷管进行维护，以避免试验风险或事故。