基于LSTM-CAPF框架的岸桥起升减速箱轴承寿命预测方法
RUL Prediction Method for Quay Crane Hoisting Gearbox Bearing Based on LSTM-CAPF Framework
通讯作者: 胡 雄,博士,教授;E-mail:huxiong@shmtu.edu.cn.
责任编辑: 王一凡
收稿日期: 2022-11-4 修回日期: 2023-02-10 接受日期: 2023-03-3
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Received: 2022-11-4 Revised: 2023-02-10 Accepted: 2023-03-3
作者简介 About authors
孙志伟(1994-),博士生,研究方向为港航设备自动检测与智能信息处理.
岸桥起升减速箱轴承的健康状况对港口生产安全具有重要意义.针对岸桥变工况的工作条件,提出一种起升减速箱轴承的剩余使用寿命(RUL)预测框架.首先,对工作载荷进行离散化,并确定工况边界.然后,利用长短时记忆(LSTM)网络模型预测载荷和相应的运行工况.其次,以维纳过程为基础,建立了考虑不同工况下退化率和跳变系数的状态退化函数.最后,利用工况激活粒子滤波(CAPF)方法预测轴承退化状态和RUL.采用NetCMAS系统采集的上海某港口起升减速箱轴承全寿命数据验证了所提出的预测框架.与其他3种预测模式比较表明,所提出的框架能够在变工况条件下获得更准确的退化状态和RUL预测.
关键词:
The health condition of hoisting gearbox bearings of quay cranes is of great importance for the safety of port production. A remaining useful life (RUL) predicting framework for lifting gearbox bearings of quay crane under time-varying operating conditions is proposed. First, the working load is discretized and the condition boundaries are determined. Then, the long short-term memory (LSTM) network model is adopted to predict the load and the corresponding operating conditions. Afterwards, considering the degradation rates and jump coefficients under different operating conditions, the state degradation function is established based on the Wiener process. Finally, the condition-activated particle filter (CAPF) is used to predict the degradation state and RUL of bearings. The proposed prediction framework is verified by the full-life data of the hoisting gearbox bearings in a port in Shanghai collected by the NetCMAS system. A comparison with the other three prediction methods shows that the proposed framework is able to obtain more accurate degradation states and RUL predictions under time-varying operating conditions.
Keywords:
本文引用格式
孙志伟, 胡雄, 董凯, 孙德建, 刘洋.
SUN Zhiwei, HU Xiong, DONG Kai, SUN Dejian, LIU Yang.
传统关于轴承寿命的研究一般集中在固定工况条件下轴承退化过程与振动、温度和其他类型信号演变之间的关系.这些研究所采用的方法主要分为两大类:基于模型驱动的方法和基于数据驱动的方法[5].模型驱动的方法通过建立物理模型对轴承退化状态与剩余使用寿命(Remaining Useful Life,RUL)进行预测.Lei等[6]基于Paris-Erdogan模型建立了轴承退化模型,并使用粒子滤波算法预测RUL.Qian等[7]结合Paris-Erdogan模型与多维自回归模型预测轴承的缺陷演变.当失效机制过于复杂而难以建模时,数据驱动方法能够通过数据推演退化过程.Aye等[8]使用综合高斯过程回归(GPR)模型预测了滚动轴承的退化趋势.Wang等[9]使用多个深度自动编码器模型提取线性可靠性指标,用于在特定负载和速度条件下进行RUL预测.Ali等[10]利用简化的模糊自适应共振理论映射(SFAM)神经网络作为退化模型,并提出了一个平滑阶段来寻找最佳RUL预测.这两类方法都获得了准确的RUL预测结果.但这些研究均假设轴承的运行工况在其整个寿命周期内保持不变,并未考虑工况的变化对退化过程的影响.但实际工作中轴承的运行工况常根据生产需要而改变,将工况变化的影响排除在退化过程之外是不现实的.工况的变化可能会导致信号幅值等特征产生变化,进而影响RUL预测,因此有必要在进行RUL预测时考虑工况条件变化的影响.
最近一些研究考虑了时变工况对RUL预测的影响.工况变化对退化信号的影响可概括为两部分[11]:① 不同工况下的退化率变化;② 工况切换时的信号跳变.Liao等[12]考虑了在工况分段恒定时,利用贝叶斯框架估计退化率,并通过蒙特卡罗模拟预测RUL.Peng等[13]比较了固定型、单调型和S型退化率的退化过程,并用逆高斯过程预测了RUL.Kundu等[14]将载荷、速度、温度、湿度等工况因素作为退化参数,使用威布尔退化模型预测轴承寿命.Li等[15]将信号跳跃系数与退化率引入到双因素状态空间(F2S2)模型中,并给出了时变工况条件下剩余寿命的分布.这些文献研究了轴承在动态运行条件下的RUL预测,但都假设同一轴承的未来运行工况是预先确定且分段恒定的.岸桥生产作业中运行工况会动态变化,并且在系统退化期间无法预先确定.因此,有必要在预测退化状态之前先预测载荷,并确定相应的运行工况.
为研究时变工况对RUL预测的影响,本文在寿命预测之前增加了载荷预测和工况分类步骤,并针对工况切换问题,解决了预测过程中模型参数随工况变化的更新方法.具体来说,首先,采用等距离散化方法对载荷进行分类,确定不同的运行工况;并利用长短时记忆(Long and Short-Term Memory,LSTM)网络模型对载荷进行预测;然后,考虑退化率和跳变系数,采用改进的维纳过程作为状态转移函数来描述系统状态的退化过程;最后,采用工况激活粒子滤波(CAPF)方法[16]对退化状态进行预测,更新退化率和信号跳变系数,并实现RUL预测.
1 基本理论
1.1 载荷离散化
假设载荷序列为S={S1, S2, …, Sm},分为k种工况,载荷最大值和最小值分别为Smax,Smin.
(1) 计算区间间隔:
(2) 生成k+1个区间边界点:
式中:
(3) 设置t时刻的工况:
1.2 长短时记忆网络
LSTM是循环神经网络的一种变体,是一种带有记忆功能的神经网络,在时序型数据处理方面具有极为优秀的表现.LSTM由输入门(it)、遗忘门(ft)、输出门(ot)及记忆单元(
式中:xt为t时刻的输入变量;ct为记忆单元的更新状态;ht为LSTM的最终输出;Wi,Wf, Wo,Wc, Ui, Uf, Uo, Uc为权重矩阵;bi, bf, bo, bc为偏置向量;☉为两个向量的元素乘积; σ,tanh分别为sigmoid和双曲正切激活函数,
图1给出了 LSTM 网络的循环单元结构,其计算过程如下.
图1
(1) 首先利用上一时刻的外部状态ht-1和当前时刻的输入xt,计算出3个门以及候选状态
(2) 结合遗忘门ft和输入门it来更新记忆单元.
(3) 结合输出门ot,将内部状态的信息传递给外部状态ht.
1.3 退化状态方程
式中:W(t)表示系统在t时刻的状态;W(0)表示系统的初始状态值,通常设置为0;η为退化率;σB为扩散参数;B(t)是标准布朗运动.基于对时变工况的考虑,建立以下退化方程:
式中:y(t) 为t时刻系统状态;
1.4 CAPF方法
传统的RUL预测中假设工况保持不变,因此退化参数被认为仅分配给一种工况.当考虑工况随时间变化时,需要为每个不同的工况设置不同的参数,并需要在预测退化状态之前依据预测工况进行参数选择.因此,本文利用Sun等[16]提出的CAPF方法在状态预测过程中添加了工况系数选择过程,使用条件激活向量来选择操作工况并匹配相应的参数.具体步骤如下.
(1) 粒子初始化.令
(2) 设置工况激活向量.令
式中: 1≤i, j≤k; η是退化率向量, ηi代表i工况下的退化率;α, β为跳变参数矩阵,αij, βij为 i 工况到j工况的跳变参数.
设置工况激活向量:
工况确定后, 可通过以下方程得到退化率与跳变参数:
(3) 更新系统状态.将更新后的
(4) 更新权重与参数矩阵.
通过最新观测更新权重与参数:
(5) 重采样.重新进行粒子采样, 将所有权重设置为1/N.
1.5 剩余使用寿命
RUL定义为从当前时间到使用寿命结束的长度:
式中:tEoL 是使用寿命的终点;tk是预测时间点;rk是tk时刻的剩余寿命.
对于状态模型, RUL可以定义为当前时间和系统状态达到失效阈值之间的时间间隔:
式中:y(l+tk)是l+tk时刻的系统状态; inf(·)为下限函数;D为失效阈值.
2 LSTM-CAPF预测框架
本文所提基于 LSTM-CAPF框架的岸桥起升减速箱轴承寿命预测框架如图2所示,具体过程如下.
图2
(1) 载荷离散化,确定工况边界.
(2) 使用LSTM方法预测运行载荷及对应工况.
(3) 轴承退化至故障期时,根据工况预测结果,采用CAPF方法预测轴承退化状态.
(4) 轴承退化至失效期时,根据预测的轴承退化状态预测轴承RUL.
3 实例分析
3.1 岸桥起升减速箱全寿命数据
本文通过NetCMAS系统采集的某岸桥提升减速箱高速轴轴承自安装至失效的全寿命载荷-状态数据集验证所提出方法的有效性.该岸桥的结构与传感器的布置方式如图3所示.应力测点位于前拉杆和中拉杆之间的大梁上表面,振动测点垂直放置在提升减速箱外壳上.监测系统采样频率设置为 2 500 Hz,单次采样时间为0.8 s,采样间隔为8 s.分别采集并计算上述测点处的应力平均值与振动有效值,并分别以 10 000 点为一组计算平均值,形成载荷-状态序列.
图3
3.2 退化阶段划分与工况分类
图4
图4
起升减速箱全寿命振动有效值
Fig.4
Effective value of hoisting gearbox life cycle vibration
图5
3.3 基于LSTM-CAPF框架的RUL预测
3.3.1 LSTM预测载荷
表1 LSTM参数
Tab.1
超参数 | 取值 |
---|---|
LSTM层数 | 2 |
初始学习率 | 0.005 |
学习率衰减系数 | 0.2 |
隐藏层神经元个数 | 200 |
输入序列长度 | 20 |
输出序列长度 | 30 |
迭代次数 | 500 |
训练优化算法 | Adam |
采用平均绝对误差(MAE)对预测结果进行评估:
式中:Ri为第i预测点的剩余寿命预测值; ri为第i预测点的剩余寿命真实值.
为方便展示载荷预测结果,从预测序列中分别提取1、5、10、20、30步预测结果,构成对应步长的预测时序,如图6所示.
图6
图6
不同步长载荷预测结果对比
Fig.6
Comparison of load prediction results with different steps
表2 不同步长下工况预测准确性对比
Tab.2
预测步长 | IMAE | 工况准确率/% |
---|---|---|
1 | 0.085 48 | 95.8 |
5 | 0.265 87 | 91.3 |
10 | 0.315 39 | 89.8 |
20 | 0.367 99 | 87.3 |
30 | 0.598 95 | 70.6 |
3.3.2 CAPF预测系统状态
为验证本文所提预测框架的有效性,对比4种预测方法:M1,LSTM-CAPF框架; M2,LSTM-PF框架; M3,单一粒子滤波(PF)方法; M4,LSTM-F2S2[15]框架.M1、M2、M4均采用LSTM方法预测载荷变化;M2与M3忽略工况水平的影响且M3不考虑时变工况的影响;M4在工况分段稳定且已知的条件下表现良好, 将其作为对照组对比该方法与所提方法在工况连续变化条件下的模型表现.
图7
图7
4种预测方案退化状态预测结果
Fig.7
Prediction results of degradation state of four prediction schemes
表3 预测IMAE结果对比
Tab.3
预测步长 | M1 | M2 | M3 | M4 |
---|---|---|---|---|
1 | 0.37 | 0.72 | 0.96 | 0.68 |
5 | 0.42 | 1.33 | 1.77 | 1.29 |
10 | 1.08 | 2.11 | 2.44 | 2.01 |
20 | 1.50 | 2.44 | 3.56 | 2.21 |
30 | 2.01 | 3.86 | 7.63 | 3.47 |
表4 单步状态预测结果分布平均方差对比
Tab.4
方法 | 平均方差×103 |
---|---|
M1 | 1.972 |
M2 | 1.039 |
M3 | 3.159 |
M4 | 1.028 |
进一步分析表3可以得出,在多步预测中,在考虑时变工况的情况下,所提LSTM-CAPF框架能够明显提高轴承退化状态预测的准确性.同时对比M4方法可知,F2S2模型在工况已知且分段恒定的条件下表现良好,但在应对连续变化的载荷条件时,相较所提的LSTM+CAPF模型,其预测能力尚有不足.M3方法的IMAE显著增加,并在不同预测步长中达到最高.这是因为PF方法缺乏载荷变化和工况条件的预测信息.随着预测步长的增加,将导致状态预测误差逐渐累积.PF方法的预测结果表明,在动态负载条件下,如果没有负载预测,则无法完成准确的系统状态预测.M2方法由于忽略了工况条件对跳跃系数和退化率的影响,所以在每个预测步长的系统状态预测中生成比LSTM-CAPF框架更大的IMAE.同时,结合表3与表4可以看出,PF模型的偏差、方差均明显高于其他模型,LSTM-CAPF框架的偏差、方差均明显低于其他模型,这表明单一的模型难以同时处理变化工况与状态预测的任务,而所提方法能够控制预测偏差与预测不确定性,实现更精准的预测.
图8为RUL预测结果.可以看出,PF方法没有预测RUL的能力.在多步预测时,PF方法缺乏准确的载荷和工况预测,退化状态更新仅依赖于预测时间点的已知载荷,无法在变化的载荷水平条件下获得准确的退化状态,从而无法准确预测RUL.一旦当前时刻的工况条件为“重载”模式,RUL预测结果将显著降低.这也解释了表3中PF方法在不同步长条件下均产生最大MAE的原因.LSTM-PF方法具备了载荷变化信息,能够获得一定的轴承退化状态预测能力,但由于PF方法无法区分工况水平变化产生的退化率及跳变参数差异,预测退化状态时会产生更大的预测误差,产生更多误报警,使预测RUL值偏低;与LSTM-PF方法相比,LSTM-F2S2方案考虑了工况水平的影响,因此能够获得更准确的RUL预测结果,但由于该方法考虑的是分段恒定载荷,对实时变化的载荷条件对退化状态与RUL的影响不敏感,所以该方法的RUL预测准确度低于LSTM-CAPF框架.本文LSTM-CAPF框架能够克服以上方案的缺陷,提前预测载荷变化,并通过CAPF方法将该信息从载荷变化量和载荷水平两个方面进行处理,通过更新每个工况下的退化率与工况转换时的跳变参数,获得更精确的退化状态预测结果,从而获得更准确的RUL预测结果.
图8
图8
4种预测方法RUL预测结果对比
Fig.8
Comparison of RUL prediction results of four prediction methods
4 结论
提出了一种基于LSTM-CAPF的岸桥起升减速箱轴承寿命预测框架,首先通过LSTM方法对岸桥工作载荷与对应工况进行预测,进而利用CAPF方法预测起升减速箱轴承的退化状态与RUL,得出以下结论:
(1) LSTM能够学习时序数据随时间变化规律的能力,利用岸桥工作载荷在时间上的依赖关系,准确预测应力载荷及其对应工况.
(2) CAPF算法可以解决工况动态切换时的参数匹配与更新问题.该方法根据载荷变化与工况切换情况,自适应地选择相应的条件参数并实时更新,能够更准确地预测系统退化状态.
(3) 在变工况条件下,LSTM-CAPF预测框架在预测过程中增加了载荷及工况预测环节,通过动态匹配工况参数,能够处理岸桥起升减速箱轴承在变工况条件下的寿命预测问题.
(4) 将岸桥前大梁上的应力测量点作为工况条件的特征.对于复杂系统,多个测量点的融合特征能够更准确地反映外部工况的变化.在未来的工作中,将考虑多传感器融合技术在动态工况分类与预测中的应用.
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As one of the most important components of machinery, once the bearing has a failure, serious catastrophe may happen. Hence, for avoiding the catastrophe, it is valuable to predict the remaining useful life (RUL) of bearing. Health indicators (HIs) construction plays a greatly important role in the data-driven RUL prediction. Unfortunately, most of the existing HIs construction methods need prior knowledge and few of them construct HIs from raw vibration signals. For dealing with the above issues, a novel quadratic function-based deep convolutional auto-encoder is developed in this work. The raw bearing vibration signals are first preprocessed by low-pass filtering. Then the cleaned vibration signals are input into the quadratic function-based DCAE neural networks for constructing HIs of bearings. Compared with AE, DNN, KPCA, ISOMAP, PCA and VAE, it is revealed that the proposed methodology can construct a better HI from the raw bearing vibration signal in terms of comprehensive performance. Several comparative experiments have been implemented, and the results indicate that the HI constructed by quadratic function-based DCAE neural network has stronger predictive power than the traditional data-driven HIs.Copyright © 2020 ISA. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.
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