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顶刊代码开源 || ABIGX:一个可扩展的故障检测和分类的统一框架(上)

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从对抗攻击视角重构故障重建,东南大学团队提出ABIGX统一框架,将经典CP/RBC诊断方法拓展至任意深度学习模型,理论证明其等价性,破解"故障类别涂抹"难题,在TEP、晶圆图及工业图像上验证,为智能运维黑箱决策提供可信归因工具。      

本期给大家推荐这篇东南大学虞文武教授团队的论文。本文提出ABIGX(Adversarial Fault Reconstruction-Based Integrated Gradient eXplanation,基于对抗故障重构的积分梯度解释)框架,统一解决可解释故障检测与分类问题。核心创新在于:1)从对抗攻击视角重构故障重建,将传统CP(Contribution Plot,贡献图)/RBC(Reconstruction-Based Contribution,基于重构的贡献)方法扩展到非线性模型;2)提出分类SPE(Squared Prediction Error,平方预测误差)指标,使AFR(Adversarial Fault Reconstruction,对抗故障重构)适用于故障分类任务;3)结合集成梯度实现模型无关的变量归因。理论证明CP和RBC是ABIGX的线性特例,并分析"故障类别涂抹"问题,证明ABIGX优于传统梯度方法。实验涵盖多种模型,在TEP过程、晶圆图和MVTec-AD数据集上验证其优越的解释准确性与泛化能力。      
由于文章篇幅过长,小编将分两次为大家翻译介绍这篇论文,第一篇推文系统系统综述了故障检测与分类的研究背景,指出传统CP、RBC方法受限于线性模型且无法处理分类任务,而现有深度学习解释器缺乏故障诊断领域的理论基础。基于此,作者从对抗攻击视角重新诠释故障重建,提出AFR方法及分类SPE指标,进而构建ABIGX统一框架——通过AFR生成语义有效的反事实基线,结合集成梯度实现任意可微FDC模型的变量归因,为后续理论分析与实验验证奠定基础。      

文章质量很高。本文配套思维导图&论文精华速览,已同步至小红书:(ID:故障诊断与python学习),需要的小伙伴可以自取💡~      

论文链接:通过点击最左下角的阅读原文进行在线阅读及下载。  

论文基本信息

论文题目: ABIGX: A Unified Framework for eXplainable Fault Detection and Classification

论文期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence

Doi:https://doi.org/10.1109/TPΑΜΙ.2026.3689327

作者:  Yue Zhuo a , Duxin Chen a , Wenwu Yu a , Zhiqiang Ge a , Xiaoyu Jiang b , Jinchuan Qian c , Junhua Zheng c , Zhihuan Song d  
论文时间: 2026年1月  
机构:   

a  School of Mathematics, Southeast University, Nanjing 210096, China

b Hangzhou International Innovation Institute, Beihang University, Hangzhou 311115, China

c School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China

d School of Automation, Guangdong University  of Petrochemical Technology, Maoming, 525000, Guangdong, China


作者: 虞文武,东南大学首席教授、数学学院院长,入选教育部长江学者、青年长江、国家"万人计划"青年拔尖人才、国家优青,2014-2024连续十一次入选全球高被引科学家。主要从事系统科学与人工智能交叉研究,发表IEEE汇刊文章100余篇,Google和SCI引用超3万次,H指数75。主持科技部"新一代人工智能"重大项目等多项国家级课题,获国家自然科学二等奖1项、省部级一等奖3项;任Complex Engineering Systems主编及多个IEEE汇刊编委。(来源:Research)

摘要

本文提出了ABIGX,一种用于可解释故障检测与分类的统一框架。ABIGX建立在已有故障诊断方法的基础原理之上,包括贡献图和基于重构的贡献,同时将其适用范围扩展至通用FDC模型,并提升了故障解释效果。ABIGX的核心在于对抗故障重构方法,该方法从对抗攻击的视角重新审视故障重构,引入了一种适用于故障检测与分类任务的新型故障指标。在故障检测方面,我们通过理论证明CP和RBC是ABIGX的线性特例,从而建立了ABIGX与传统故障诊断方法之间的理论联系。对于故障分类,我们解决了故障类别模糊化问题——这是可能掩盖准确解释的固有缺陷。我们证明了ABIGX能够有效缓解该问题,其性能优于现有的基于梯度的解释方法。实验通过定量指标和直观图示对FDC(Fault Detection and Classification,故障检测与分类)的解释效果进行了评估。结果验证了AFR的通用性与准确性,并表明ABIGX在多种FDC模型上提供了更为全面和精确的解释,相较于现有方法具有显著提升。实现代码已公开发布于:https://github.com/qianjc3391/ABIGX。
关键词:特征归因;综合梯度;可解释的人工智能;反事实解释

目录

1 引言

2 预备知识及相关工作

   2.1 FDC

   2.2 故障诊断

   2.3 基于梯度的XAI方法

   2.4 对抗攻击

   2.5 可解释FDC的挑战

3 故障重建:对抗视角

   3.1 对抗故障重建

   3.2 故障分类的SPE指标

   3.3 AFR算法

   3.4 AFR与对抗攻击的对比

4 ABIGX:统一框架

   4.1 定义

   4.2 算法

   4.3 讨论

5 ABIGX在故障分类中的应用

 

   5.1 故障分类设定

   5.2 故障类别涂抹

6 ABIGX在故障诊断中的应用

   6.1 RBC与ABIGX-OneVar

   6.2 CP与ABIGX

7 实验

   7.1 评估指标与对比方法

   7.2 田纳西伊斯曼过程

   7.3 晶圆图

   7.4 MVTec-AD工业图像

   7.5 计算成本

   7.6 实现细节

8 结论


注:小编能力有限,如有翻译不恰之处,请多多指正~
     若想进一步拜读完整版,请下载原论文进行细读。

1 引言

数据驱动的FDC是识别工业过程中故障模式的一项重要技术。故障检测[1]旨在判定是否发生了故障/异常,其实现方式通常采用无监督模型(如PCA(Principal Component Analysis,主成分分析)[2]和AE(AutoEncoder,自编码器)[3])的残差投影度量。故障分类涉及故障/异常类型的辨识,其中NN(Neural Networks,神经网络)[4]近年来取得了显著成功。

然而,这些复杂模型日益呈现不透明性,对用户而言趋向于成为"黑箱"。这种不透明性导致模型输出(预测结果)缺乏可信度,而在关键领域(如工业过程、自主系统和医疗健康)的实际应用中,可信度至关重要。XAI(Explainable AI,可解释人工智能)[5]旨在通过探究预测结果的成因解释,提升人工智能模型的透明度与可信度。

在可解释人工智能领域中,XFDC(eXplainable Fault Detection and Classification,可解释故障检测与分类)旨在帮助人们理解导致故障的潜在因素。给定一个故障样本,XFDC指示各变量对监测结果(检测分数或分类置信度)的贡献程度。贡献度较高的变量被视为异常的潜在根本原因(如故障传感器)。通过识别这些变量贡献,XFDC能够辅助用户解释模型预测的故障,并主动修复存在缺陷的部件。

CP[6]和RBC[7]是故障诊断的基础方法,分别基于残差分解和重构误差提供直观的变量级归因。CP通过SPE分解突出故障相关变量,而RBC则将偏差与模型重构相关联。这些方法提供了有价值的诊断信息,但主要对线性PCA故障检测模型有效,且假设变量相互独立。关于非线性模型的扩展,虽然CP可启发式地扩展至非线性模型,但在非线性语境下缺乏严谨的理论基础。相比之下,RBC与线性重构紧密耦合,需要大幅修改才能处理非线性问题[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。此外,这些故障诊断扩展通常受限于特定结构(如核主成分分析和堆叠自编码器),且仅适用于故障检测任务。这一局限性在现代基于深度学习的FDC系统中造成了通用故障解释方面的显著空白。

本文提出了一种统一框架,称为ABIGX(Adversarial Fault Reconstruction-Based Integrated Gradient eXplanation,基于对抗故障重构的积分梯度解释)。ABIGX建立在CP和RBC的概念优势之上(如基于残差和基于重构的推理)。ABIGX首先从对抗攻击[15]的视角重新审视FR(Fault Reconstruction,故障重构)[14],随后采用深度学习归因方法——IG(Integrated Gradients,积分梯度)[16]计算变量贡献。该框架的构建基于两个核心动机:

  1. 将故障解释扩展至通用FDC模型的统一框架:传统的解释方法如CP和RBC虽然提供了概念合理且理论基础扎实的方法,但其本质上受限于线性模型,缺乏对现代非线性FDC系统的泛化能力。本文提出的ABIGX方法建立在CP和RBC的核心原理之上,但通过对抗优化对其进行重新诠释。具体而言,本文引入了AFR,该方法利用对抗攻击技术生成语义有效的反事实样本以抑制故障信号。当与积分梯度相结合时,ABIGX能够将故障归因推广至任意可微分的FDC模型,包括PCA、AE、MLP、CNN和ViT(Vision Transformers,视觉Transformer)。ABIGX在保留CP和RBC诊断直觉的同时克服了其架构局限性,提供了一个统一且广泛适用的框架,推动了线性和非线性领域中故障可解释性的发展。

  2. 基于理论基础提升故障解释精度:传统解释器的另一主要局限性在于其倾向于将变量视为相互独立,忽略了变量之间的关键交互作用——这在复杂、高维、非线性模型中尤为突出。通过采用对抗攻击视角,本文方法自动考虑了这些变量间的相互关联,显著提升了故障解释的准确性和全面性。ABIGX框架在CP和RBC的概念基础之上进行构建和扩展,为生成更精确的解释提供了坚实的理论基础,如下文的理论分析和实验结果所示。

    通过解决上述两个核心动机,本文提出的ABIGX框架不仅增强了故障解释在各类模型上的泛化能力,还显著提升了其精度。图1展示了本文涉及的主要方法之间的关系,体现了ABIGX的通用性。综上所述,本文的主要贡献包括以下四个方面:

   

图1  ABIGX示意图及相关方法。ABIGX是一个同时适用于线性和非线性故障检测与分类模型的解释框架。该方法框架了两种经典的故障诊断方法( CP和RBC),并将其推广到对抗攻击和IG方法辅助的一般FDC模型中

  • 我们从对抗攻击的视角重新审视故障重构,并针对通用FDC模型提出了AFR。新的SPE指标将AFR扩展至分类任务中的可靠故障重构,这一问题此前较少受到关注。(第3节)

  • 我们提出了一个统一框架ABIGX,用于有效解释通用FDC模型。我们通过证明CP和RBC是ABIGX的线性特例,表明ABIGX将经典故障诊断方法纳入了一个更为广泛的框架之中。(第4节和第6节)

  • 我们在可解释故障分类中引入了一个新问题,即故障类别模糊化,这是故障分类模型中固有的问题,会导致误导性的变量贡献和不准确的模型解释。通过理论分析,我们证明了ABIGX能够有效缓解该问题,从而使其在故障分类模型的可解释性方面具有显著优势。(第5节)

  • 我们在传感器数据集和图像数据集上进行了实验,采用多种定量指标进行评估。评估涵盖了多种模型,包括经典的PCA、AE、MLP、CNN和ViT模型,结果表明ABIGX相较于现有XAI方法始终能够产生更优的解释效果。(第7节)

本文其余部分的组织结构如下:第2节介绍FDC、故障诊断、对抗攻击和XAI领域的预备知识和相关工作;第3节从对抗攻击的视角重新审视故障重构,提出AFR;第4节阐述统一框架ABIGX,并通过分析故障类别模糊化问题证明其可解释性;第6节在理论上建立经典故障诊断方法与ABIGX之间的桥梁;第7节报告评估本文所提方法的实验结果;第8节对全文进行总结。        

2 预备知识及相关工作

表1列出了本文主要符号的说明。未在表中列出的较少使用符号,均在文中首次出现时予以定义。

表1  论文中主要符号的注记表

           

2.1 FDC

   

故障检测旨在利用统计方法或基于学习的方法对正常运行工况进行建模。这些模型通常将数据投影至两个子空间:捕获正常模式的主成分子空间,以及表示噪声或异常的残差子空间。当样本的残差超过预定义的控制限时,即判定为发生故障。传统方法基于PCA[17]、[18]、[19],而近期方法则采用AEs(AutoEncoders,自编码器)[20]、[21]、[22]。

给定一个无故障数据集       ,故障检测模型通过学习来最小化重建或残差误差 。模型输出表示为       ,被称为主成分样本 。在这项工作中,我们重点关注基于编码器-解码器的检测模型 。非线性情况使用带有神经网络编码器和解码器的自编码器 : 

     

PCA可以被视为一个线性自编码器 :

     

其中        是载荷矩阵,通过数据协方差的特征分解将        投影到前        个主成分上 。本研究中用于故障检测的SPE指标基于平方预测误差(SPE),即残差误差的        范数度量 :

     

控制限        由正常数据分布上SPE值的置信限得出 。当样本的SPE低于控制限时,该样本被预测为正常 。

故障分类旨在识别故障样本中的不同模式 。与故障诊断不同,分类是一项使用带标签训练数据集的有监督任务 。本工作重点关注最流行的分类模型:神经网络 。给定数据集        和标签       ,其中        为故障类型的数量 。故障分类器        通过以下方式训练 :

     

其中        是神经网络的交叉熵损失函数 。

       

2.2 故障诊断

故障检测模型的解释——通常称为故障诊断——已得到广泛研究[7]、[6]、[9]、[23]。一旦检测到故障,故障诊断旨在通过量化各输入变量对故障指标(如SPE)的贡献程度,识别其根源变量。下文简要回顾三种常用于基于 PCA 模型的经典故障诊断方法。

故障重构 [14] 寻求将故障样本的指标(例如 SPE )恢复到正常范围内所需的最小调整 。这种调整由两个参数定义:方向                 (代表第                  个变量的单位向量)和标量幅度                  。例如,对于五个传感器变量,第一个变量的方向向量为 :

             

大多数以前的故障重构方法 会依次预定义重构变量                并求解幅度                。给定               ,故障重构即寻找                :

             

其中                是故障样本,               是恢复到正常状态的重构样本。故障方向可以通过使得重构样本的 SPE 最小化的方向                来确定 。然而,故障重构无法提供每个变量的准确贡献,这由基于 RBC 方法所解决 。

RBC [7]用于计算重构向量               的故障指标,表示为 :

             

其中                是到残差子空间的投影矩阵 。

贡献图(CP)[6] 是通过直接确定每个变量对检测指标的贡献来构建的 。首先,定义的 SPE 可以展开为 :

             

其中                和                分别是检测样本和主成分样本的第                个变量。CP 在 SPE 上的贡献                可以简单地通过输入样本与输出样本第                个变量之间的平方差值来计算 :

             


2.3 基于梯度的XAI方法

   

基于梯度的 XAI 方法可以通过反向传播直接对输入特征进行归因,这些方法计算效率高,并适用于多种模型模态。最近,IG(Integrated Gradients,积分梯度)[16]成为一种流行的基于梯度的方法,并且与故障诊断方法具有一些相同的内在属性。因此,本文主要关注 IG 和另一种经典方法:显著性图(朴素梯度)[24]。

显著性图通过计算输出预测相对于输入变量的梯度来直接提供解释,这是模型行为的自然类比:

     

其中,在故障检测和分类中,真实类别的        指标和对数几率(logit)值分别被用作模型 F 的输出。

IG 是一种流行的 XAI 算法。与简单地计算梯度不同,IG 沿着从被解释样本        到反事实基线        的路径              累加梯度。第        个变量的        贡献定义为:IG 与简单地计算梯度不同,       沿着从被解释样本        到反事实基线        的路径              累加梯度。第        个变量的 IG 贡献定义为:

     

其中        是基线,       是被解释的故障样本,F 是与朴素梯度中定义相同的 FDC 输出函数。

2.4 对抗性攻击    

对抗性攻击是机器学习模型的一个关键安全问题,FDC 模型的对抗鲁棒性已在工作 [25] 中得到研究。关于对故障样本的攻击,对抗性样本          通过以下方式求解:

     

其中 F 与式 10 中的定义相同,       是距离度量,       是预定义的距离约束,       是故障标签,       是        的预测标签(第二个约束并不是严格必要的)。

2.5 可解释FDC的挑战      

尽管FDC领域的研究兴趣日益增长,但为基于深度神经网络的FDC模型生成准确且具备理论基础的解释仍然是一项关键挑战。虽然传统的故障诊断方法和深度学习解释器均已得到应用,但仍存在若干局限性:

故障诊断面临的挑战:经典故障诊断方法(如 CP 和RBC )在线性模型中已得到充分研究。尽管已有一些针对非线性模型的扩展方法被提出[9]、[11]、[26]、[8]、[10],但这些方法通常将各变量视为相互独立,忽略了重要的变量间交互作用——尤其在复杂非线性系统中。此外,这些方法大多仅限于故障检测任务,无法直接应用于故障分类任务。

深度学习解释面临的挑战:基于梯度的解释器(如IG)在解释深度模型方面展现出一定前景,但将其应用于 FDC 领域会引入新的困难。一个主要问题是基线 的选择:常用的零向量或常数向量基线[27]在FDC场景中往往缺乏语义意义,因为在该场景中区分故障与正常工况至关重要。此外,许多深度学习解释方法缺乏针对故障诊断领域的强有力理论基础。

本文提出的 ABIGX 框架通过融合传统故障诊断与深度学习解释的优势来解决上述不足。ABIGX根植于CP和RBC的原理,将自适应的、故障感知的基线引入IG,从而为故障检测和分类任务提供准确且与模型无关的解释。

3 故障重建:对抗视角

首先,我们从对抗攻击的角度对故障重构进行了研究,指出现有的故障重构解决了与稀疏对抗攻击相同的优化问题。

定理 1。对于故障检测,现有的故障重建与针对故障样本的稀疏对抗攻击共享相同的优化目标 。

证明。根据式 12,针对故障检测的稀疏对抗攻击可以通过          范数约束来定义 :

       

其中          衡量向量的非零元素数量,         控制要攻击的变量数量 。如果          以仅攻击一个变量,并且给定了被攻击变量的方向         ,则攻击目标变为在          的情况下计算该方向上的幅值          :

       

这与式 6 中定义的故障重建相同 。

3.1 对抗故障重建      

定理1启发我们利用对抗攻击算法实现更为泛化的故障重构,从而无需逐一预定义重构方向。迭代地预定义方向并求解幅值不仅耗时,还会忽略变量间的交互作用。

因此,我们针对 FDC 模型提出了AFR(Adversarial Fault Reconstruction,对抗故障重构) 。与通过蛮力搜索逐一寻找最佳故障方向不同,AFR 可以通过对被解释样本          与重建样本          之间的距离施加幅值约束,从而自动求解使 SPE 指标最小化的变量(或其组合) 。

定义 1。(针对 FDC 的 AFR )AFR 通过以下优化问题在 FDC 模型中重建故障 :

       

其中          用于约束重建样本与原始故障样本之间的距离,其度量方式为          范数(        )。受约束的          范数和          范数幅值均能使攻击算法自动聚焦于对 SPE 指标贡献最大的变量 。由于在非线性模型中变量之间的相互作用更加复杂,且在诸如图像之类的高维样本中逐个变量进行搜索的计算成本更高,因此 AFR 具有更强的通用性 。

值得注意的是,我们声明传统的逐个变量故障重建可以被视为 AFR 的一种特例(规范),并将其命名为 AFR-OneVar :

定义 2。(AFR-OneVar)AFR-OneVar 分别针对 n 个变量计算一组重建样本         ,其中涉及 n 个优化问题 。给定第 i 个变量的方向         ,         可以定义为式 14 :

       

其中          。

这与之前一些将 RBC 扩展到非线性 AE 模型的故障诊断方法 [26] 类似 。图 5 直观地展示了 AFR 与 AFR-OneVar 在二维 PCA 检测模型上的对比 。

此前,式 15 中的 SPE 仅针对故障检测进行定义 。为了使 AFR 同样适用于故障分类,我们为分类版本引入了一种新型的 SPE 指标 。

3.2 故障分类的SPE指标      

故障分类的 SPE 源自故障检测(定义见公式3)。鉴于检测模型旨在最小化正常样本的残差投影,我们认为正常样本残差投影的重心位于残差子空间的零点。因此,故障样本的检测SPE可视为在残差子空间中计算故障样本投影与正常样本投影重心(即零点)之间的欧氏距离。

因此,故障分类的 SPE 亦可类似地定义。我们在表征空间中计算欧氏距离,正常样本表征的重心即为"零点",SPE定义为正常重心与故障表征之间的欧氏距离。

图2展示了检测 SPE 与分类 SPE 的对比。分类 SPE 的定义如下:

           

图 2  SPE进行故障分类(右),与故障检测SPE (左)进行对比

定义 3。(故障分类的 SPE)给定分类网络的表示层              和正常样本集             ,故障样本 x 的分类 SPE 为:

           

其中              项是正常样本表示的重心。

在定义了SPE 指标后,FDC 中的AFR(公式15)可通过对抗攻击算法求解,下文将对此进行简要讨论。

3.3 AFR算法        

针对不同 FDC 模型,AFR 的目标函数(公式15)可采用不同的优化算法求解。本文主要考虑两种具体算法:能够保证最优解的数学规划方法,以及对多种模型更具通用性的梯度下降方法。

3.3.1. 基于数学规划的AFR

对于线性模型,我们可以将 AFR 转化为凸的 MILP (Mixed-Integer Linear Programming,混合整数线性规划),从而可以求得全局极小值。 在这里,我们具体说明              范数约束的问题,该问题极具吸引力,因为它能够直接诊断出 FDC 模型中最显著的变量。 首先,引入一组辅助二值变量             ,将              范数约束形式化为混合整数线性形式:

         

其中,合取符号            表示逻辑与,           表示重建样本的第            个变量,           是为所有变量预定义的较大边界。

接下来,线性模型的客观函数            可以被表示为:

         

其中            是残差投影矩阵。

这种通过 MILP 求解 AFR 的思想类似于对抗验证的相关工作 [28], [29], [30],并且可以扩展到基于 ReLU 的神经网络。 然而,在不失一般性的前提下,本文采用基于梯度的攻击算法来求解 AFR ,这将在下文中进行讨论。

3.3.2. 基于梯度下降的AFR

对于更一般的 FDC 模型,我们可以利用现有的攻击算法来实现 AFR 。 具体而言,我们应用了多步梯度攻击算法,即PGD(Projected Gradient Descent,投影梯度下降)[31],它适用于           、           和            范数:

         

其中            是第  t 次迭代时的对抗样本,L 用于在特定范数下对扰动进行归一化。

4 ABIGX:统一框架

借助对抗攻击算法和新的分类 SPE,AFR 将故障重构推广至通用 FDC 模型。基于AFR重构的反事实样本,我们致力于计算各变量对模型预测的贡献。

4.1 定义        

通常,ABIGX 沿着从被解释样本到 AFR 重构样本的路径对模型输出的梯度进行积分。

定义 4. (ABIGX) ABIGX 通过对变量进行归因来解释 FDC 模型:给定被解释样本 x 和由 AFR 重构的样本             ,第 i 个变量的 ABIGX 贡献定义为:

         

公式 21 是公式 11 的黎曼和,其中梯度沿着从            到 x 的直线路径进行积分。

如果重构样本是在逐个变量的方向上求解的,那么贡献也可以沿着逐个变量的方向进行计算,这被称为 ABIGX-OneVar:

定义 5. (ABIGX-OneVar) 第 i 个变量的 ABIGX-OneVar 贡献是沿着从 x 到变量方向            上的 AFR 重构样本            的路径对梯度进行积分:

         

ABIGX-OneVar 忽略了变量间的相互作用,可以被视为 RBC 在通用 FDC 模型上的扩展。由于 AFR 和 IG 都只需要模型的梯度信息,因此 ABIGX 是一种适用于 FDC 模型的通用解释技术。

4.2 算法        
算法1展示了ABIGX 归因方法,该方法结合AFR(Adversarial Fault Reconstruction,对抗故障重构)和IG(Integrated Gradients,积分梯度)生成忠实可靠的特征归因,用于解释 FDC 模型。该方法包含两个阶段。在第一阶段中,AFR通过将输入向所选表征空间中的模型诱导正常区域移动来重构故障抑制基线,具体实现方式是在            范数约束下最小化 SPE 距离至正常表征重心。我们强调,这是一种由模型和约束集定义的近似投影,而非保证精确落在真实数据流形上。在第二阶段中,IG算法沿AFR重构基线到故障输入之间的线性路径进行计算,替代了大多数基于IG方法中所使用的传统基线(如零样本)。        

对于ABIGX - One Var,对每个变量单独重复算法1,合并所有变量的属性得到最终的属性。

步骤 1:AFR(Adversarial Fault Reconstruction,对抗故障重构)

// 初始化正常表征和 AFR            对于FC,而对于FD则为0。          

// 计算 AFR,见定义 1 和公式 20 对于 t = 1 到 T 执行:

                     // SPE 的梯度

          // 更新与归一化

步骤2:基于IG的归因ABIGX(Adversarial Fault Reconstruction-Based Integrated Gradient eXplanation,基于对抗故障重构的积分梯度解释)

计算差异:           

初始化总归因:           

// 朝向 AFR 进行梯度积分(见定义 4) 对于每个            执行

                     // FDC 输出的梯度

          // 更新归因

最终确定归因:           

返回 A 作为 ABIGX 结果

4.3 讨论        
4.3.1. 异常图像解释示例        

ABIGX框架通过引入AFR(Adversarial Fault Reconstruction,对抗故障重构)自适应基线选择机制来扩展IG(Integrated Gradients,积分梯度)。如图3所示,给定一张异常图像,ABIGX通过最小化分类SPE(定义1)来搜索具有低故障置信度的AFR基线。尽管从原始样本出发的扰动在视觉上微乎其微,但其显著改变了模型的预测结果,有效地将故障输入投影到模型诱导的正常区域。该AFR基线具有语义意义,且与模型的内部表征相一致。从该基线指向原始故障样本的向量捕获了关键的故障诱导扰动,形成了更具信息量的梯度积分路径。

       

图 3  利用MVTec - AD [ 34 ]的异常图像对比ABIGX ( a )和Vanilla IG ( b )对Win Clip [ 33 ]模型的解释。ABIGX的不同之处在于使用AFR自适应地找到一个语义有意义的、具有故障抑制功能的基线,从而得到更有信息量的路径梯度积分

获得AFR基线后,ABIGX沿AFR基线到原始样本之间的直线路径,采用简单的IG方法计算特征归因,如图所示。这一过程与原始IG形成对比——后者使用固定的、与语义无关的黑色图像作为基线。通过故障感知的积分路径,ABIGX生成了更为聚焦且可解释的归因图。

4.3.2. 表格故障解释示例        
除了对不同重构故障样本进行比较之外,我们还深入剖析了ABIGX与IG之间的本质区别,以阐释本文所提方法在XFDC(eXplainable Fault Detection and Classification,可解释故障检测与分类)任务中的优越性。        
ABIGX与IG的本质区别在于基线(即积分区间的起点):ABIGX的基线为AFR重构样本,而IG的基线为正常样本。我们讨论这两种基线对变量贡献结果的影响。图6b中对TEP故障6的解释表明,ABIGX相对于IG的主要优势在于变量XMV(3)。因此,图4深入剖析了导致XMV(3)贡献差异的原因。        
       

图 3  比较ABIGX和Vanilla IG对TEP [ 18 ]故障分类模型的解释。( a )模型边界上两条基线和积分路径的直观示意(不是真正的案例);( b )从两条基线到被解释样本的两条路径上的模型置信度;( c )梯度方向与根变量XMV ( 3 )之间的余弦相似度,沿着相同的路径。三幅图中红色方框为相互对应的噪声区域

我们认为两种不同的基线导致了不同的积分路径。IG的路径更可能穿过其他故障类型(即除被解释故障和正常工况之外的故障类型)具有高置信度的区域,我们称之为噪声区域。图4中的红色方框展示了这一区域。ABIGX由于其AFR基线,更可能避开噪声区域——AFR沿最快速最小化分类SPE的方向重构故障。因此,我们推测ABIGX的路径更与正常工况和被解释故障(如故障6)的分类区域相关。相反,随机正常样本的基线可能使IG进入噪声区域,图4顶部描绘了这种可能的情形。        
为验证上述分析,图4还报告了一个含TEP故障6的样本实例。首先,中间子图展示了故障6与正常工况的(总和)置信度比率。从基线向被解释样本移动时,IG穿过了一个置信度比率急剧下降的区域(红色方框),这意味着其他故障的置信度大幅上升(如图4顶部所示的故障N)。其次,图4底部报告了沿路径各点与根源变量XMV(3)的梯度相似度。噪声区域的梯度与XMV(3)完全无关。可以发现这两个区域高度重叠。        

与检测不同,故障分类不仅建模正常工况与故障之间的区别,还区分不同的故障类型。然而,XFDC(仅解释哪些变量导致模型将故障样本预测为"故障"而非正常工况。至于为何故障6未被预测为"故障N",这并未被XFDC所考虑。因此,这正是噪声区域导致梯度方向错误的原因(如图4顶部所示的梯度方向)。

顺便指出,图4底部的梯度图解释了为何显著性图不够准确:显著性图仅计算被解释样本处的梯度,但XMV(3)的梯度在接近正常工况(或AFR重构样本)时明显更高。

4.3.3. 核心洞察        

ABIGX的核心思想在于自适应利用FDC模型的内部表征,为归因构建具有语义意义的基线。与依赖静态基线(如黑色图像或零向量)的原始IG方法不同,ABIGX采用AFR来搜索故障输入的最小扰动版本,以显著降低模型的故障置信度。这通过最小化FDC模型内的SPE来实现,有效地将故障样本投影回模型诱导的正常区域。通过这种方式,ABIGX确保用于梯度积分的插值路径完全位于输入空间的语义有效区域内。如图3和图4所示,该策略生成了更清晰、更聚焦的归因图,避免了沿非现实路径通常遇到的虚假或噪声梯度。

与使用多个正常样本作为基线的期望IG相比,ABIGX提供了更具针对性且与模型相关的基线构建方式。虽然期望IG通过利用数据驱动基线改进了原始IG,但其仍缺乏对被解释特定故障实例和FDC模型的自适应性。所选正常样本可能距离给定故障的真实决策边界较远,导致归因路径穿过输入空间的不相关区域。相比之下,ABIGX通过与FDC模型的内部故障-正常决策边界对齐,为每个故障样本动态定制基线。这使得ABIGX能够更好地隔离触发故障的最小特征变化,从而在实践中产生更准确且更可解释归因结果。

此外,ABIGX不仅在视觉上更具信息量,而且具有坚实的理论基础。在第5节和第6节中,我们将对数值故障分类中的ABIGX进行分析,并将本文所提方法与经典故障诊断方法(如CP和RBC)建立联系,为各类模型上的检测和分类任务提供一个统一的解释框架。

4.3.4. 局限性        

尽管ABIGX为故障解释提供了一个通用、可解释且理论基础扎实的框架,但其仍存在若干局限性。

首先,该方法依赖迭代梯度优化来计算AFR和IG算法,计算开销较大,尤其对于ViT等大规模深度模型。虽然对于大多数FDC场景而言,运行时间仍在可接受范围内(详见第7.5节讨论),但对于ViT等大型模型,若无进一步的加速技术,实时应用可能成为瓶颈。

其次,"类正常"AFR基线应被理解为在选定表征空间中对模型诱导正常区域的近似投影,而非正常数据流形本身。具体而言,AFR在以下条件下最为可靠:(i)正常样本在所选空间中形成紧致结构,从而使SPE目标能够有意义地反映与正常性的接近程度;(ii)表征映射具有局部稳定性且不发生坍缩,从而使SPE目标保持可优化性;(iii)扰动预算足够小,且投影位于有效域内以避免超出支撑集的基线。当这些条件不满足时,AFR可能产生保真度较低的基线,从而导致更嘈杂的归因结果,其失效案例在第7.6.3节中进行了研究。

第三,尽管ABIGX不一定需要模型的内部架构和参数,但其依赖对底层FDC模型的梯度访问。这一要求使ABIGX无法兼容非可微模型,如基于树的模型或经典贝叶斯网络。虽然这一限制在基于梯度的解释器中普遍存在,但它将ABIGX的适用范围限制于那些可进行反向传播或自动微分的模型,该问题未来可通过梯度近似技术加以解决。

最后,ABIGX通过沿AFR优化基线生成关联性归因来解释已训练FDC模型的行为,因此不应被解读为经过认证的因果根源。在实践中,它有助于缩小候选故障源的范围。若因果结构或过程机理先验信息可用,则可将其作为附加AFR约束纳入,以强制生成物理上合理的反事实样本。 

编辑:Leo

校核:李正平、陈凯歌、曹希铭、赵学功、白亮、任超、海洋、陈宇航、Kira、Tina、王金、赵诚、肖鑫鑫、张优

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首次发布时间:2026-08-11
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CFD仿真与实测信息融合|突破故障数据稀缺的柱塞泵健康监测新框架

本期聚焦轴向柱塞泵弱异常检测新突破:在电液设备长期服役与复杂工况下,泵体内部磨损、间隙增大等早期故障难以察觉,却往往是性能退化的起点。排压信号虽对内部故障敏感且易获取,但真实故障样本极度稀缺,导致传统数据驱动方法难以有效检测微弱异常。为此,本文提出一种融合仿真与实测压力信号信息的弱异常检测方法,全程无需故障训练样本。该方法直击基于相似性检测的两大核心难题:一是缺少标准健康参考,二是难以构建有效度量。首先,建立轴向柱塞泵的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模型,用仿真排压信号作为标准参照;其次,通过构建参考信号与实测信号的加权图矩阵,计算其相似性,形成健康状态评估指标。对比实验表明,该方法在弱异常检测任务中实现了100%的准确率,且间隙值高达0.145,比现有最佳方法至少提升0.17。这一框架无需任何故障数据即可实现灵敏、可靠的异常检测,为液压泵状态监测从“依赖故障样本”转向仿真-实测融合提供了全新路径。论文基本信息论文题目:Weak anomaly detection of axial piston pumps by fusing information from simulated and measured pressure signals 论文期刊:Information Fusion论文日期:2026年论文链接:https://doi.org/10.1016/j.inffus.2026.104302作者:Zhongrui Wang (a,b), Qun Chao *(a,b), Wentao Wang (a,b), Zhiqiang Zhang (c), Chengliang Liu (a,b)机构:a. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; b. State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; c. School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China通讯作者简介:潮群,上海交通大学机械与动力工程学院副教授,于浙江大学机械电子工程专业获工学博士学位。长期从事高端电液装备数字化与智能化研究,主要研究方向包括:液压 元件设计与电液驱控技术、数字试验与数字孪生、健康管理与智能运维,以及非道路移动机械无人驾驶。在学术兼 职与服务方面,潮群教授担任中国机械工程学会流控分会智能流控专业委员、中国机械工程学会高级会员、中国人工智能学会青年工作委员会委员,并被聘为制造业自动化国家工程研究中心技术专家。同时,他担任《工程科学与技术》《西南交通大学学报》《International Journal of Hydromechatronics》等期刊青年编委,以及IOP Trusted Reviewer。作为项目负责人,主持国家自然科学基金面上项目“高压高速微型柱塞泵服役性能退化机理与健康评估预测方法”。已在国内外高水平期刊发表多篇论文,在相关研究领域积累了深厚的学术影响力。(来源:https://me.sjtu.edu.cn/teacher_directory1/chaoqun.html)目录1 摘要2 引言3 方法论3.1 基于仿真的异常检测框架3.2 CFD 建模3.3 加权图矩阵3.4 相似性度量3.5 信号对齐4 实验与结果5 结论1 摘要在电液设备状态监测中,排压信号因其对内部故障的敏感性以及在实际液压系统中的易获取性,常用于评估泵的健康状态。然而,由于故障信号稀缺,利用压力信号对轴向柱塞泵进行异常检测面临挑战。为解决这一问题,本文提出了一种基于实测与仿真压力信号信息融合的弱异常检测方法,该方法无需故障训练样本。所提出的框架解决了基于相似性的异常检测中的两个关键难题:缺乏标准参考以及有效度量指标的构建。首先,建立轴向柱塞泵的计算流体动力学(CFD)模型,生成作为参考的仿真排压信号。其次,通过计算参考压力信号与实测压力信号的加权图(WG)矩阵之间的相似性,构建一个用于评估泵健康状态的度量指标。对比实验表明,在轴向柱塞泵弱异常检测任务中,所提方法是唯一达到100%准确率的方法。该方法的间隙值(clearance value)最高可达0.145,比现有方法至少高出0.17,验证了所构建相似性度量的敏感性。该方法无需故障数据即可为轴向柱塞泵的异常检测提供可靠手段。关键词:轴向柱塞泵,异常检测,排压,CFD仿真,加权图矩阵2 引言轴向柱塞泵作为液压系统的核心动力元件,已广泛应用于航空工业、军事装备、工程机械等诸多重要领域。由于在恶劣工况下长期运行,泵的摩擦副不可避免地发生磨损,导致效率下降。此外,磨损加剧引发的泵故障可能导致整个液压系统意外停机,进而造成严重的经济损失甚至灾难性后果。因此,检测轴向柱塞泵的异常对于保证其运行性能与安全性至关重要。轴向柱塞泵的异常检测方法可分为基于信号分析的方法和基于人工智能的方法。近年来,数据驱动的AI方法备受关注。有监督的机器学习方法是其中最常见的AI方法之一,具有可靠的性能。传统的机器学习方法以及深度学习方法(如卷积神经网络、深度残差网络、Transformer)均表现出较高的检测精度。此外,研究者还发展了无监督方法和小样本方法,以减少对大量标注数据的依赖。然而,故障数据的不足甚至缺失严重制约了数据驱动检测方法的实际应用。而且,基于AI的黑箱方法的可解释性和泛化能力有限。基于信号处理的方法相比数据驱动的AI方法具有更好的可解释性和泛化能力。它们主要通过统计分析或时频变换来检测异常。统计指标最初被用于异常检测。均方根值和峭度等时域指标因其简单、计算量低而广泛应用于状态监测。通过时频分析,故障频率已广泛应用于液压泵的故障诊断。在实际液压系统中,当信号受到强烈背景噪声污染时,统计指标和故障频率对微弱故障的灵敏度本质上较低。为解决这一问题,研究人员采用多种时频变换方法对原始信号进行降噪并突出故障频率。然而,仅依靠信号分析的方法在复杂工业场景中遇到局限性。例如,由于轴向柱塞泵动力学建模的复杂性,基于振动信号故障频率的异常检测可能具有挑战性。因此,一些研究将信号处理与机器学习技术相结合,以简化和增强监测方法。尽管这些方法通过构建敏感且具有物理意义的指标在健康状态监测中展现了有效性,但它们通常忽略了将先验知识融合到诊断过程中的潜在好处基于相似性的度量方法能够有效融合来自不同来源的信息,在状态监测的各个领域引起了广泛关注。在这些信息融合方法中,先验知识被用作标准参考,测量信号与参考信号之间的相似度作为健康指标。例如,标准正弦信号通常用作监测电流和电压信号的标准参考。监测电流矢量与参考电流矢量之间的相似度已用于诊断电力设备的开路故障,电压余弦相似度则用于识别储能系统的短路故障。此外,在旋转机械状态监测中也有一些应用。通过引入对每个主轴转角的图相似性评估,一种两阶段检测框架被应用于轴承状态监测。另一个例子是基于原始压力脉动信号与自编码器重构信号之间的误差进行轴向柱塞泵异常检测。与电力设备相比,基于相似性度量的旋转机械状态监测面临缺乏有效信息融合标准参考的挑战。为解决上述问题,本文提出一种仿真驱动的弱异常检测方法。首先,我们建立了轴向柱塞泵的瞬态CFD模型,生成仿真的压力信号作为相似性评估的标准参考。然后,基于图论将仿真信号和实测信号转换为矩阵,并提出一种度量来评估它们的相似性。基于图的方法最初被引入用于旋转机械监测中的变点检测,在识别周期性信号的结构变化方面表现出优越性能。本文中,我们发展了一种基于两个WG矩阵相似性的信息融合方法,以增强输入数据的信息量。该方法在不使用故障样本进行模型训练的情况下实现了优异的微弱故障检测性能。本文的主要贡献总结如下:提出了一种基于多源数据融合相似性度量的异常检测新范式,并证明了其相较于其他度量的优越性。建立了高保真轴向柱塞泵CFD模型,用于模拟排压信号,该信号作为信号相似性评估的标准参考。提出了一种基于仿真与实测排压信号加权图矩阵之间相似性度量的轴向柱塞泵弱异常检测方法。3 方法论3.1 基于仿真的异常检测框架图1展示了所提方法的框架,该方法通过融合参考信号与实测信号并评估二者相似性,来判断轴向柱塞泵的健康状态。 图1 基于仿真与实测压力信号WG相似性度量的柱塞泵异常检测方法架构图 1 展示了所提方法的框架,该方法通过融合参考信号与实测信号并评估二者相似性,来判断轴向柱塞泵的健康状态。整体检测流程如下: 步骤 1 :将健康实验信号与仿真参考信号输入相似性评估模块,计算二者的相似度值。 步骤 2 :使用不同的健康实验样本重复步骤 1 ,以建立相似度值的范围并确定阈值 。 步骤 3 :利用相似性评估模块计算实测信号与参考信号之间的相似度值,然后与该阈值进行比较,以检测异常。 具体地,建立泵的 CFD 模型以生成仿真的排压信号。随后对该信号进行截断,使其长度匹配一个完整周期,作为无噪声的参考信号。此外,采用健康轴向柱塞泵的实验压力信号来确定异常阈值 。相似性评估模块计算两个输入信号的相似度值。该模块包含三个关键部分:信号对齐、 WG 矩阵构建和相似度计算。首先,通过滑动窗口方法对实验信号进行对齐。其次,将两个信号从一维时间序列转换为信息更丰富的二维邻接矩阵,并引入权重矩阵构建 WG 矩阵。最后,计算仿真 WG 矩阵与实验 WG 矩阵之间的相似度,称为 WG 相似度,作为健康指标。利用大量实验样本确定相似度值的分布,并以 3 下限作为阈值。在实际检测中,通过相同的模块计算实测信号与仿真 WG 矩阵之间的相似度值。通过将该相似度值与预定义阈值进行比较,评估泵的健康状态。具体步骤的详细说明将在后续章节中给出。3.2 CFD建模 排压信号能够反映轴向柱塞泵的内在健康状态,并且在液压系统中易于获取。本研究采用PumpLinx®软件开发轴向柱塞泵的瞬态CFD模型,以生成高保真的仿真压力信号。3.2.1 控制方程轴向柱塞泵的CFD建模遵循质量、动量和能量守恒定律。通过有限体积法对计算流体域进行离散,以求解质量守恒方程和动量守恒方程,如下式所示: 其中, 为计算域的控制体积,其表面记为 ; 和 分别表示流体速度和表面运动速度; 为 的单位外法向量; 为局部平均流体密度; 为静压力; 为单位体积上的体积力; 表示切应力张量。张量 是流体速度及速度梯度的函数。对于牛顿流体,张量 的各元素如下式所示: 其中, 和 分别为动力黏度和湍流动力黏度; 表示 的一个分量; 为克罗内克函数(Kronecker delta)。本研究采用标准 模型以确保轴向柱塞泵流动湍流预测的收敛性与精度。所采用的全空化模型考虑了液体的可压缩性,从而实现了对压力脉动的准确预测。该全空化模型基于两相流理论,并考虑了气化与冷凝过程。采用平衡溶解气体模型来描述气泡生成、流动及溶解过程中非冷凝气体的动态特性,如下式所示,其中气体在液相中已达到其平衡质量分数。 其中, 为蒸汽质量分数的扩散系数, 为湍流施密特数。在该模型中,不同压力下的蒸汽生成率 与蒸汽凝结率 由下式计算: 其中, 为饱和蒸汽压; 和 分别为空化蒸发系数与凝结系数,本研究中均设为 ; 和 分别表示流体密度和蒸汽密度; 与 为相应的质量分数; 为表面张力。为实现可靠的空化预测,引入混合密度。由蒸汽、非冷凝气体及纯液体组成的混合物的密度可通过下式计算: 其中, 表示气相的密度。液压油中自由非冷凝气体的质量分数并非恒定不变,可通过添加气体输运方程来评估,如下式所示: 其中, 为溶解气平衡质量分数所对应的参考压力, 和 分别为压力 和 下的溶解气质量分数。3.2.2 CFD建模流程采用斜盘式轴向柱塞泵对所提方法进行验证。图2展示了从泵的三维装配模型中提取的流体域。泵的关键尺寸参数及所提取流体域的具体参数详见表1。为模拟泵内部泄漏,考虑了四个关键摩擦副中的油膜,包括滑靴/斜盘副、滑靴/柱塞副、配流盘/缸体副以及柱塞/缸体副。由于PumpLinx®软件无法处理非均匀油膜厚度,每个油膜的厚度均设为10 μm,以匹配参考泵的理论泄漏流量。采用PumpLinx®内置的网格划分工具对流体域进行离散化,网格模型包含571,200个单元、2,208,338个面和972,203个节点。选用46号液压油作为工作介质,其具体流体特性如图2所示。油温保持恒定为50℃,因此CFD仿真中不考虑传热。 图2 轴向柱塞泵CFD建模流程表1 所研究泵的流体域尺寸参数 3.3 WG矩阵 为了增强多源数据之间的信息融合,所提方法将一维压力信号转换为二维加权图相似性矩阵,用于相似性评估。首先将排压压力信号的时间序列重采样至每周期360个数据点,然后将其分割为包含360个数据点的样本,如图3(a)所示。基于这些数据点构建WG矩阵。图结构记为 ,由节点集 和边集 组成,其中每个节点对应一个数据点,每条边连接一对节点。连接节点 与 的边的值 定义为: 其中, 和 分别为节点 与 的值(本文中具体指压力值)。图 可以用一个对称的邻接矩阵 表示,其中 表示第 个节点与第 个节点之间的距离,主对角线上的元素 设为 。为了增强对微弱畸变的检测灵敏度,引入一个权重矩阵 (与 形状相同)为其元素分配不同的权重。矩阵 的元素表示如下: 权重矩阵 的有效性将在第下节中讨论。如图 3(c) 所示,WG 矩阵 定义为权重矩阵 与邻接矩阵 的哈达玛积。 图3 (a) 单周期压力信号;(b)节点邻接矩阵;(c)加权图矩阵;(d)图结构 其中 表示哈达玛积。图 3(d) 展示了矩阵 的图结构。分别用 和 表示由仿真参考样本和实验样本构建的 WG 矩阵,其对应的图分别为 和 。3.4 相似性度量得到 WG 矩阵 与 后,需要敏感且有效的相似性度量来评估两个矩阵之间的相似程度。本研究采用边权值差异和(SDEWV)相似性与模态相似性(MS)作为相似性度量。此外,本文提到的所有度量均满足表2中的基本性质,包括归一性、同一性和对称性。 表2 所选相似度指标基本特性3.4.1 SDEWV 相似性SDEWV 是一种广泛认可的度量,用于衡量具有相同边集的图之间的相似性。利用图 与 之间的边值差异,即 与 中对应元素的差值,来确定它们的相似程度。 与 之间的 SDEWV 相似性度量公式如下: 其中 与 分别为矩阵 与 中的元素, 为归一化因子。3.4.2. 模态相似性根据 Perron-Frobenius 定理,对于非负矩阵 ,其 Perron 根(即主特征值 )是非负的,且所有其他特征值的绝对值严格小于 。对应的 Perron 向量 是满足 的唯一特征向量,其中 的所有元素均为非负。鉴于 中元素的非负性,两个矩阵 Perron 向量之间的差异是衡量它们相似性的一个极好度量。在本研究中,MS 定义如下: 其中 与 分别表示对应 WG 矩阵 与 的 Perron 向量, 表示向量的 2-范数, 为归一化因子。3.5. 信号对齐在实际监测系统中,角位移信号并非总是可获取的,因此分割后的实测样本可能与仿真参考信号存在相位差异。因此,在计算相似度之前需要消除两个信号之间的相位差。为了实现信号对齐,引入滑动窗口方法来确定每个实测样本的起始点,如图4(a)所示。 图4 (a) 通过滑动窗口对齐仿真信号与实验信号;(b) 不同偏移量下的相似度对齐过程详述如下:步骤1: 随机设定窗口的起始点,使用长度为 个数据点(对应 )的窗口截取一个样本。 步骤2: 构建实测样本与仿真参考波形的 WG 矩阵,并计算两个矩阵之间的相似度。 步骤3: 窗口滑动,建立相似度与偏移量之间的关系。滑动窗口的步长设为 ,最大偏移量为 。 步骤4: 产生最高相似度的偏移量对应于最小相位差。因此,对齐相位 由下式确定: 其中 表示滑动窗口的截断函数。步骤5: 选择窗口中具有对齐相位 的片段作为对齐后的样本。由于一个转动周期内的九个仿真压力脉动具有相同的波形,步骤3中的最大偏移量 足以确保两个信号之间的适当对齐。该信号对齐方法的性能取决于仿真模型的准确性,不准确的仿真信号可能导致相位失配。因此,高保真 CFD 模型对于信号对齐至关重要。如图4(b)所示,对齐后的两个信号之间的相似度远高于未对齐的信号,这既证实了信号对齐的重要性,也验证了 CFD 模型的高保真度。3.6. 评估指标 本研究采用准确率、 分数和 作为评估指标。准确率的计算公式为: 其中,异常样本视为正类,健康样本视为负类。 分数的计算公式为: 其中,精确率(precision)与召回率(recall)分别由以下公式计算: 是一个基于相邻类别范围之间重叠或分离程度的范围重叠指标。设 为 个样本的结果集 合,则 的分布范围 定义为: 其中 和 分别为分布的下阈值与上阈值。为增强所提方法的鲁棒性,我们将下阈值设为 ,上阈值设为 。相应地, 定义为: 其中 为间隙值(clearance value), 、 、 、 分别表示健康样本与异常样本的下阈值和上阈值。假设健康实测信号与仿真参考信号之间的 WG 相似度更高。显然,公式中的分子表示健康样本与异常样本之间的间隙范围,而分母表示包含两类的整体范围。若健康类与异常类之间存在重叠,则分子可能为负值。图5以轴向柱塞泵异常检测为例展示了 的概念,其中采用标准差作为度量指标。如图5(a)所示, 值为正值表示两个类别之间存在间隙范围,这是实现灵敏异常检测的基础。 值越高,意味着设置检测阈值时的容错能力越大,并与更高的灵敏度和鲁棒性相关。相反,如图5(b)所示的负 值表明两个类别存在重叠区域,从而导致检测精度较差。总之,获得更高的正值 代表着更好的异常检测能力。 图5 改进的范围重叠方法:(a) 存在间隙区域的分布;(b) 存在重叠范围的分布4 实验实验装置及其对应的液压回路如图6所示。 图6 (a) 轴向柱塞泵试验平台;(b)液压回路;(c)滑靴故障植入已知排压信号的波形高度依赖于泵的运行工况。转速、排压、斜盘倾角及油液温度等关键参数对信号波形有显著影响。为确保有效比较,实验与仿真的运行条件列于表3。除非另有明确说明,本文后续所有分析均基于该表条件。表3 CFD仿真与实验的运行条件 在实际液压系统中,液压油中的金属颗粒很可能对泵内摩擦副造成划伤。因此,与其他故障模式相比,划伤往往出现在失效的早期阶段。随着划伤数量与严重程度的增加,由此产生的内部泄漏会导致泵性能退化。特别地,滑靴/斜盘副的磨损由于内部泄漏量小,难以检测,尤其是在磨损初期,其可检测性低于其他摩擦副。因此,本文聚焦于滑靴磨损检测以验证所提方法。在本研究中,通过在一个滑靴的底面上引入三条平行划痕来模拟滑靴/斜盘副的磨损,如图6(c)所示。需注意,每条划痕的截面尺寸设为 ,其余八个滑靴未添加任何划痕,以使测试泵保持相对较低的内部泄漏流量。这旨在避免排压波形出现明显畸变,从而模拟测试泵中的微弱故障。5 结果与讨论该检测框架无需故障样本即可实现异常识别,相应也对仿真模型的保真度提出了更高要求。本文借助实测出口压力信号,完成轴向柱塞泵计算流体力学模型的验证。为保证对比有效性,仿真模型采用与试验泵一致的尺寸参数及运行工况。图7展示正常工况下仿真与实测出口压力波形的吻合情况。二者幅值存在小幅偏差,原因在于流体仿真过程做了工况简化处理。该误差处于可接受范围,相似度评估环节可有效抵消此类偏差。 图7 正常工况下仿真与实测出口压力信号对比:(a) 转速 1000 rpm,压力10Mpa;(b) 转速1000 rpm,压力15Mpa图8呈现两种工况下的出口压力波形。显而易见,滑靴故障会使10兆帕工况下压力出现周期性跌落,与正常波形区分明显。但如图8(b)所示,15兆帕工况下泵体内部泄漏加剧,正常泵波形也会出现类似压力下降现象。本文提出的仿真驱动加权图相似度指标对波形细微畸变敏感度高,具备早期微弱故障检测潜力。 图8 正常与故障状态出口压力信号:(a、b) 正常信号;(c、d) 故障信号基准参考信号的选取是该检测方法的核心基础。计算流体力学仿真信号无噪声干扰,可作为基准信号保障诊断精度。为验证仿真基准的实用性,选取50组正常样本与50组故障样本,分别计算其相对基准信号的加权图相似度。由图9(a)可知,以实测信号为基准时相似度绝对值更高,因基准与检测样本受同类噪声干扰。但噪声会放大正常、故障样本的相似度波动,降低变异系数。反之,无噪声仿真基准能够得到稳定的加权图相似度数值,印证了仿真信号作为参考基准的必要性。 图9 不同参考信号下加权图相似度对比:(a) 以实测信号为参考;(b) 以仿真信号为参考权重矩阵与相似度指标是决定异常检测效果的两大关键因素。在正常与故障波形特征差异显著的工况下(如转速1000转/分钟、压力10兆帕),无权重图相似度也可取得良好检测效果。为提升多工况适配性,引入权重矩阵,增强对压力波形微弱畸变的识别能力。图10为压力信号无权重与加权邻接矩阵热力图。观察无权重差值矩阵可见,远离主对角线的矩阵元素数值显著偏高。图8(b)中的压力波动会大幅放大这类元素数值,极易掩盖微弱故障特征。因此需提高主对角线邻近区域元素权重,精准捕捉细微波形畸变。 图10 无权重邻接矩阵:(a) 正常仿真信号、(b) 正常实测信号、(c) 仿真与实测信号差值矩阵;加权图矩阵:(d) 正常仿真信号、(e) 正常实测信号及 (f) 二者差值矩阵(工况:转速1000 rpm,压力15 Mpa)研究对比四类权重矩阵,矩阵元素计算公式如表4所示。与邻接矩阵设置规则一致,权重矩阵主对角线元素取值为零,四类矩阵权重分布热力图见图11。第一类权重依据元素到对角线距离取倒数赋值;第二类权重纳入360个采样点周期特性;第三类采用倒数指数形式;第四类引入阶跃函数。采用第一类权重的加权图矩阵热力图显示,主对角线周边元素对计算结果贡献占比更高。表4 不同权重矩阵的异常检测结果 图11为不同权重矩阵下加权图相似度的检测结果,检测指标选用标准差加权特征向量相似度。第三、四类权重计算时,系数k₁、k₂分别设定为0.01和10。四类权重矩阵的变异系数均优于无权重模型,其中距离倒数权重的检测效果最佳。 图11 各类权重矩阵热力图及检测结果:(a、b) 无权重;(c、d) 权重一;(e、f) 权重二;(g、h) 权重三;(i、j) 权重四第二类权重会增大同类样本相似度离散度,致使变异系数下降,根源在于连续周期内出口压力波形稳定性不足。第三类权重在系数取0.01时变异系数达到峰值,整体性能仍不及第一类。第四类权重的变异系数随系数k₂减小逐步升高,系数为1时等效于第一类权重。综上,加权图相似度指标选用距离倒数型权重构建权重矩阵。精准异常检测还需适配的相似度评价准则。本文选取四种算法对比实测信号矩阵与仿真基准矩阵的相似度,分别为标准差加权特征向量相似度、矩阵谱相似度、余弦相似度与结构相似度。矩阵谱相似度计算佩龙向量时,残差阈值设为1×10⁻⁶,最大迭代次数定为1000;结构相似度正则化参数C₁、C₂均取值1×10⁻⁸。图12为异常检测结果,四项指标均可有效区分正常与故障信号,变异系数均为正值。 图12 不同评价指标下加权图矩阵相似度数值:(a) 标准差加权特征向量相似度;(b) 矩阵谱相似度;(c) 余弦相似度;(d) 结构相似度标准差加权特征向量相似度与矩阵谱相似度的变异系数远高于其余两类算法,其中矩阵谱相似度变异系数最高,且正常样本数值波动小,便于设定判定阈值、减少误判。标准差加权特征向量相似度变异系数略低,但运算效率更高,不存在矩阵谱相似度易发散的问题,同样具备可靠检测价值。综上,合理搭配权重矩阵与相似度指标可保障高检测灵敏度;采用倒数权重结合矩阵谱相似度时,本文算法整体检测性能最优。为凸显该算法对柱塞泵压力微弱异常的识别优势,将其与五种常用检测方法开展对比,包括均方根误差、一维余弦相似度、支持向量数据描述、密度加权支持向量数据描述以及扩展卡尔曼滤波,各算法公式如表5所示。表5 对比算法计算公式 均方根误差与余弦相似度常用于两组信号差异分析,计算前对仿真、实测信号做零均值归一化,消除均值偏差影响。对比实验同时纳入两种无监督数据驱动算法。支持向量数据描述是主流单分类异常检测算法,原理为所有正常数据分布于超球体内部,球体边界外数据判定为异常。密度加权支持向量数据描述在此基础上引入密度权重,贴合实际数据分布特征。实验选取峭度、标准差作为输入特征,采用50组正常实测样本确定两类算法的超球体半径,该样本量可兼顾检测效果与运算成本。以样本到球心的距离作为设备健康判定依据;密度加权算法中,近邻数参数设为15,平衡检测精度与过拟合问题。扩展卡尔曼滤波作为模型类对比算法,广泛应用于柱塞泵流体动力学等非线性系统,多用于内部泄漏故障排查。本次依据参考泵结构参数与运行工况搭建出口压力预测滤波模型,通过实测压力与预估压力的残差判定故障,以正常样本3倍标准差上限作为故障判定阈值。对比实验结果如表6与图13所示。除均方根误差外,其余对比指标均具备良好的异常检测效果,但所有对比方法均无法同时实现变异系数为正、准确率与F1分数双百分百。这证实本文所提仿真驱动加权图相似度指标,具备更优异的异常检测灵敏度与稳定性。表6 对比实验结果 图13 对比实验结果一维余弦相似度与本文方法的对比,印证了加权图矩阵的应用价值。相较于一维信号,二维矩阵能够挖掘更丰富的故障特征,可将变异系数提升0.173。数据驱动类的支持向量数据描述算法、模型驱动类的扩展卡尔曼滤波算法检测准确率尚可,但变异系数偏低。扩展卡尔曼滤波理论上对泄漏故障敏感度较高,而本次试验中滑靴磨损引发的内部泄漏量较小,导致该算法难以精准识别微弱故障,最终变异系数表现不佳。6 结论故障样本匮乏始终是异常检测领域的一大难题。本文提出一种仿真驱动的异常检测方法,无需故障训练样本,即可识别轴向柱塞泵的微弱故障。该方法通过比对实测出口压力信号与参考信号的相似度实现异常判定,参考信号取自计算流体力学仿真数据,无噪声干扰,有效性得到验证。分别基于实测与仿真信号构建加权图矩阵,据此计算加权图相似度,将其作为泵体健康状态评判指标。相较于一维信号,该融合方式提升了微弱故障识别灵敏度。在加权图矩阵构建中引入倒数权重矩阵后,异常检测区分度从 - 0.067 提升至 0.098。同时证实矩阵谱相似度为最优检测指标,诊断准确率达 100%,变异系数提升至 0.145。相较于其他检测算法,该实测与仿真信息融合框架,在柱塞泵微弱故障检测中具备更优异的灵敏度与稳定性。编辑:Jin校核:李正平、陈凯歌、赵栓栓、曹希铭、赵学功、白亮、任超、海洋、Tina、陈宇航、Kira、肖鑫鑫、赵诚、张优该文资料搜集自网络,仅用作学术分享,不做商业用途,若侵权,后台联系小编进行删除来源:故障诊断与python学习

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