一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法技术方案

本发明专利技术公开了复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，所述方法包括，步骤S100：获取磁悬浮列车的悬浮系统若干个工况；步骤S200：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，在同一工况下的健康样本，先后通过沃尔什变换、中值滤波器和支持向量数据描述处理后建立不同工况下磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型；步骤S300：获取磁悬浮列车的悬浮系统的运行监测值作为测试样本，判断当前工况并切换到当前工况健康模型，测试样本通过沃尔什变换和中值滤波器处理后通过当前工况健康模型判断其健康状态。能够准确的对复杂工况下非平衡数据集的磁悬浮列车悬浮系统进行故障检测，以提高对磁悬浮列车的安全性能。

A Fault Detection Method for Suspension System Based on Unbalanced Data Set under Complex Conditions

【技术实现步骤摘要】
一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法
本专利技术涉及磁悬浮列车
，尤其涉及一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法。
技术介绍
随着北京和长沙开通中低速磁悬浮列车运营线，磁悬浮列车越来越受到欢迎。同时，磁悬浮列车的安全可靠运行也越来越受到关注。悬浮系统是磁悬浮列车的核心系统之一。但悬浮系统故障检测主要有两方面的难点：一方面是，非平衡数据导致故障检测精度降低。其主要体现在：第一，在实际运营数据中，通常健康样本与故障样本的比例严重失衡，甚至很少有故障样本；第二，特征向量的维数较高，其分布不能可视化；第三，由于特征之间差异较大，2维特征分布成椭圆形，在n(n>3)维空间中特征向量的分布是超椭圆体；第四，选择的特征不同，特征向量的分布也会发生改变。另一方面是，在实际运营中，磁悬浮列车有悬浮静止、正线运行、回库运行等多种工况，导致不同工况下的数据差异较大，增加了故障检测难度。因此如何能够准确的对复杂工况下非平衡数据集的磁悬浮列车悬浮系统进行故障检测，以提高对磁悬浮列车的安全性能，成为本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，能够准确的对复杂工况下非平衡数据集的磁悬浮列车悬浮系统进行故障检测，以提高对磁悬浮列车的安全性能。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，所述方法包括以下步骤：步骤S100：获取磁悬浮列车的悬浮系统若干个工况；步骤S200：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，在同一工况下的健康样本，先后通过沃尔什变换、中值滤波器和支持向量数据描述处理后建立不同工况下磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型；步骤S300：获取磁悬浮列车的悬浮系统的运行监测值作为测试样本，判断当前工况并切换到当前工况健康模型，测试样本通过沃尔什变换和中值滤波器处理后通过当前工况健康模型判断其健康状态。优选地，所述步骤S200具体为：步骤S210：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，将同一工况下的健康样本，通过沃尔什变换提取样本特征；步骤S220：采用中值滤波器对样本特征进行滤波；步骤S230：根据滤波样本特征，通过支持向量数据描述处理后建立磁悬浮列车的不同工况的悬浮系统的健康模型及对应的健康阈值。优选地，所述步骤S300具体为：步骤S310：获取磁悬浮列车的悬浮系统的实时运行监测值；步骤S320：将磁悬浮列车的悬浮系统的实时运行监测值作为测试样本，判断当前工况并切换到当前工况健康模型，通过沃尔什变换提取测试样本特征；步骤S330：采用中值滤波器对测试样本特征进行滤波；步骤S340：根据测试滤波样本特征通过步骤S230的对应的健康模型获得测试样本的健康值，从而根据测试样本值和当前工况健康模型的健康阈值比较，判断出磁悬浮列车的悬浮系统状态。优选地，所述磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型为一个超椭球体。优选地，所述磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型的超椭球体的半径R和中心O分别定义为：其中，aj是训练数据的第j个样本，αj为拉格朗日乘子，Φ(aj)为将样本aj映射到核空间，asv为支持向量，au为训练数据的第u个样本，αu为拉格朗日乘子，K(aj,au)为核函数。优选地，所述超椭球体的半径即为健康模型的健康阈值。能够准确的对复杂工况下非平衡数据集的磁悬浮列车悬浮系统进行故障检测，以提高对磁悬浮列车的安全性能。附图说明图1为本专利技术第一种实施方式提供的一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法的流程图；图2为本专利技术第二种实施方式提供的一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法的流程图；图3为采用本专利技术第二种实施方式提供的一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法的检测结果示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。参见图1，图1为本专利技术提供的一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法的流程图。一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，所述方法包括以下步骤：步骤S100：获取磁悬浮列车的悬浮系统若干个工况；步骤S200：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，在同一工况下的健康样本，先后通过沃尔什变换、中值滤波器和支持向量数据描述处理后建立不同工况下磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型；步骤S300：获取磁悬浮列车的悬浮系统的运行监测值作为测试样本，判断当前工况并切换到当前工况健康模型，测试样本通过沃尔什变换和中值滤波器处理后，通过当前工况健康模型判断磁悬浮列车的悬浮系统的健康状态。能够准确的对复杂工况下非平衡数据集的磁悬浮列车悬浮系统进行故障检测，以提高对磁悬浮列车的安全性能。参见图2和图3，图2为本专利技术第二种实施方式提供的一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法的流程图。图3为采用本专利技术第二种实施方式提供的一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法的检测结果示意图。步骤S100：获取磁悬浮列车的悬浮系统若干个工况。步骤S210：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，将同一工况下的健康样本，即利用宽度为p的移动时间窗口共移动了M次获得M个健康样本mp×M，并通过沃尔什变换提取样本特征；令xd＝mp×1,(d＝1,2,…,M)。沃尔什函数可统一地表述为：其中，ti+1是x中第i+1个值，n＝log2p，1r.1(t3.1)是标号为r+1的Rademacher函数(即拉德梅克函数)的第r+1位数值，g(i)r是i的n-1位格雷码的第r位，i＝0,1,…,p-1为序号。离散哈达玛变换的表示形式为：上面的离散哈达玛变换的矩阵表达形式为：其中，Hp是p阶的哈达玛矩阵。由矩阵表达式(3)可以知道，哈达玛正变换和逆变换只差一个系数所以只考虑哈达玛正变换的快速算法。对哈达玛矩阵进行分解得到公式(4)：其中，I为单位矩阵。公式(4)由Kronecker(即克罗内克)展开，得：通过FWHT(即快速沃尔什变换)变换mp×M以获得特征矩阵可以分成训练数据和测试数据步骤S220：采用中值滤波器对样本特征进行滤波；步骤S230：根据滤波样本特征，通过支持向量数据描述处理后建立磁悬浮列车的不同工况的悬浮系统的健康模型及对应的健康阈值；所述将磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型建立为一个超椭球体，定义包含的封闭超球体，其中心是O，半径是R优化问题的初始形式是：其中ζj是一个松弛变量，C(C>0)是惩罚因子，它允许在超球体积和被拒绝的目标物体数量之间进行权衡。使用拉格朗日乘数方法，得：其中，aj是的第j个样本，αj(αj≥0)和γj(γj≥0)是拉格朗日乘子。在公式(7)中，计算R,O,ξj的导数，并设置它们的值为0。把公式(8)-(10)代入到(7)中，(7)被转换成：其中，au是的第u个样本，αu为拉格朗日乘子。从而获得(11)的双重编程形式，超球中心可表示如下：半径可表示如下：其中，asv是支持向量。对于非线性，可以通过非线性映射aj→Φ(aj)将样本映射到核空间。核函数是K(aj,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S100：获取磁悬浮列车的悬浮系统若干个工况；步骤S200：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，在同一工况下的健康样本，先后通过沃尔什变换、中值滤波器和支持向量数据描述处理后建立不同工况下磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型；步骤S300：获取磁悬浮列车的悬浮系统的运行监测值作为测试样本，判断当前工况并切换到当前工况健康模型，测试样本通过沃尔什变换和中值滤波器处理后通过当前工况健康模型判断磁悬浮列车的悬浮系统的健康状态。

【技术特征摘要】
1.一种复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S100：获取磁悬浮列车的悬浮系统若干个工况；步骤S200：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，在同一工况下的健康样本，先后通过沃尔什变换、中值滤波器和支持向量数据描述处理后建立不同工况下磁悬浮列车的悬浮系统的健康模型；步骤S300：获取磁悬浮列车的悬浮系统的运行监测值作为测试样本，判断当前工况并切换到当前工况健康模型，测试样本通过沃尔什变换和中值滤波器处理后通过当前工况健康模型判断磁悬浮列车的悬浮系统的健康状态。2.根据权利要求1所述的复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，其特征在于，所述步骤S200具体为：步骤S210：采用移动时间窗口获取磁悬浮列车的悬浮系统的不同工况下的健康样本，将同一工况下的健康样本，通过沃尔什变换提取样本特征；步骤S220：采用中值滤波器对样本特征进行滤波；步骤S230：根据滤波样本特征，通过支持向量数据描述处理后建立磁悬浮列车的不同工况的悬浮系统的健康模型及对应的健康阈值。3.根据权利要求2所述的复杂工况下非平衡数据集的悬浮系统故障检测方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙志强，王平，窦峰山，罗华军，程虎，张杨，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43