基于MIV和BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路板紅外診斷方法

崔昊楊，許永鵬，楊俊杰，曾俊冬，唐 忠

(上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海 200090)

基于MIV和BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路板紅外診斷方法

崔昊楊，許永鵬，楊俊杰，曾俊冬，唐 忠

(上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海 200090)

針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練及多維數(shù)據(jù)訓(xùn)練收斂困難的問題，在使用增加動(dòng)力項(xiàng)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率等方法的基礎(chǔ)上，引入均值影響度算法(MIV)構(gòu)造了貝葉斯正則化反向傳播(BRBP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以此提高電子線路板紅外故障診斷算法的效率。利用紅外測溫方式，獲取了不同室溫及運(yùn)行狀態(tài)下電路板中21個(gè)元器件溫度數(shù)據(jù)。將此21個(gè)參數(shù)作為故障診斷模型的初始輸入變量，經(jīng)過MIV算法簡約為12個(gè)參數(shù)輸入至BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行故障評估和診斷。結(jié)果表明:相對于傳統(tǒng)的BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本文設(shè)計(jì)的基于MIV和BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型診斷方法極大簡化了數(shù)據(jù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量并解決了數(shù)據(jù)收斂的困難，因此效率更高，用時(shí)更省。

紅外測溫;MIV;BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);故障診斷

1 引 言

隨著電路板上元器件密度的不斷增大，集成化程度日益提高，電路板的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜［1］。常規(guī)的接觸式電路板故障檢測不僅耗時(shí)長，難度大且需要檢測人員具備較強(qiáng)的專業(yè)技能。由于電路板發(fā)生故障時(shí)，其中的元器件往往會(huì)發(fā)生溫升的變化，而且溫度與器件的故障率也有重要聯(lián)系，如圖1所示［2］。因此，具有非接觸特性的紅外測溫故障診斷得到廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)的紅外診斷法往往依靠人工分析數(shù)據(jù)，很容易受到人為因素影響，且對數(shù)據(jù)分析能力要求較高，工作量大［3］。為解決上述問題，需要采用能夠排除人為因素干擾、有效進(jìn)行信息處理的智能故障診斷技術(shù)。

圖1 元器件故障率與溫度的關(guān)系曲線

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有良好的非線性映射能力、泛化能力、容錯(cuò)能力［4－5］，可以有效解決紅外電路故障中的容差和非線性問題，但BP網(wǎng)絡(luò)算法對于大量及高維度數(shù)據(jù)訓(xùn)練收斂困難，將導(dǎo)致診斷結(jié)果精度不夠高，故障診斷效率較低。

本文提出了一種基于MIV和BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路板紅外故障診斷方法，利用紅外測溫方式，獲取了不同室溫及運(yùn)行狀態(tài)下電路板中各元器件溫度數(shù)據(jù)。將大量參數(shù)作為故障診斷模型的初始輸入變量，經(jīng)過MIV算法簡約后，輸入至BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行故障評估和診斷。使故障診斷效率得到明顯提高，用時(shí)明顯減少并具有可推廣性。

2 故障診斷模型理論

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.1.1 傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

前向反饋(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常是指基于誤差反向傳播的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最早由Rumelhart［6］在1986年研究并設(shè)計(jì)出來。據(jù)統(tǒng)計(jì)有近90%的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［7－8］。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 貝葉斯正則化(BR)算法

為了進(jìn)一步提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類準(zhǔn)確性及泛化能力，MacKay［9］提出了貝葉斯正則化算法，即用貝葉斯方法來得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的正則化系數(shù)，對性能函數(shù)進(jìn)行修正并確定隱藏層神經(jīng)元數(shù)，一般而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能函數(shù)為:

其中，w為網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值向量;Ew為網(wǎng)絡(luò)所有權(quán)值的均方誤差，m為網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值的總數(shù);wj為網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值;Ed為網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的均方誤差;n為訓(xùn)練樣本總數(shù); tp為第p組訓(xùn)練的期望輸出值;αp為第p組訓(xùn)練的實(shí)際輸出值;α和β為正規(guī)則化系數(shù)，其大小影響網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果。在貝葉斯分析的框架下，可推導(dǎo)出:

其中，γ=N－2αtr(H)－1，表示有效參數(shù)的數(shù)目，反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際規(guī)模;H是F(w)的黑塞(Hessian)矩陣［10］。對于黑塞矩陣H，F(xiàn)oresee F D［11］采用Levenberg-Marquardt算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時(shí)，很容易通過Gauss-Newton法逼近。在訓(xùn)練過程中可根據(jù)有效參數(shù)γ，A和W的取值來判斷網(wǎng)絡(luò)是否收斂并確定隱含層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)。對于給定的隱含層神經(jīng)元數(shù)(假定為P)，經(jīng)過若干步迭代后，這三個(gè)有效參數(shù)處于恒值或變化較小，則說明網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂，可以停止訓(xùn)練;然后選定一個(gè)較小的P開始訓(xùn)練并逐步增加P的大小，直到從某個(gè)P開始有效參數(shù)γ，A和W基本保持不變，那么這個(gè)P就可以作為最終的隱含層神經(jīng)元數(shù)。

2.2 基于均值影響度(MIV)算法的優(yōu)化模型

雖然BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在增加動(dòng)量項(xiàng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率方法的基礎(chǔ)上，對故障診斷的效率有了較顯著的提高，但是對于大量及高維度數(shù)據(jù)訓(xùn)練收斂難題，依舊沒有進(jìn)行很好的解決，導(dǎo)致診斷結(jié)果精度不夠高，故障診斷效率可以進(jìn)一步的提高。

均值影響度算法(Mean Impact Value，MIV)能夠反應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)重矩陣的變化情況，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中評價(jià)變量相關(guān)性的最好指標(biāo)之一［12］。因此，本文提出運(yùn)用均值影響度算法對輸入?yún)?shù)進(jìn)行簡約化處理，再輸入BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷。

在BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練終止后，將訓(xùn)練樣本D中每一自變量特征在其原值的基礎(chǔ)上分別加(減) 15%(或自定義變化值)構(gòu)成新的兩個(gè)訓(xùn)練樣本D1和D2。將D1和D2分別作為仿真樣本，利用已建成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，得到兩個(gè)仿真結(jié)果S1和S2，求出S1和S2的差值，即為變動(dòng)該自變量后對輸出產(chǎn)生的影響變化值(Impact Value，IV)。然后將IV按訓(xùn)練樣本的總個(gè)數(shù)進(jìn)行平均，得出該自變量的MIV值。最后根據(jù)MIV絕對值的大小為各個(gè)自變量排序，得到各自變量對網(wǎng)絡(luò)輸出影響相對重要性的位次表，從而判斷出輸入特征對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)果的影響程度，即實(shí)現(xiàn)了輸入變量的篩選。

3 實(shí)驗(yàn)及診斷結(jié)果

3.1 測溫實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以臺(tái)式電腦主板的元器件為對象，通過紅外測溫方式，分別在環(huán)境溫度為25℃，26℃，27℃，28℃的情況下，對不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)，獲取溫度數(shù)據(jù)。紅外測溫儀為ITVR6816型，距離系數(shù)比為150∶1，測溫精度為±0.1℃。

為了準(zhǔn)確判斷故障類型，實(shí)驗(yàn)中選取21個(gè)測溫點(diǎn)(5個(gè)電路板點(diǎn)、9個(gè)電容點(diǎn)、3個(gè)芯片點(diǎn)、4個(gè)散熱片點(diǎn))，各測溫點(diǎn)具體位置如圖3所示。另外，環(huán)境溫度ts，主板平均溫度tb，共23項(xiàng)變量，進(jìn)行了2個(gè)月的溫度監(jiān)測，共獲得960組數(shù)據(jù)。分為四類，即有光照條件下電路板散熱輕度故障、有光照條件下電路板散熱中度故障、暗環(huán)境條件下電路板散熱輕度故障、暗環(huán)境下電路板散熱中度故障。

圖3 主板上的測溫點(diǎn)圖

3.2 基于MIV算法的簡約化結(jié)果

采用如前所述的MIV算法，利用Matlab對測量到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到21個(gè)測溫點(diǎn)的MIV值，如表1所示。由MIV算法的理論可知，當(dāng)MIV絕對值越大時(shí)，該測溫點(diǎn)對結(jié)果的判斷影響越大，本文取MIV絕對值大于2的測溫點(diǎn)，而小于2的測溫點(diǎn)，對實(shí)驗(yàn)影響較小，將其排除?？蓪?1個(gè)參量簡約化至12個(gè)輸入?yún)⒘?，?，2，4，…，21，共12個(gè)測溫點(diǎn)，可進(jìn)行下一步測試。

表1 MIV數(shù)值表

3.3 診斷結(jié)果與討論

采用如前所述的BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用matlab對MIV算法簡約后的輸入?yún)?shù)進(jìn)行運(yùn)算，與未經(jīng)MIV簡約化的BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果進(jìn)行對比。其中第I類為在有光照條件下電路板散熱輕度故障，第II類為在光照條件下電路板散熱中度故障，第III類為在暗環(huán)境條件下電路板散熱輕度故障，第IV類為在暗環(huán)境下電路板散熱中度故障。如下所示:

(1)采用增加動(dòng)量項(xiàng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，分類結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 增加動(dòng)量項(xiàng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

圖5 基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

(2)采用BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入，分類結(jié)果如圖6所示，期望輸出與預(yù)測輸出的絕對誤差如圖7所示。

圖6 BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

圖7 BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)絕對誤差

圖8 MIV優(yōu)化后的BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

圖9 MIV優(yōu)化后的BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)絕對誤差

(3)采用BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將MIV簡約化后12個(gè)測溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)作為輸入，分類結(jié)果如圖8所示，期望輸出與預(yù)測輸出的絕對誤差如圖9所示。

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共有960組，無法詳細(xì)展示，所以僅隨機(jī)挑選部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列出，如表2所示。

表2 部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過以上四組實(shí)驗(yàn)可得到，實(shí)驗(yàn)對比表3，可以清晰地展現(xiàn)出四種實(shí)驗(yàn)條件下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確度，平均每組測試數(shù)據(jù)的絕對誤差、診斷時(shí)間、方差情況如下所示。

由四組實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖、表2部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表和表3四組實(shí)驗(yàn)對比表可知:增加動(dòng)量項(xiàng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，雖然可以滿足日常電路板故障診斷準(zhǔn)確率的要求，但是訓(xùn)練速度過慢，誤差偏大，在實(shí)驗(yàn)的輸出數(shù)據(jù)方差接近0.100的情況下，診斷時(shí)間都已經(jīng)到達(dá)了10.0 s以上，效率較低。BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)驗(yàn)的輸出數(shù)據(jù)方差小于0.015的情況下，未經(jīng)MIV預(yù)處理的需要2.8 s完成，而經(jīng)過MIV預(yù)處理的1.2 s就可以完成，效率得到顯著提高，使網(wǎng)絡(luò)模型得到優(yōu)化。

表3 四組實(shí)驗(yàn)對比表

4 結(jié)語

本文對基于MIV和BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路板紅外故障診斷方法進(jìn)行研究。利用紅外測溫方式，在不同室溫及運(yùn)行狀態(tài)下，將電路板的四種故障狀態(tài)進(jìn)行了準(zhǔn)確分類。實(shí)驗(yàn)表明，對隨機(jī)抽取的100組數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷，采用經(jīng)MIV預(yù)處理的BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷準(zhǔn)確率高達(dá)99%，僅需要1.2 s處理時(shí)間，相對于未經(jīng)MIV預(yù)處理的BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效率更高，用時(shí)更省，能夠有效診斷電路板故障并可推廣至模擬電路故障診斷領(lǐng)域、各種電氣設(shè)備故障診斷領(lǐng)域等，因此具有重要的參考意義。

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Infrared diagnosis of circuit board fault based on M IV and BRBP neural networks

CUIHao-yang，XU Yong-peng，YANG Jun-jie，ZENG Jun-dong，TANG Zhong
(School of Electronic and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

The training algorithm for BP network is hard to convergewhen the input data is large and has high dimension.Aiming at this problem，a novel fault diagnosismethod based on MIV and BRBP neural networks by infrared temperaturemeasuring is put forward.Sample data about21 variables of circuit board under different room temperature and operating conditions aremeasured，and these 21 parameters are used as the initial input variables of fault diagnosismodel.After MIV optimization，the reduced 12 variables will be input into BRBP neural networks to predict faults and classify the circuit board running conditions.Experiments show that the proposed neural networksmodel is more efficiently andmore rapidly compared with the traditional BRBPneural network.The neuralnetworkmodel presented in the paper can effectively diagnose the circuit board faults.

infrared temperaturemeasuring;MIV;BRBP neural networks;fault diagnosis

TN219;TN215

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 7

1001-5078(2014)04-0382-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61107081，61202369);上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(No.10YZ158，12ZZ176)資助。

崔昊楊(1978－)，副教授，博士，主要研究工作是電力設(shè)備狀態(tài)檢測和半導(dǎo)體光電器件等。E-mail:cuihy@shiep.edu.cn

2013-09-02;

2013-09-25