姚志強(qiáng)
(中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,北京 100012)
石油天然氣是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈,占據(jù)著重要的戰(zhàn)略位置[1]。管道運(yùn)輸與其他運(yùn)輸方式相比具有明顯的優(yōu)勢(shì),密閉的管道運(yùn)輸可以減少液體的揮發(fā)損耗[2],運(yùn)輸過程中受氣候和環(huán)境影響較小,并且能適應(yīng)復(fù)雜的地形。因此管道運(yùn)輸已經(jīng)成為石油天然氣的主要運(yùn)輸方式。但是,長(zhǎng)輸管道多埋于地下,自然災(zāi)害以及人為破壞很容易導(dǎo)致管體損壞,使管道發(fā)生泄漏,造成大量的經(jīng)濟(jì)損失[3]。
早在上世紀(jì)50至60年代,國(guó)外的一些專家學(xué)者就已經(jīng)對(duì)管道的泄漏檢測(cè)方面開展了大量研究[4]。目前,對(duì)管道故障診斷的方法大多主要是基于管道模型與管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法[5]。文獻(xiàn)[6]提出了1種基于統(tǒng)計(jì)的泄漏檢測(cè)方法,該方法分析了發(fā)生泄漏時(shí)流量和壓力的變化關(guān)系,利用序列概率比和模式識(shí)別的方法進(jìn)行模態(tài)檢驗(yàn),但是由于該方法對(duì)移變精度依賴較大,所以檢測(cè)精度不高;文獻(xiàn)[7]在基于瞬態(tài)模型的研究基礎(chǔ)上,提出了管道的功能傳遞模型,大大提高了模型的計(jì)算效率與泄漏檢測(cè)效率;文獻(xiàn)[8]提出了1種基于多廣義現(xiàn)行模型和聚類的決策方法,利用置信區(qū)間估計(jì)從而減少管道泄漏的誤報(bào)率;文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了1種基于管道與泵機(jī)組狀態(tài)耦合分析的泄漏檢測(cè)方法,該方法主要包括了基于邏輯推理的管道壓力異常步驟算法、管道相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)識(shí)別,以及基于耦合狀態(tài)分析的管道泄漏判別,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法在一定程度上提高了泄漏檢測(cè)的準(zhǔn)確率[10]。
但是,隨著當(dāng)前管網(wǎng)系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備不斷增加,對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)量驟增,管網(wǎng)的不確定性和復(fù)雜性也不斷增加。所以,如何解決管網(wǎng)的故障診斷問題成為當(dāng)務(wù)之急。
圖1 輸油管網(wǎng)系統(tǒng)模型Fig.1 Model of oil pipeline network system
以往基于管道模型與管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法顯得乏力,計(jì)算復(fù)雜度低,利用存儲(chǔ)的離線和在線數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控、診斷和決策等功能,泄漏檢測(cè)精度及效果并不理想。因此,針對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),需要采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式建立管網(wǎng)模型,并在分析原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,發(fā)掘數(shù)據(jù)最本質(zhì)的特征,從而進(jìn)行管道故障診斷。
深度學(xué)習(xí)的概念由Hinton等人于2006年提出,源于人類對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究,是基于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行表征學(xué)習(xí)的方法,有多個(gè)隱層的多感知器是深度學(xué)習(xí)模型的主要特征[11]。深度學(xué)習(xí)通過組合低層特征形成更加抽象表示屬性類別或特征的高層,以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示[12]。與傳統(tǒng)方法相比,深度學(xué)習(xí)研究的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)的有用表示,尋找數(shù)據(jù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),通過原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變量間的本質(zhì)關(guān)系[13]。
深度學(xué)習(xí)雖然在語(yǔ)音識(shí)別、圖像處理等方面取得了巨大的成功[14],但是在管道泄漏檢測(cè)方面的應(yīng)用相對(duì)較少。由于管網(wǎng)故障診斷實(shí)質(zhì)上是個(gè)多分類的問題,正常運(yùn)行、管道泄漏、工況調(diào)整,加之現(xiàn)代化管網(wǎng)復(fù)雜以及數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)[15],所以深度學(xué)習(xí)適合應(yīng)用于管道故障診斷的研究。
綜上所述,本文提出1種基于深度學(xué)習(xí)的管道故障診斷方法。
成品油管網(wǎng)是1種復(fù)雜且具有擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),現(xiàn)有成品油管網(wǎng)系統(tǒng)(見圖1)主要依據(jù)系統(tǒng)采集到的表征管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)和表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策控制,同樣的,在管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)上述信息也會(huì)隨之發(fā)生異常。
表征管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)主要由系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器來采集獲取,主要包括油品進(jìn)出站壓力、油品流量、油品溫度,以及分輸站內(nèi)油品儲(chǔ)量。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)管網(wǎng)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí),發(fā)生異常波動(dòng)的數(shù)據(jù)主要是壓力數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù),溫度及油品儲(chǔ)量并未發(fā)生明顯異常波動(dòng),換言之,管網(wǎng)故障主要影響管網(wǎng)的壓力流量數(shù)據(jù)。通常,由管網(wǎng)故障引起的壓力波動(dòng)一般可沿管網(wǎng)傳播200 km左右,超過200 km后,由于壓力信號(hào)的衰減,波動(dòng)信號(hào)難以采集,且由于噪聲擾動(dòng)的影響波動(dòng)信號(hào)已經(jīng)不具備實(shí)際參考意義。與壓力信號(hào)相比,由于管網(wǎng)中分輸站的存在,油品流量數(shù)據(jù)波動(dòng)的傳播一般截止到與管網(wǎng)發(fā)生故障位置臨近分輸站,由于分輸站內(nèi)的工況調(diào)整,超過多個(gè)分輸站后的流量數(shù)據(jù)同樣不具備實(shí)際參考意義。
管網(wǎng)設(shè)備是油品輸送的基礎(chǔ),通過各種各樣的設(shè)備操控實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)工藝流程的控制。管網(wǎng)設(shè)備主要包括安裝或附加在管道上的設(shè)備,主要包括閥門、泵機(jī)組、管線長(zhǎng)度和管道直徑。由于分輸站內(nèi)為實(shí)現(xiàn)工況調(diào)整而操作管網(wǎng)設(shè)備同樣會(huì)造成管網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常波動(dòng),所以在對(duì)管網(wǎng)故障診斷時(shí)需要充分考慮管網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù),以此區(qū)分管網(wǎng)故障和工況調(diào)整2種不同的情況。
綜上所述,首先,將管網(wǎng)分輸站進(jìn)行分組,將每個(gè)分輸站以及其周圍距離其2個(gè)分輸站距離以內(nèi)的分輸站作為1組;其次,將每個(gè)分輸站組及組內(nèi)鏈接管網(wǎng)的油品壓力數(shù)據(jù)、油品流量數(shù)據(jù)、分輸站內(nèi)閥門狀態(tài)數(shù)據(jù),泵機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)、管線長(zhǎng)度、管線直徑以及時(shí)間數(shù)據(jù)作為管網(wǎng)故障診斷的數(shù)據(jù)依據(jù);最后,由于管網(wǎng)故障診斷是個(gè)多分類問題,因此將診斷結(jié)果分為3種:正常運(yùn)行、工況調(diào)整和泄漏故障。
深度置信網(wǎng)絡(luò)(DBN)是基于概率的模型,模型可以形成1個(gè)樣本特征和樣本標(biāo)簽的聯(lián)合概率分布函數(shù),從而對(duì)P(Observation | Label)和P(Label | Observation)進(jìn)行估計(jì)。深度置信網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)受限制玻爾茲曼機(jī)(RBM)堆疊構(gòu)成的多隱層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。深度置信網(wǎng)絡(luò)采用逐層訓(xùn)練的方式網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練主要有預(yù)訓(xùn)練以及調(diào)優(yōu)2部分,解決了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法不適用于多層網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的問題。
基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型(見圖2)主要由若干層受限制玻爾茲曼機(jī)堆疊而成,并且在若干層受限制玻爾茲曼機(jī)后加上分類層作為輸出層,輸出層通常選用Softmax分類器。模型的輸入為油品壓力數(shù)據(jù)(Press)、油品流量數(shù)據(jù)(Flow)、分輸站內(nèi)閥門狀態(tài)數(shù)據(jù)(Valve)、本機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)(Pump)、管線長(zhǎng)度(Length)、管道直徑(Diameter)和時(shí)間數(shù)據(jù)(Time);模型的輸出為管網(wǎng)正常運(yùn)行(Normal)、管網(wǎng)故障(Error)和工況調(diào)整(Adjustment)3種運(yùn)行狀態(tài)的概率,概率值最大的即為管網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。
圖2 深度置信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 DBN structure diagram
基于DBN的管網(wǎng)故障診斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練主要包含預(yù)訓(xùn)練及調(diào)優(yōu)2個(gè)部分。預(yù)訓(xùn)練的主要手段是使用大量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的管網(wǎng)無標(biāo)簽數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本,實(shí)現(xiàn)對(duì)DBN網(wǎng)絡(luò)底部的若干層RBM參數(shù)的初始化工作;調(diào)優(yōu)過程則是利用少部分的有標(biāo)簽數(shù)據(jù)樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行微調(diào),使整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的參數(shù)達(dá)到全局最優(yōu)。假設(shè)深度信念網(wǎng)絡(luò)模型的輸出為hw,b(X),則其采用平方損失的損失函數(shù)為:
式中:λ為正則化系數(shù)。
預(yù)訓(xùn)練過程的主要任務(wù)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行初始化,預(yù)訓(xùn)練通過逐層地?zé)o監(jiān)督特征優(yōu)化算法進(jìn)行訓(xùn)練,初始化的參數(shù)主要為每一層受限制玻爾茲曼機(jī)以及分類器之間的連接權(quán)重和偏置值。每一層受限制RBM都包含顯層v和隱層h,其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
假設(shè)顯層有m個(gè)神經(jīng)單元,隱層有n個(gè)神經(jīng)單元,利用對(duì)比散度算法對(duì)重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行近似采樣,受限制玻爾茲曼機(jī)訓(xùn)練算法如下:設(shè)某訓(xùn)練樣本點(diǎn)的樣本值為x0。
圖3 受限制玻爾茲曼機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 RBM structure diagram
1)初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ以及顯層單元的初始狀態(tài)值v0=x0,設(shè)定每一層受限制玻爾茲曼機(jī)訓(xùn)練是的最大迭代次數(shù)N。
5)按下列各式更新各個(gè)參數(shù):
式中:ρ表示學(xué)習(xí)率。
在最大迭代次數(shù)內(nèi),不斷地重復(fù)上述訓(xùn)練步驟,直至訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)或輸入輸出誤差足夠小時(shí)結(jié)束該層RBM的訓(xùn)練。當(dāng)一層RBM訓(xùn)練完成后,以該層RBM隱層的輸出作為下一層RBM的輸入,重復(fù)訓(xùn)練過程,逐層訓(xùn)練,直至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢。
預(yù)訓(xùn)練完成后,基于DBN的管網(wǎng)故障診斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各層RBM以及分類器均得到了初始化參數(shù),構(gòu)成了基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型的基本框架。在預(yù)訓(xùn)練之后,需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)優(yōu),調(diào)優(yōu)訓(xùn)練過程使用有監(jiān)督訓(xùn)練的方式,采用有標(biāo)簽樣本進(jìn)行訓(xùn)練,利用反向傳播算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行微調(diào),最終達(dá)到最優(yōu)效果。
其只需要計(jì)算損失函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù),計(jì)算量較小,適合訓(xùn)練大規(guī)模數(shù)據(jù),能收斂到全局最優(yōu)。反向傳播算法對(duì)權(quán)重W與偏置b的更新方式如下所示。
式中:α為學(xué)習(xí)率。
在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)訓(xùn)練的過程中,正向無監(jiān)督訓(xùn)練將模型參數(shù)優(yōu)化到最優(yōu)值附近,在此基礎(chǔ)上反向訓(xùn)練可以對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的局部的搜索調(diào)優(yōu)。相比傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),利用正向無監(jiān)督訓(xùn)練與反向有監(jiān)督訓(xùn)練相結(jié)合的方式,可以避免網(wǎng)絡(luò)參數(shù)限于局優(yōu),參數(shù)收斂時(shí)間短,訓(xùn)練速度快。
基于深度置信網(wǎng)絡(luò)(DBN)的管網(wǎng)泄漏故障檢測(cè)算法具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖4所示。
圖4 基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷算法流程Fig.4 Flow chart of pipelines fault diagnosis algorithm based on DBN
1)選擇管網(wǎng)樣本數(shù)據(jù)和管網(wǎng)特征變量,并且對(duì)管網(wǎng)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,按一定的比例將管網(wǎng)樣本數(shù)據(jù)分為預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、調(diào)優(yōu)數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集。由于管網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量限制,樣本集屬于小樣本數(shù)據(jù),所以一般劃分比例取7∶2∶1。
2)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的分類。
3)建立基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷結(jié)構(gòu)模型,將模型參數(shù)初始化為隨機(jī)較小值;
4)采用預(yù)訓(xùn)練集內(nèi)無標(biāo)簽樣本,利用對(duì)比散度算法通過對(duì)模型的RBM層以及Softmax分類器進(jìn)行逐層訓(xùn)練,使模型參數(shù)到達(dá)最優(yōu)值附近。
5)采用調(diào)優(yōu)集內(nèi)有標(biāo)簽樣本,并利用BP反向傳播算法對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu),使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)達(dá)到全局最優(yōu),使用測(cè)試集數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試,當(dāng)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到最高(不再上升)時(shí)即為模型參數(shù)最優(yōu),從而得到最終的網(wǎng)絡(luò)模型。
6)利用驗(yàn)證集數(shù)據(jù),對(duì)上述步驟得到的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行測(cè)試,分析模型性能。
本文設(shè)計(jì)的基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷算法,網(wǎng)絡(luò)參數(shù)W,a,b均初始化為0,學(xué)習(xí)率ρ初始化為0.1。
首先,針對(duì)每一層RBM層進(jìn)行仿真訓(xùn)練,以確定每層RBM層的最優(yōu)訓(xùn)練次數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在迭代次數(shù)較小時(shí),模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率會(huì)隨著迭代次數(shù)增加而提高;但是當(dāng)模型訓(xùn)練次數(shù)較高時(shí),過多的訓(xùn)練次數(shù)不會(huì)使模型準(zhǔn)確率提高,甚至?xí)捎谶^擬合的問題導(dǎo)致預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)?shù)螖?shù)超過1 500 次時(shí),RBM模型的準(zhǔn)確率上升緩慢,如圖5所示。
圖5 DBN不同參數(shù)對(duì)比Fig.5 Contrast diagram of DBN with different parameters
因此,綜合考慮管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與特性以及模型訓(xùn)練的復(fù)雜度,本文選擇RBM訓(xùn)練迭代次數(shù)2 000次。
在對(duì)RBM迭代次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)仿真,確定每層RBM的最優(yōu)迭代次數(shù)后,本文針對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型的RBM層數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)仿真。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)只有Softmax分類器時(shí),管網(wǎng)故障診斷的正確率在50%左右。隨著RBM層數(shù)的增加,管網(wǎng)故障診斷正確率也不斷增加,當(dāng)RBM層數(shù)到5層時(shí),故障診斷正確率達(dá)到96.87%,繼續(xù)增加RBM層數(shù)時(shí),由于反向傳播算法傳播能力有限,層數(shù)過多,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,誤差不能有效反向傳遞,網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不能進(jìn)行有效更新,所以模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率不再上升,甚至有略微降低。因此,綜合考慮模型復(fù)雜度與訓(xùn)練效果,為保證診斷正確率,且盡可能簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)的算法采用5層RBM構(gòu)成的深度置信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且每層RBM節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為30,60,100,60,30。針對(duì)不同層數(shù)的RBM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練結(jié)果如表1所示。
表1 不同層數(shù)的RBM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練結(jié)果Table 1 Training results of RBM network structurewith different layers
基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷方法與傳統(tǒng)基于模型的方法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率與誤報(bào)率如表2所示,其中基于模型的方法為負(fù)壓波傳遞管道故障診斷方法。
表2 深度信念網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比Table 2 Accuracy rate contrast of deep belief network andthe traditional method
由表2中數(shù)據(jù)可以看出,基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的方法與基于模型的方法(負(fù)壓波檢測(cè))相比較,在單一管道泄漏檢測(cè)時(shí)優(yōu)勢(shì)并不明顯,因?yàn)閱我还艿滥P洼^為簡(jiǎn)單,負(fù)壓波傳播模型可以很好地?cái)M合管網(wǎng)泄漏數(shù)據(jù);但是當(dāng)應(yīng)用范圍擴(kuò)展到整體管網(wǎng)時(shí),由于管網(wǎng)數(shù)據(jù)量增大,管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)管道模型不能很好的擬合管網(wǎng)數(shù)據(jù),此時(shí)基于深度置信網(wǎng)絡(luò)泄漏檢測(cè)方法能夠良好地發(fā)掘管網(wǎng)數(shù)據(jù)中的信息并擬合管網(wǎng)數(shù)據(jù),相較于傳統(tǒng)模型方法在管網(wǎng)泄漏檢測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯。
1)設(shè)計(jì)了基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷方法,建立了基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷模型,確定了模型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),利用對(duì)比散度算法和反向傳播算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)優(yōu),使模型參數(shù)達(dá)到全局最優(yōu)。
2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,設(shè)計(jì)的基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)故障診斷算法對(duì)管網(wǎng)故障診斷可以達(dá)到良好的診斷結(jié)果,泄漏預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率在驗(yàn)證集樣本上可達(dá)96.87%,在管網(wǎng)泄漏檢測(cè)中相較于傳統(tǒng)基于模型的方法優(yōu)勢(shì)明顯。
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