轨道动检数据是由综合检测车定期对高速铁路轨道结构进行动态检测而得到的,是一种典型的由多传感器检测数据组成的多维时间序列数据,具有多维、异构以及影响因素复杂等特点。利用数据挖掘技术对动检数据进行深入分析研究,不仅对于及时掌握轨道安全服役状态,研究其演化规律,进而为养护维修工作提供技术支撑,保证安全运营具有重要实际意义,而且由于动检数据序列具有含多种噪声和异常、不同属性之间存在复杂的隐性关联、数据样本类别极度不平衡等特点,利用其开展时序数据分析研究也具有重要的理论意义。
本文主要针对轨道动检数据的异常检测和缺失值插补展开研究,首先开展动检数据异常检测,提出结合自适应融合模块与自编码器的动检数据异常检测方法。然后针对传感器设备故障、人为错误或者环境因素导致的数据缺失,开展缺失数据插补算法研究。本文的主要工作及研究内容包括:
(1)针对动检数据存在类别不平衡以及多维之间存在复杂关联关系的挑战,提出一种结合自编码器和自适应融合模块的无监督动检数据异常检测方法(Adaptive TCN-GRU Auto-Encoder,ATGAE)。该方法利用加噪模块Dropout来加强模型对噪声数据的鲁棒性,设计了栈式门控循环单元Stacked＿GRU和时域卷积网络TCN的编码器,在时间步上通过构建短期依赖关系和长期依赖关系增强模型的泛化能力,特别地,设计了自适应融合模块实现潜在表征的有效融合,利用栈式门控循环单元网络和全连接网络进行特征解码,从而实现异常检测。本文在高铁真实动检数据集上构建了对比实验和消融实验,实验结果表明本文提出的ATGAE模型在检测性能和鲁棒性方面均优于对比模型,研究成果为实际工程应用提供了一种有效的方法。
(2)动检数据的采集过程受环境、天气等多种复杂因素影响,导致采集数据存在缺失情况,针对此问题,本文提出了基于生成对抗网络和GRU-TP的动检缺失数据插补方法(Gated Recurrent Unit based on Time and Position-Generative Adversarial Network,GRU-TP-GAN)。本方法从多维数据的时空关联性出发,将缺失值插补的问题视为数据生成问题,设计了时位-门控循环单元GRU-TP作为生成器结构,对不完整时间序列的时间不规则性进行建模,以充分利用关联信息。设计了由GRUTP网络和全连接网络组成的鉴别器,实现缺失值插补。本文在高铁真实动检数据集上构建了对比实验和消融实验,实验结果验证了该模型的有效性,同时在公共医疗数据集Physio Net上构建的实验也进一步地验证了该方法的泛化性。
控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG)是现代航天器用于姿态机动控制的重要设备,具有耗能低、输出力矩大、精度高等优点,其健康状态和可靠性直接影响航天器的在轨寿命。CMG的各部件监测数据随航天器的在轨遥测数据下传,存在数据采样...
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控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG)是现代航天器用于姿态机动控制的重要设备,具有耗能低、输出力矩大、精度高等优点,其健康状态和可靠性直接影响航天器的在轨寿命。CMG的各部件监测数据随航天器的在轨遥测数据下传,存在数据采样率低、数据丢失和数据高延迟导致实时性差等问题。近年来,随着航天数据的大量积累和神经网络技术的发展,利用神经网络进行时间序列数据插补成为研究的热点之一。数据插补技术能够补充缺失数据,避免数据特性扭曲加剧分析难度,对异常检测、故障排查等下游任务具有重要意义。本文以某CMG实际运行遥测数据为基础,提出了基于Informer和GAN模型的时间序列插补方法,设计了基于SVM的系统辨识方法,最终设计并实现了CMG数据插补与辨识系统。本文主要完成的工作如下:用多种数据分析方法分析了CMG实际运行遥测时序数据的特点,设计并实现了适合本课题的数据预处理流程。通过白噪声检验、平稳性检验等方式分析时序数据特征,采用统计学传统方法对数据进行数据清洗。针对遥测数据和地面实验数据采样频率不同的问题,采用数据插值方法进行时间尺度归一化,并对不同数据插值方法进行分析。针对数据插补问题,对ARIMA传统方法进行实验分析。提出了结合Informer和GAN模型的数据插补模型,基于数据插补模型AST(Adversarial Sparse Transformer)改进了判别器、生成器网络结构及训练流程,通过在CMG数据集和公开数据集上的实验证明了本文模型在高缺失率数据插补任务上相比于AST模型和传统数据插补方法有明显优势。比较了基于SVM和随机森林的辨识方法并确定了适用于CMG数据系统的辨识方法。本方法用于辨识CMG实时运行状态,采用数据驱动的方式进行系统辨识,为下游任务例如异常检测提供数据支持。设计了基于PyQt5的图形化用户界面,集成本课题的时间尺度归一化、数据插补、系统辨识等功能,形成完整的软件系统。根据任务需求说明书的内容,分析了软件系统的具体需求,基于软件工程设计思维,经过架构设计、功能模块划分等设计步骤,最终实现了功能齐全、用户友好、使用简便的CMG遥测数据管理系统。
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