1.一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)构建源域高维PEMFC数据集,以及当前目标域PEMFC有标签数据集,对应PEMFC不同的故障状态;
(2)将源域高维PEMFC数据以及当前目标域PEMFC数据分别作为均匀流形逼近与投影算法UMAP的输入,对高维数据集进行降维,去除冗余信息影响;
(3)划分数据集,并构建TimesNet模型诊断框架;
(4)将降维后的高维PEMFC数据作为TimesNet模型源域,对其进行预训练;
(5)利用当前目标域PEMFC少量有标签数据通过迁移学习对TimesNet模型的参数进行微调,得到最终的诊断模型;
(6)对于待诊断燃料电池无标签数据,采用有标签数据集相同的传感器工作信号采集方法,将当前传感器采集到的PEMFC数据集输入到TimesNet诊断模型进行分类,得到PEMFC的不同工作状态;
所述步骤(3)实现过程如下:
对数据集划分训练集和测试集,其前80%为训练集,后20%为测试集;TimesNet由堆叠的TimesBlock组成,输入序列经过嵌入层得到深度特征,对于第l层的时间块,输入为之后通过2D卷积提取二维时序变化:按照固定的周期将原始的一维时间序列数据X1D按照如下公式进行折叠:式中, 是第i个变换后的二维张量,Padding(X1D)在序列的尾部补零进行对齐,使得序列长度可以被Pi整除, 表示将补零后的一维序列数据进行Reshape重塑变形,fi表示对应X1D的频率,Pi为对应X1D的周期;
所述时间块具体过程如下:将一维转化为二维:首先对输入的一维时序特征 提取周期,并将之转换成为二维张量来表示二维时序变化;
提取二维时序变化表征:对于二维张量,由于其具有二维局部性,因此使用了Inception模型提取信息,即:将二维变换至一维:对提取的时间特征,将其转化回一维空间以便信息聚合:式中, 表示将Padding(X1D)操作补充的0去
除;
自适应融合:将一维表征 按对应频率加权求和,得到最终输出:
其中, 表示对应X1D的幅值,Softmax()表示Softmax分类器, 表示经过Softmax分类器后的输出。
2.根据权利要求1中所述的一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,步骤(1)所述源域高维PEMFC数据包括质子交换膜燃料电池阴极和阳极的电压、电流、温度、浓度。
3.根据权利要求1中所述的一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,步骤(1)所述源域高维PEMFC数据集为Ss:Ss={(xn,i,yn,i),xn,i∈An,yn,i∈Bn}(1)其中,An表示有标签数据集中燃料电池的工作信号数据样本集合,xn,i表示工作信号数据样本集合An中的第i个工作信号数据样本,Bn表示有标签数据集中燃料电池的健康状态标签集合,yn,i表示工作信号数据样本xn,i对应的健康状态标签。
4.根据权利要求1中所述的一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,所述步骤(2)实现过程如下:对于输入数据集{x1,…,x1,…,xn}中的每个xi,γ为给定的一个超参数,定义θi和δi:其中,θi的选择要确保至少有一个边缘权值为1的数据点与xi相连,δi为长度尺度参数,xn表示数据集样本数量,d(xi,xj)表示样本点xi和其近邻点xj之间的距离;
定义有向加权图 利用 的对称性质定义无向加权图Z;设B为Z的加权邻接矩阵,得到一个对称矩阵D:
其中,利用对称矩阵D定义了无向加权图Z, 是Hadamard乘积;
UMAP沿边界和顶点分别施加引力和斥力来演化出一个由点集
{fi},i=1...N构造的等效加权图H;利用交叉熵度量计算无向加权图Z和H之间的差异,使H与Z捕获的源数据的拓扑结构相匹配,从而得到数据整体拓扑的低维表示。
5.根据权利要求1中所述的一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,所述步骤(4)实现过程如下:采用TimesNet模型对PEMFC数据进行傅里叶变换,将时序信号的分析扩展到二维空间,将一维数据重构为二维张量,从而得到时间上的二维变化,选取前,通过傅里叶变换获取输入数据中的谐波信息,包括幅值、频率和周期长度;
根据选取的频率和周期长度,采用Padding层将时序信号沿着时间维度进行零扩展,将一维时序信号重构为多个二维张量;
基于TimesNet的TimesBlock捕获k个不同重构张量的各种时间变化,并进行自适应聚合,有效提取信号特征重构一维时序信号;采用自适应融合学习模型进行状态识别和故障分类;
对于故障分类,定义交叉熵损失函数,通过对建立基于TimesNet的故障诊断源域模型进行训练,求出网络的最优参数,最小化分类损失函数误差,分类损失函数中p1越低表示诊断效果越好:其中,ρ(x)表示TimesNet中Softmax的输出结果,其目标值为σ(x)。
6.根据权利要求1中所述的一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,所述步骤(5)实现过程如下:当目标域PEMFC数据输入深度迁移学习模型时,TimesNet模型首先根据源域数据进行浅层结构的训练,以提取浅层特征,此时,目标域的浅层结构会被冻结;
同时将训练TimesNet模型的参数与目标域的深层结构进行共享,用于提取深层特征初始化,此时深层结构参数会被调整,以实现输入PEMFC数据的最终分类识别;
提取目标域数据的深层特征后,深度迁移模型的卷积层对其特征进行运算,以得到信号分类识别结果;
将结果输入到TimesNet模型的全连接层Dense层,并在迁移学习模型全连接层设置JMMD损失函数,得到对故障识别能有较高精度的模型。
7.根据权利要求6中所述的一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,所述JMMD损失函数为联合最大均值差异JMMD测量源域和目标域之间的分布差异,度量其识别结果与预期结果的误差来控制结果精度;JMMD损失函数为:其中,EP和EQ分别是源域P和目标域Q的期望, 表示源域数据在希尔伯特空间的特征映射, 为目标域数据在希尔伯特空间的特征映射,|L|表示层数,h1,h2表示源l域和目标域生成的激活,H表示模型第l层的再生核希尔伯特空间,将JMMD损失函数嵌入到迁移学习模型,得到模型损失函数为:p0=p1+λpJMMD (12)其中,p0表示整个迁移学习网络模型的损失函数,p1表示故障数据源域的分类损失函数,λ表示JMMD损失函数的权衡参数。
8.根据权利要求1中所述的一种基于迁移学习的质子交换膜燃料电池故障诊断方法,其特征在于,步骤(6)所述PEMFC的不同工作状态为PEMFC正常、膜干以及水淹。