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基于HDP-HMM的机械设备故障预测

HMM算法:

  1. 设置设备状态数,此乃需要靠谱的先验知识,如果没有靠谱的先验知识,这时可以选择聚类算法,但是聚类算法中需要数据涵盖所有的状态类别。
  2. 为了增加HMM的鲁棒性和泛化性,一般需要采用多个观测样本进行训练,但在训练多组观测值序列时,只能先训练单一观测序列,在综合所有单个预测值序列得到的训练结果,计算时间长,计算量大。

HMM算法延申HDP-HMM:

  1. HDP-HMM中的状态数可以是不确定的,即状态空间无限,实现了扩展有限空间状态的隐马尔可夫模型到无限维度,并利用狄利克雷(Dirichlet Process,DP)过程的性质实现HMM状态数自动生成。
  2. HDP是在DP基础上扩展基础分布,使多个数据源之间不必满足独立同分布条件,利用参数共享,实现多维特征的信息融合和聚类。

应用描述:
设备的性能退化是一个输出特性参数可见、状态隐藏的随机过程,可以用HMM描述。假设HMM描述的设备全寿命周期共有S={1,2,…,k}个隐藏状态,{1}为设备的正常状态,{2,3,…,k-1}分别为设备k-2个一次严重程度的退化状态,{k}为为设备故障状态。到T时刻为止,产生的隐藏状态序列为{s1,s2,…,sT},不同状态下的观测值为{x1,x2,…,xT},观测值xt关于状态st条件独立。设备各时刻所属的状态可以从k个不同的状态中取值,不同状态之间的转移由转移概率矩阵决定,其中的元素为$$\pi_{ij}=P(S_t=j|S_{t-1}=i)$$
。当HMM的参数λ\lambda确定的情况下,离散状态s和观测序列x的联合概率密度函数可以表示为

p(s,xλ)=t=1Tp(stst1)p(xtst)p(s,x|\lambda) = \prod^{T}_{t=1}p(s_t|s_{t-1})p(x_t|s_t)


参考文献:
基于HDP-HMM的机械设备故障预测方法研究

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