基于HMM的音頻故障診斷平臺實現(xiàn)軸承建模與診斷實驗

作者：陸汝華，樊曉平，楊勝躍，周芳芳

軸承是機械設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的一種通用部件，也是最容易損壞的零件之一，它工作正常與否直接影響整臺機器的性能，因而軸承故障診斷成為重要的研究課題和目前的研究熱點。在軸承故障診斷研究中，通常是對其工作時產(chǎn)生的振動信號或音頻信號進行分析，以判斷軸承運行狀態(tài)。振動信號法通過安裝在軸承座或箱體適當?shù)胤降募铀俣?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器獲取軸承振動信號，并對其信號進行分析與處理，進而判斷軸承是否運行正常。此方法的不足在于需要將加速度傳感器固定在待檢測的設(shè)備上，增加了成本，使用也不方便。音頻信號的采集屬于非接觸式，只需要利用麥克風(fēng)作為聲音傳感器，不但使用方便而且成本低廉，具有振動信號不可代替的優(yōu)勢。參考文獻研究表明，當軸承運行狀態(tài)發(fā)生變化，音頻信號特性也會隨之變化時，因而對音頻信號分析是一種有效、可行的軸承故障診斷方法。目前，基于音頻信號的軸承故障診斷方法主要有：小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和盲源分離方法等。 隱馬爾可夫模型HMM（Hidden Markov Model）是一種描述隨機過程統(tǒng)計特性的概率模型，能夠?qū)Χ鄠€觀察樣本進行有效融合而構(gòu)成一個模型，具有較好的抗噪能力，在交通監(jiān)測、圖像識別、語音識別以及基于振動信號的故障診斷等領(lǐng)域中都得到了較好的應(yīng)用，也是目前為止最有效的語音識別方法。而Mel頻率倒譜系數(shù)MFCC（Mel Frequency CepstrumCoefficients）考慮了人耳聽覺特性，能很好地反映音頻信號特征，在語音識別、音頻分類和檢索研究領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。本文通過對音頻信號的MFCC特征提取，分別采用DHMM（Discrete HMM）和CGHMM（Continuous Gaussian MixtureHMM）兩種方法進行建模與診斷研究。DHMM方法對觀測序列進行了量化處理，運算速度快，卻降低了診斷精度。而CGHMM方法不需要量化，避免了量化帶來的數(shù)據(jù)處理誤差，提高了診斷精度，但減慢了運算速度。從總體上來看，兩種方法都具有運算速度快、診斷精度高的優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 MFCC

Mel頻率倒譜系數(shù)MFCC用于信號特征提取，其計算過程如下：

（1） 確定每一幀信號的長度N及幀移，并對每一幀信號序列進行預(yù)處理（加窗、預(yù)加重等）。本文采用應(yīng)用較廣的漢明窗：

ω（n）=（1-α）-αcos（2πn/N） （1）

式中，0《α《1，通常取值為0.46。

（2） 將預(yù)處理后的信號進行快速傅立葉變換（FFT），將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，再計算其模的平方得到能量譜P［k］，0≤k≤N-1。

（3） 選取濾波器個數(shù)為M，并定義最低頻率接近零，最高頻率為輸入音頻信號頻率的一半，再根據(jù)mel（f）頻率與實際線性頻率f的關(guān)系mel（ f ）=2 595lg（1+f/700）計算出三角帶通濾波器組Hm［k］，則能量譜P［k］通過三角帶通濾波器組Hm（k）后的輸出為：

（4） 對S［m］進行離散余弦變換（DCT）即得到MFCC系數(shù)：

（5） 取C［1］，C［2］，…，C［V］作為MFCC參數(shù)，此處V是MFCC參數(shù)的維數(shù)，通常為12～16。

1.2 HMM

隱馬爾可夫模型HMM是在Markov鏈的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種概率模型，由三個基本參數(shù)來描述。第一個參數(shù)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率A={aij|1≤i，j≤N}，aij=P（qt+1=Sj/qt=Si）表示從狀態(tài)Si變化到狀態(tài)Sj的轉(zhuǎn)移概率，顯然且aij≥0，其中，qt表示Markov鏈t時刻所處的狀態(tài)，N為HMM狀態(tài)數(shù)。第二個參數(shù)為觀察值概率分布B={bj（k）|1≤j≤N， 1≤k≤M}，bj（k）=P（Ok/qt=Sj）表示進入狀態(tài)Sj時輸出為Ok的概率，Ok表示觀察值，M為可能的觀察值數(shù)目。根據(jù)觀察值序列的分布特點，HMM模型可分為離散DHMM和連續(xù)DHMM兩大類。同時，如果觀察值序列服從連續(xù)高斯混合密度函數(shù)分布，則為連續(xù)高斯混合密度CGHMM。最后一個參數(shù)是初始概率分布π={πi|1≤i≤N}，πi=P（q1=si）表示Markov鏈從狀態(tài)Si開始的概率，顯然

有了如上定義，HMM可描述為：

λ=（π，A，B） （4）

2 基于HMM的故障診斷

基于HMM的軸承故障音頻信號診斷系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集、特征提取、HMM訓(xùn)練和HMM診斷等部分。

2.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是使用麥克風(fēng)作為聲音傳感器，將軸承的音頻信號變?yōu)橐欢ǖ碾娖叫盘栞斎胗嬎銠C，即錄制波形音頻的過程。在數(shù)據(jù)采集之前，需要按照一定規(guī)則設(shè)定好音頻信號幾個重要的采集參數(shù)：采樣頻率、位數(shù)和聲道數(shù)。本文在采樣頻率為22.05kHz、A/D轉(zhuǎn)換精度為16位、聲道數(shù)為單聲道的條件下，采用VC++中提供的函數(shù)庫，實現(xiàn)對軸承音頻信號的數(shù)據(jù)采集。簡單流程為：打開錄音設(shè)備、準備WAVE數(shù)據(jù)頭、準備數(shù)據(jù)塊、開始錄音、停止錄音以及關(guān)閉錄音等，詳細過程請參見參考文獻［10］。

2.2 特征提取

特征提取是指從軸承音頻信號中提取有用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如Mel頻率倒譜特征參數(shù)（MFCC）、線性預(yù)測倒譜系數(shù)（LPCC）、感覺加權(quán)線性預(yù)測系統(tǒng)（PLP）等，是故障建模與識別的關(guān)鍵，直接影響到故障診斷效果。此外，特征提取還可以用差分系數(shù)近似描述音頻信號的幀間相關(guān)性，反映信號的動態(tài)特征。動態(tài)特征和靜態(tài)特征互相補充，提高了系統(tǒng)的診斷性能。因為MFCC參數(shù)充分利用人耳的聽覺特性，能很好地體現(xiàn)音頻信號的主要信息，在語音識別、音頻分類和檢索領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛［8］。所以本文選用12維MFCC參數(shù)和12維一階差分MFCC進行診斷實驗。

2.3 HMM訓(xùn)練

HMM訓(xùn)練是指從同類故障的大量音頻信號樣本中提取統(tǒng)計信息，利用恰當?shù)挠?xùn)練算法對模型參數(shù)反復(fù)修正直至收斂，最后得到模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率A、觀察值概率分布B、初始概率分布π等參數(shù)。典型的訓(xùn)練算法有Baum-Welch算法，但此算法是在假定只有一個觀察值訓(xùn)練序列的條件下得到的。為了增加HMM故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)健性和提高故障診斷的準確率，需要選取多個樣本進行訓(xùn)練，以建立軸承各類故障狀態(tài)的HMM參數(shù)模型。記L個觀察值序列（即L個樣本）為O（1）、O（2）、…、O（L），每個觀察值序列的長度記為T，則此時，基于多觀察值序列訓(xùn)練的重估公式可寫為：

2.4 HMM診斷

訓(xùn)練完成之后將模型參數(shù)存儲，此時，系統(tǒng)就具備了診斷的能力。診斷過程中，輸入待檢測軸承音頻信號，經(jīng)過預(yù)處理、MFCC特征提取后，得到觀察值序列O={O1，O2，…，OT}。然后，對此觀察值序列進行故障檢測，當檢測到有故障發(fā)生時，再進一步進行故障診斷，判斷出音頻信號的故障類型。

（1） 故障檢測

故障檢測只需要訓(xùn)練一個代表軸承正常狀態(tài)的HMM模型，記為λ0。根據(jù)前向-后向算法［8］計算出待檢信號O={O1，O2，…，OT}在正常模型λ0下的輸出概率P（O/λ0）。如果此概率P（O/λ0）大于預(yù)先確定的某一閾值，則表明軸承工作正常;否則，軸承有可能出現(xiàn)某種故障，需要進一步進行故障診斷。

（2） 故障診斷

同樣使用前向-后向算法，快速有效地計算出觀察值序列O={O1，O2，…，OT}在各HMM模型下的輸出概率，通常情況下，概率最大的模型即為診斷結(jié)果。為了提高系統(tǒng)的診斷精度，可在后處理階段輔以必要的拒識算法，比如設(shè)定適當?shù)母怕书撝?，如果最大概率小于這個閾值，則診斷為其他運行狀態(tài)。

3 軸承故障診斷實驗

在VisualC++7.0環(huán)境下，自主開發(fā)了基于HMM的音頻故障診斷平臺，本文所有實驗均在此平臺上完成；診斷對象為6202CM深溝球滾動軸承，其轉(zhuǎn)速為1800r/m；采樣頻率為22.05kHz；A/D轉(zhuǎn)換精度16位；數(shù)據(jù)幀長512，幀移128。通過特征提取，將每幀信號都轉(zhuǎn)換成12維MFCC和12維一階差分MFCC，形成長度為32的觀察值序列，分別采用DHMM和CGHMM兩種方法進行了建模與診斷實驗。

在模型訓(xùn)練環(huán)節(jié)，對于正常聲音、內(nèi)圈異音、外圈異音、滾動體異音以及保持架音等五種軸承狀態(tài)，各采集30組音頻數(shù)據(jù)樣本進行訓(xùn)練，分別得到DHMM和CGHMM兩類模型訓(xùn)練過程，兩種故障模型的平均訓(xùn)練時間如表1所示。由表可以看出，由于DHMM對觀測序列進行了量化處理，計算量小，訓(xùn)練速度快；而CGHMM的復(fù)雜度比較高，收斂過程長，比DHMM方法的訓(xùn)練時間多出近一倍（但也在實時要求之內(nèi)）。

在診斷環(huán)節(jié)，另外采集了20組正常聲音、內(nèi)圈異音、外圈異音以及10組滾動體異音和保持架音等五組數(shù)據(jù)分別進行了測試，得到的基于DHMM和CGHMM的故障診斷結(jié)果分別如表2和表3所示。在DHMM方法中，共80次診斷出現(xiàn)8次誤診，總的診斷精度接近90%，效果較良。而CGHMM方法只出現(xiàn)2次誤診，診斷精度達到了97.5%，明顯高于DHMM方法，更具有良好的應(yīng)用前景。

本文在VC++平臺下，自主開發(fā)了一套基于HMM的軸承故障音頻診斷平臺。通過對音頻信號的MFCC特征提取，分別采用DHMM和CGHMM兩種方法進行建模與診斷研究。由于DHMM方法對觀測序列進行了量化處理，運算速度快，但降低了診斷精度。而CGHMM方法不需要量化，避免了量化帶來的數(shù)據(jù)處理誤差，提高了診斷精度，但減慢了運算速度。從總體上來看，兩種方法都具有運算速度快、診斷精度高的優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。

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