exponenta event banner

Конструктор диагностических функций

Интерактивное извлечение, визуализация и ранжирование характеристик из измеренных или смоделированных данных для диагностики и прогнозирования машин

Описание

Приложение Diagnostic Feature Designer позволяет выполнять часть процесса предиктивного технического обслуживания с помощью многофункционального графического интерфейса. Вы проектируете и сравниваете элементы в интерактивном режиме, а затем определяете, какие элементы лучше всего различать между данными номинальных систем и неисправными системами. Наиболее эффективные функции в конечном итоге становятся вашими показателями состояния для диагностики неисправностей и прогностики.

С помощью этого приложения можно:

  • Импорт измеренных или смоделированных данных из отдельных файлов, файла ансамбля или хранилища данных ансамбля, ссылающегося на файлы, внешние по отношению к приложению.

  • Интерактивно визуализируйте данные для печати импортируемых или вычисляемых переменных ансамбля в пределах приложения. Группируйте данные по меткам условий на графиках, чтобы можно было четко видеть, поступают ли данные элементов из номинальных или неисправных систем.

  • Выведите новые переменные, такие как синхронные по времени усредненные сигналы или спектры порядка. Приложение выполняет обработку для всех участников ансамбля одной командой.

  • Создание элементов из переменных и визуализация их эффективности с помощью гистограмм. Характеристики включают в себя статистику сигналов, нелинейные метрики, метрики вращающегося оборудования и спектральные метрики.

  • Используйте условное ранжирование с помеченными элементами, чтобы определить, какие из них с наибольшей вероятностью будут различать номинальное и ошибочное поведение.

  • Используйте прогностическое ранжирование с функциями, извлеченными из данных о сбое, чтобы определить, какие из них наиболее вероятно указывают на оставшийся срок службы (RUL).

  • Экспортируйте наиболее эффективные функции непосредственно в Classification Learner для получения более подробной информации об эффективности функций и для обучения алгоритмам.

  • Создайте код для выбранных элементов, чтобы можно было воспроизводить, настраивать и автоматизировать вычисления элементов в функции MATLAB ®.

Для начала работы с приложением необходимо, чтобы данные из систем были доступны в рабочей области MATLAB. Сведения об организации данных для импорта в приложение см. в разделе Организация системных данных для конструктора диагностических функций.

Diagnostic Feature Designer app

Откройте приложение «Конструктор диагностических функций»

  • Панель инструментов MATLAB: на вкладке «Приложения» в разделе «Проектирование и анализ системы управления» щелкните значок приложения.

  • командная строка MATLAB: Enter diagnosticFeatureDesigner.

Параметры

Вкладка «Конструктор элементов»

Инициируйте новый сеанс приложения, импортируя исходные данные в приложение из рабочей области MATLAB. Можно импортировать данные из таблиц, расписаний, массивов ячеек или матриц. Можно импортировать данные из источника, объединяющего данные нескольких участников ансамбля, или импортировать каждого участника ансамбля по отдельности. Также можно импортировать хранилище данных ансамбля, содержащее информацию, позволяющую приложению взаимодействовать с внешними файлами данных. Файлы могут содержать фактические или смоделированные данные измерений во временной области, спектральные модели или таблицы, имена переменных, переменные условий и рабочие переменные, а также функции, созданные ранее. Diagnostic Feature Designer объединяет все данные участников в единый набор данных ансамбля. В этом наборе данных каждая переменная является сводным сигналом или моделью, которая содержит все индивидуальные значения элементов.

Дополнительные сведения об импорте данных см. в разделе Импорт данных в конструктор диагностических элементов.

Дополнительные сведения о терминах, относящихся к ансамблям данных, см. в разделе Дополнительные сведения.

Дополнительные сведения об организации данных для импорта в приложение см. в разделе Организация системных данных для конструктора диагностических функций.

Укажите настройки для выполнения вычислений в Diagnostic Feature Designer и места хранения результатов. Опции вычисления (Computation Options) - открытие диалогового окна, в котором принимаются эти настройки. Некоторые опции видны только при определенных условиях:

  • Независимая переменная - доступные независимые переменные (IVs). Варианты доступны при указании нескольких IV для хотя бы одного сигнала в процессе импорта. Ваш выбор изменяет IV всех применимых сигналов.

  • Режим обработки данных - полный сигнал или кадр. Всегда доступен

  • Results Return Location - запись результатов в исходную папку или в локальный набор данных. Доступно только при импорте объекта хранилища данных ансамбля.

  • Использовать параллельные вычисления - параллельно обрабатывать участников ансамбля. Доступно только в том случае, если установлен Toolbox™ Parallel Computing.

Дополнительные сведения см. в разделе Опции расчета.

Выберите опции для обработки данных в новые сигналы. Используйте эти новые сигналы в качестве входных данных для других опций обработки или в качестве входных данных для создания элементов. Большинство опций обработки работают на каждом члене ансамбля. Для просмотра поведения ансамбля в целом можно также выполнить обработку на уровне ансамбля. При выборе каждой опции открывается новая вкладка для спецификаций. При выборе опции также открывается общая вкладка Обработка данных, если эта вкладка еще не открыта. На вкладке «Обработка данных» представлена информация о входном сигнале.

Чтобы указать обрабатываемый сигнал, выберите переменную в браузере данных перед выбором опции обработки данных. Чтобы изменить сигнал после открытия вкладки опций, закройте вкладку опций и выберите новый сигнал в браузере данных или в меню «Сигнал» на вкладке «Обработка данных».

Для получения информации о вариантах см.:

Вычислять функции во временной области. Функции сигнала применяются к любым сигналам. Элементы вращательного станка - это специализированные метрики, которые применяются к зубчатой передаче. Нелинейные функции обеспечивают метрики, характеризующие хаотическое поведение в сигналах вибрации. Каждый выбор открывает диалоговое окно для исходного сигнала и спецификаций элементов. Дополнительные сведения см. в разделе:

Спектральные функции обеспечивают метрику частотной области данных. Для вычисления спектральных характеристик необходимо иметь спектр мощности или переменную спектра порядка. При выборе опции Спектральные элементы (Spectral Features) открывается диалоговое окно для исходного сигнала и спецификаций элементов. Дополнительные сведения см. в разделе Спектральные функции.

Откройте вкладку ранжирования элементов, которая позволяет выполнять классификацию и прогностическое ранжирование для выбранной таблицы элементов. Дополнительные сведения см. в разделе Вкладка ранжирования элементов.

Экспортируйте элементы или весь набор данных для их использования или совместного использования вне приложения. Создайте код для воспроизведения вычислений элементов в функции MATLAB.

  • Для экспорта элемента обе опции открывают список выбора без ограничений для выбора. При экспорте в рабочую область MATLAB с элементами можно использовать методы командной строки. При экспорте в Classification Learner открывается сеанс Classification Learner, в котором в качестве входных данных используются выбранные элементы.

    Если вы ранжировали элементы и хотите выбрать элементы для экспорта из ранжированного списка, используйте команду Экспорт (Export) на вкладке Ранг элементов (Feature Ranking).

  • Для генерации кода - первый вариант, Generate Function for Featuresпозволяет создать код MATLAB с простым набором спецификаций для таблицы элементов, алгоритма ранжирования и количества элементов. Этот параметр используется при необходимости создания кода для элементов на основе только ранжирования или при необходимости создания кода для всех элементов.

    Второй вариант генерации кода, Generate Function for...позволяет настроить выбор элементов для включения в функцию. Например, можно фильтровать выбор по таким критериям, как ввод или вывод текста. Можно включить сигналы и спектры, которые не используются в выбранных элементах. Выбор Generate Function for... открывает выбираемый список всех сгенерированных сигналов, функций и таблиц ранжирования. Generate Function for... также открывается вкладка Создание кода (Code Generation), которая предоставляет возможность фильтрации для списка. Используйте фильтр для просмотра только тех элементов, которые соответствуют критерию фильтра. Для выбора требуемых выходов можно использовать различные фильтры. Чтобы просмотреть все выбранные элементы независимо от фильтра, нажмите кнопку Сортировать по выделенным элементам. Этот параметр перечисляет все доступные выходные данные с элементами, выбранными сверху. Дополнительные сведения см. в разделе Вкладка «Создание кода».

    Если заданы данные на основе кадров (см. Параметры расчета), щелкните Generate Function for... сначала открывается список с вариантами выбора для используемых спецификаций фреймов. Элементы в сгенерированном коде должны либо работать с полным сигналом, либо использовать одну и ту же спецификацию кадра.

    Дополнительные сведения о создании кода в приложении см. в разделах Автоматическое извлечение функций с использованием сгенерированного кода MATLAB и Создание функции MATLAB в конструкторе диагностических функций.

Дополнительные сведения о параметрах экспорта см. в разделе:

Вкладка «Signal Trace», вкладка «Power Spectrum» и вкладка «Order Spectrum»

Используйте панорамирование для фокусировки на сегментах данных в заданном диапазоне осей X и для изменения масштаба графика. Panner предоставляет график полосы под основным графиком. Чтобы сосредоточиться на разделе основного графика, переместите маркеры перемещения. Чтобы изменить масштаб графика, выберите один из параметров в поле «Масштаб».

Используйте настройки представления ансамбля для управления просмотром данных как ансамбля.

  • Group by - группировать данные по метке переменной условия. Приложение использует цвет для группы меток для каждого участника ансамбля. Например, если переменная условия faultCode с метками healthy и degradedприложение использует один цвет для данных с healthy данные и другой цвет для данных с degraded этикетка.

  • Configure View - укажите количество отображаемых участников ансамбля, а также необходимость отображения вариаций между участниками. При выборе этой опции открывается диалоговое окно для спецификаций. Дополнительные сведения см. в разделе Настройки представления ансамбля.

Укажите способ печати нескольких переменных вместе.

  • Выберите этот параметр для создания отдельных графиков, отображаемых по вертикали, каждый из которых имеет уникальное масштабирование по оси Y.

  • Снимите флажок, чтобы создать один график, перекрывающий все трассы и использующий один масштаб оси Y.

На графике сигнала или спектра можно выделить отдельный элемент, поместив курсор на трассу элемента. Выберите Показать информацию о сигнале (Show Signal Information), чтобы отобразить как выделенный элемент переменной, так и метку условия для этого элемента в правом нижнем углу.

Выберите Данные Курсоры для отображения значений ключевых точек в сигнале. Курсоры данных - это горизонтальные и вертикальные полосы, расположенные над интересующей точкой, например, над пиковым значением. Курсоры отображают положения x и y. Для отображения расстояния между курсорами выберите «Показать информацию о сигнале». Чтобы заблокировать линейки так, чтобы они перемещались вместе, выберите один из параметров «Интервал блокировки».

Вкладка «Гистограмма»

Щелкните Выбрать элементы (Select Features), чтобы открыть список элементов для печати. Используйте команду «Выбрать элементы», например, если создано много элементов, но требуется сосредоточиться на подмножестве на одной панели печати.

Выберите переменную условия для базовых гистограмм элементов. Гистограммы элементов используют цвет для визуализации разделения групп данных с различными метками для этой переменной условия.

Пример: faultCode

Задайте разрешение гистограммы, определяемое выбором параметров «Ширина ячейки», «Метод ячейки», «Количество ячеек» и «Пределы ячейки». Настройки ячейки применяются ко всем гистограммам таблицы элементов.

Настройки ячейки не являются независимыми. Алгоритм использует порядок приоритетности, чтобы определить, что использовать:

  • Метод Binning является драйвером по умолчанию для ширины ячейки.

  • Спецификация Bin Width переопределяет метод Binning.

  • Ширина ячейки и независимые пределы ячейки определяют количество ячеек. Спецификация «Число ячеек» действует только в том случае, если значение параметра «Группировать по» равно none.

    Дополнительные сведения о интерпретации и настройке гистограмм см. в разделе Создание и настройка гистограмм элементов.

Вкладка «Ранжирование функций»

Выберите метод ранжирования классификации, чтобы оценить, насколько эффективно каждый элемент разделяет данные с различными метками условий. Если вы уже ранжировали свои функции, вы можете снова ранжировать с другой техникой и отображать полученные рейтинги вместе. Каждый метод использует отдельный статистический метод.

В меню различаются двухклассные и многоклассовые методы ранжирования.

  • Двухклассные методы - используются, когда переменная условия (CV) имеет только две метки, например, healthy и faulty. Значение по умолчанию для двухклассных методов: T-Test.

  • Многоклассовые методы - используются, когда переменная условия имеет более двух меток, например, healthy, faultCode1, и faultCode2. Значение по умолчанию для многоклассовых методов: One-way ANOVA

Метод ранжирования по умолчанию для двухклассовых переменных условий, t-test, является самым простым методом, так как он использует только средства двух меченых групп, а не их распределения. t-test в первую очередь полезен для выявления неэффективных элементов, которые необходимо сбросить.

В таблице показано влияние конкретных критериев на выбор метода ранжирования.

КритерийМетод ранжирования
Тип переменной условия
  • Мультиклассный CV - односторонний ANOVA, Kruskal-Wallis

  • Двухклассный CV - Т-тест, энтропия, Бхаттачарья, Уилкоксон, ОКР

Критерий оценки признаков
  • Средняя разница - T-тест (прежде всего для отбрасывания неэффективных характеристик)

  • Перекрытие распределения - все остальные

Форма распределения
  • Гаусс - Т-тест, энтропия, Бхаттачарья, односторонняя ANOVA

  • Негауссовский - ROC, Вилькоксон, Крускал-Уоллис

Требуемый базис метода
  • Тест гипотезы - T-тест, односторонний ANOVA, Уилкоксон, Крускал-Уоллис

  • Измерение расстояния - энтропия, Бхаттачарья, ROC

При выборе метода активируется новая вкладка с именем, соответствующим методу ранжирования. Дополнительные сведения об этой вкладке с активированной техникой см. в разделе Вкладка «Техника ранжирования».

Дополнительные сведения о методах ранжирования см. в разделе:

Выберите метод прогностического ранжирования, чтобы оценить, насколько эффективно каждая функция отслеживает деградацию членов ансамбля при наличии данных о сбое. Функции высшего ранга лучше всего позволяют прогнозировать оставшийся срок службы (RUL).

Приложение предоставляет три метода прогностического ранжирования, все из которых характеризуются по шкале от 0 до 1. Одна техника, Monotonicity, всегда доступен. Два других метода, Trendability и Prognosability, доступны только при использовании данных на основе кадров. Меньшие сегменты данных в данных, основанных на кадрах, позволяют отслеживать небольшие изменения, вызванные деградацией.

  • Монотонность характеризует тенденцию того или иного признака по мере развития системы к отказу. По мере постепенного приближения системы к отказу подходящий индикатор состояния имеет монотонный положительный или отрицательный тренд. Дополнительные сведения см. в разделе monotonicity.

  • Изменчивость обеспечивает меру сходства между траекториями элемента, измеренными в нескольких экспериментах от пробега до сбоя. Изменчивость индикатора условия-кандидата определяется как наименьшая абсолютная корреляция между измерениями. Дополнительные сведения см. в разделе trendability.

  • Прогнозируемость - мера изменчивости признака при отказе относительно диапазона между его начальным и конечным значениями. Более прогнозируемый признак имеет меньшую вариацию при отказе относительно диапазона между его начальным и конечным значениями. Дополнительные сведения см. в разделе prognosability.

При выборе метода активируется новая вкладка с именем, соответствующим методу ранжирования. Дополнительные сведения об этой вкладке с активированной техникой см. в разделе Вкладка «Техника ранжирования».

Пример использования прогностического ранжирования в приложении см. в разделе Выполнение прогностического ранжирования функций для деградирующей системы с помощью конструктора диагностических функций.

Выберите переменную условия, которая предоставляет метки для используемого алгоритма ранжирования классификации.

Укажите метод ранжирования для сортировки при сравнении результатов различных методов ранжирования. При использовании одного метода ранжирования приложение отображает результаты в порядке важности, как указано баллом ранжирования для этого метода. При сравнении результатов для нескольких методов измените параметр Сортировать по (Sort By), чтобы изменить метод, который управляет порядком сортировки.

Укажите этот параметр, чтобы исключить ранжирование для определенного метода. Этот параметр используется, например, при сравнении результатов нескольких рангов, и требуется упростить отображение, исключив ранги, которые не влияют на выбор элемента.

Экспорт элементов для их использования или общий доступ к ним вне приложения. Обе опции открывают сортированный по рангу список для выбора. При экспорте в рабочую область MATLAB с элементами можно использовать методы командной строки. При экспорте в Classification Learner открывается сеанс Classification Learner, в котором в качестве входных данных используются выбранные элементы.

Чтобы экспортировать весь набор данных из приложения, используйте команду Экспорт на вкладке Конструктор элементов.

Можно также создать код, воспроизводящий вычисления для выбранных переменных и элементов. Дополнительные сведения см. в описании опций создания кода в разделе Экспорт (Export) на вкладке Конструктор элементов (Feature Designer). При создании кода с помощью Generate Function for Features на вкладке Ранжирование элементов (Feature Ranking) по умолчанию устанавливается метод, указанный в поле Сортировать по (Sort By).

Вкладка «Методика ранжирования»

Настройка важности корреляции позволяет отсеивать элементы, передающие подобную информацию в элементы более высокого ранга. Этот скрининг обеспечивает более разнообразный набор функций в верхних рангах.

Критерием для скрининга является набор коэффициентов взаимной корреляции, которым обладает признак с признаками более высокого ранга. Высокая взаимная корреляция между двумя функциями подразумевает, что обе функции разделяют группы условий одинаково и предоставляют избыточную информацию. При значении по умолчанию 0 приложение не включает избыточность функций в оценки ранжирования. Когда вы увеличиваете значение важности корреляции, приложение увеличивает влияние перекрестной корреляции на оценку ранжирования функции. Это возрастающее влияние постепенно снижает количество избыточных функций.

Схема нормализации выполняет независимую нормализацию по всем элементам для каждого элемента. Нормализация позволяет проводить более прямые сравнения между элементами. Приложение отображает определяющее уравнение для выбранной схемы непосредственно под выбранным.

Эта опция доступна только для методов ранжирования классификации.

Нажмите кнопку Применить (Apply), чтобы рассчитать ранжирование с указанными параметрами. На вкладке «Ранжирование элементов» в области печати результаты отображаются как в графическом, так и в табличном виде. Этот экран также включает результаты для алгоритма ранжирования по умолчанию и для любых других методов ранжирования, рассчитанных ранее.

После вычисления ранжирования приложение отключает функцию «Применить» до тех пор, пока не будет изменен параметр. Ранжирование можно рассчитать в пределах вкладки несколько раз. При каждом изменении параметров и вычислении ранжирования новые результаты перезаписывают предыдущие результаты на вкладке «Область печати».

После завершения ранжирования на вкладке методики ранжирования закройте эту вкладку, чтобы вернуть управление на вкладку Ранжирование элементов. При активации любой вкладки методики ранжирования функция ранжирования отключена.

Вкладка «Создание кода»

Это свойство доступно только для чтения.

Информация о кадровой политике отражает выбор, сделанный при выборе Экспортировать > Создать функцию для... на вкладке Конструктор элементов (Feature Designer).

Задайте критерии для уточнения параметров при выборе элементов для созданной функции. Все критерии позволяют перезаписать выбираемые опции строкой. Сопоставление строк не учитывает регистр. Фильтры применяются ко всем элементам вывода, включая сигналы, функции и таблицы ранжирования. Критерии включают в себя:

  • Output (Вывод) - строка, отображаемая в имени вывода, которое является именем переменной, функции или таблицы ранжирования для выбора создаваемой функции.

  • Вход - входной сигнал, из которого вычислялась выходная переменная или признак, или таблица признаков, из которой вычислялась таблица ранжирования

  • Метод (Method) - расчет, произведший элемент вывода, например, TSA или Kurtosis

  • Тип анализа - обработка данных, обработка признаков или ранжирование признаков

Чтобы сбросить один фильтр, удалите содержимое и щелкните в любом месте приложения. Чтобы сбросить все фильтры одновременно, нажмите кнопку «» Сбросить фильтры «».

Отображение всех выбранных элементов вместе. Используйте команду Сортировать выбранные (Sort Selected), особенно если вы использовали несколько комбинаций фильтров для сборки выбранных кодовых сегментов. Все выбранные элементы отображаются вместе.

Нажмите кнопку Generate Function по завершении настройки выбранных параметров. Приложение открывает функцию, которая содержит вычисления, используемые для всех выбранных элементов вывода.

Дополнительные сведения о создании кода в приложении см. в разделе Автоматическое извлечение функций с использованием сгенерированного кода MATLAB.

Программное использование

развернуть все

diagnosticFeatureDesigner открывает приложение Diagnostic Feature Designer.

diagnosticFeatureDesigner(sessionFile) открывает приложение и загружает ранее сохраненный сеанс. sessionFile имя файла данных сеанса по пути MATLAB. Данные включают все переменные и функции, импортированные в приложение или вычисленные в приложении. Данные также включают настройки приложения и сведения о обработке, необходимые для создания кода.

Чтобы сохранить сеанс, в приложении Diagnostic Feature Designer на вкладке Feature Designer щелкните Сохранить сеанс.

Подробнее

развернуть все

Представлен в R2019a