化工学报 ›› 2020, Vol. 71 ›› Issue (7): 3151-3164.DOI: 10.11949/0438-1157.20191139
收稿日期:2019-10-08
修回日期:2019-12-24
出版日期:2020-07-05
发布日期:2020-07-05
通讯作者:
巫江虹
作者简介:于仙毅(1994—),男,硕士研究生,基金资助:
Xianyi YU1(
),Jianghong WU1(
),Yunhui GAO2
Received:2019-10-08
Revised:2019-12-24
Online:2020-07-05
Published:2020-07-05
Contact:
Jianghong WU
摘要:
为了研究热泵系统制冷剂泄漏识别的数据挖掘理论方法和实验验证,首先建立空气源热泵系统制冷剂泄漏实验台,进行热泵系统正常工况、干扰工况、泄漏工况的实验参数测试;其次,采用主成分分析法对测试数据进行特征提取处理,采用支持向量机对数据进行分类识别,建立了用于热泵系统的制冷剂泄漏识别的主成分分析-支持向量机模型,在二分类和多分类模式下验证了模型的性能,并研究了泄漏速率和不同故障工况对模型的影响。采用RefliefF特征选择算法对原始特征参数进行筛选,简化了识别模型的特征参数。研究结果表明:对于空气源热泵热水系统,PCA-SVM泄漏识别模型在多种验证集中对泄漏工况的识别准确度达100%,缓慢泄漏的诊断识别性能弱于快速泄漏,同一模型在不同故障诊断识别中性能不同,对系统运行影响轻微的故障诊断识别性能弱于其他故障。RefliefF特征选择方法将原始41个系统特征参数精简至10个特征参数,参数筛选优化后的泄漏识别模型识别精度也维持在较高水平,优化的泄漏识别模型更利于实际应用。
中图分类号:
于仙毅, 巫江虹, 高云辉. 基于主成分分析与支持向量机的热泵系统制冷剂泄漏识别研究[J]. 化工学报, 2020, 71(7): 3151-3164.
Xianyi YU, Jianghong WU, Yunhui GAO. Research on refrigerant leakage identification for heat pump system based on PCA-SVM models[J]. CIESC Journal, 2020, 71(7): 3151-3164.
| 系统 | 部件 | 规格型号 |
|---|---|---|
| 制冷循环系统 | 压缩机 | BSA645CV-R1EN型 R134a制冷剂 |
| 冷凝器 | U型套管式 | |
| 节流阀 | 丹佛斯TN2型热力膨胀阀 | |
| 蒸发器(含小型风扇组) | 单流层微通道换热器 | |
| 水路循环系统 | 保温水箱 | 30 L、?20 mm进出水口 |
| 水泵 | 1个 自吸式磁力循环泵 | |
| 水流量计 | 1个 LWGY型涡轮流量计 | |
| 制冷剂泄漏控制及收集部件 | 手阀 | 4个 |
| 开度阀 | 4个 | |
| 气体收集袋 | 1个 20 L超高密封袋 | |
| 测试部件 | 热电偶 | 若干 J型热电偶 |
| 压力变送器 | 8个 0~0.6 MPa、0~4 MPa | |
| 电子秤 | 100 g/0.02 g 15 kg/0.2 g | |
| 功率仪 | 1个 HOPI型 | |
| 安捷伦 | 1台 34972型 | |
| 计算机 | 1台 |
表1 制冷剂泄漏实验系统部件信息
Table 1 Refrigerant leak test system component information
| 系统 | 部件 | 规格型号 |
|---|---|---|
| 制冷循环系统 | 压缩机 | BSA645CV-R1EN型 R134a制冷剂 |
| 冷凝器 | U型套管式 | |
| 节流阀 | 丹佛斯TN2型热力膨胀阀 | |
| 蒸发器(含小型风扇组) | 单流层微通道换热器 | |
| 水路循环系统 | 保温水箱 | 30 L、?20 mm进出水口 |
| 水泵 | 1个 自吸式磁力循环泵 | |
| 水流量计 | 1个 LWGY型涡轮流量计 | |
| 制冷剂泄漏控制及收集部件 | 手阀 | 4个 |
| 开度阀 | 4个 | |
| 气体收集袋 | 1个 20 L超高密封袋 | |
| 测试部件 | 热电偶 | 若干 J型热电偶 |
| 压力变送器 | 8个 0~0.6 MPa、0~4 MPa | |
| 电子秤 | 100 g/0.02 g 15 kg/0.2 g | |
| 功率仪 | 1个 HOPI型 | |
| 安捷伦 | 1台 34972型 | |
| 计算机 | 1台 |
图1 泄漏实验系统及测点布置示意图温度测点; 压力测点;1—压缩机;2—防爆气囊;3—可调开度阀;4—开度阀;5—水流量计;6—水箱;7—水泵;8—套管冷凝器;9—热力膨胀阀;10—蒸发器;11—风机;12—制冷剂气瓶;13—开度阀
Fig.1 Schematic diagram of leakage test system and arrangement of measurement points
| 工况类型 | 工况详情及引入方法 |
|---|---|
| 正常工况(normal) | 系统开机后,恒定30℃水温,系统稳定运行 |
| 泄漏工况(Refleak) | 以正常工况为基准,在其开机平稳运行一小段时间后,系统趋于稳定的一个时间点作为泄漏工况的开始点,开始控制泄漏口阀门开度 |
| 冷凝器脏污工况(ReduCF) | 调节冷凝器水泵,降低冷凝器水流量 |
| 蒸发器脏污工况(ReduEF) | 通过遮挡蒸发器,降低蒸发器换热面积 |
| 热力膨胀阀预紧力过小工况(loosTV) | 人为调松热力膨胀阀预紧弹簧 |
| 热力膨胀阀预紧力过大工况(ClosTV) | 人为调紧热力膨胀阀预紧弹簧 |
| 冷凝温度变化工况(IncrTW)(DecrTW) | 分别恒定6号大水箱内的水温为25℃和35℃ |
表2 恒定水温热泵系统测试工况
Table 2 Test conditions of the heat pump system with constant water temperature
| 工况类型 | 工况详情及引入方法 |
|---|---|
| 正常工况(normal) | 系统开机后,恒定30℃水温,系统稳定运行 |
| 泄漏工况(Refleak) | 以正常工况为基准,在其开机平稳运行一小段时间后,系统趋于稳定的一个时间点作为泄漏工况的开始点,开始控制泄漏口阀门开度 |
| 冷凝器脏污工况(ReduCF) | 调节冷凝器水泵,降低冷凝器水流量 |
| 蒸发器脏污工况(ReduEF) | 通过遮挡蒸发器,降低蒸发器换热面积 |
| 热力膨胀阀预紧力过小工况(loosTV) | 人为调松热力膨胀阀预紧弹簧 |
| 热力膨胀阀预紧力过大工况(ClosTV) | 人为调紧热力膨胀阀预紧弹簧 |
| 冷凝温度变化工况(IncrTW)(DecrTW) | 分别恒定6号大水箱内的水温为25℃和35℃ |
| 序号 | 变量 符号 | 变量名称 | 意义 |
|---|---|---|---|
| 1 | Tci1 | 冷凝器进口温度1 | 测点温度 |
| 2 | Tci2 | 冷凝器进口温度2 | 测点温度 |
| 3 | Tci3 | 冷凝器进口温度3 | 测点温度 |
| 4 | Tci4 | 冷凝器进口温度4 | 测点温度 |
| 5 | Tci5 | 冷凝器进口温度5 | 测点温度 |
| 6 | Tco1 | 冷凝器出口温度1 | 测点温度 |
| 7 | Tco2 | 冷凝器出口温度2 | 测点温度 |
| 8 | Tco3 | 冷凝器出口温度3 | 测点温度 |
| 9 | Tco4 | 冷凝器出口温度4 | 测点温度 |
| 10 | Tco5 | 冷凝器出口温度5 | 测点温度 |
| 11 | Tei1 | 蒸发器进口温度1 | 测点温度 |
| 12 | Tei2 | 蒸发器进口温度2 | 测点温度 |
| 13 | Tei3 | 蒸发器进口温度3 | 测点温度 |
| 14 | Tei4 | 蒸发器进口温度4 | 测点温度 |
| 15 | Tei5 | 蒸发器进口温度5 | 测点温度 |
| 16 | Teo1 | 蒸发器出口温度1 | 测点温度 |
| 17 | Teo2 | 蒸发器出口温度2 | 测点温度 |
| 18 | Teo3 | 蒸发器出口温度3 | 测点温度 |
| 19 | Teo4 | 蒸发器出口温度4 | 测点温度 |
| 20 | Teo5 | 蒸发器出口温度5 | 测点温度 |
| 21 | Tesu | 蒸发器风冷出口环温 | 蒸发端环境温度 |
| 22 | Twat | 水箱水温 | 冷凝端环境温度 |
| 23 | POcom | 压缩机耗功 | 系统输入耗功 |
| 24 | Tesub | 过热度 | Teo1-Tgsat |
| 25 | Tcsub | 过冷度 | Tlsat-Tco1 |
| 26 | P01 | 压缩机出口压力 | 压力测点 |
| 27 | P02 | 冷凝器进口压力 | 压力测点 |
| 28 | P03 | 冷凝器出口压力 | 压力测点 |
| 29 | P04 | 节流阀入口压力 | 压力测点 |
| 30 | P05 | 节流阀出口压力 | 压力测点 |
| 31 | P06 | 蒸发器进口压力 | 压力测点 |
| 32 | P07 | 蒸发器出口压力 | 压力测点 |
| 33 | P08 | 压缩机进口压力 | 压力测点 |
| 34 | ΔTcom | 压缩机进出口温差 | Tci1-Teo5 |
| 35 | ΔTcon | 冷凝器进出口温差 | Tci5-Tco1 |
| 36 | ΔTvel | 节流阀温差 | Tco5-Tei1 |
| 37 | ΔPcom | 压缩机进出口压差 | P01-P08 |
| 38 | ΔPcon | 冷凝器进出口压差 | P02-P03 |
| 39 | ΔPvel | 节流阀压差 | P04-P05 |
| 40 | ΔPeva | 蒸发器进出口压差 | P06-P07 |
| 41 | ΔHcon | 冷凝器进出口焓差 | Hci-Hco |
表3 特征变量名称符号及对应的系统表征含义
Table 3 Name symbols of characteristic variables and their corresponding system representation meanings
| 序号 | 变量 符号 | 变量名称 | 意义 |
|---|---|---|---|
| 1 | Tci1 | 冷凝器进口温度1 | 测点温度 |
| 2 | Tci2 | 冷凝器进口温度2 | 测点温度 |
| 3 | Tci3 | 冷凝器进口温度3 | 测点温度 |
| 4 | Tci4 | 冷凝器进口温度4 | 测点温度 |
| 5 | Tci5 | 冷凝器进口温度5 | 测点温度 |
| 6 | Tco1 | 冷凝器出口温度1 | 测点温度 |
| 7 | Tco2 | 冷凝器出口温度2 | 测点温度 |
| 8 | Tco3 | 冷凝器出口温度3 | 测点温度 |
| 9 | Tco4 | 冷凝器出口温度4 | 测点温度 |
| 10 | Tco5 | 冷凝器出口温度5 | 测点温度 |
| 11 | Tei1 | 蒸发器进口温度1 | 测点温度 |
| 12 | Tei2 | 蒸发器进口温度2 | 测点温度 |
| 13 | Tei3 | 蒸发器进口温度3 | 测点温度 |
| 14 | Tei4 | 蒸发器进口温度4 | 测点温度 |
| 15 | Tei5 | 蒸发器进口温度5 | 测点温度 |
| 16 | Teo1 | 蒸发器出口温度1 | 测点温度 |
| 17 | Teo2 | 蒸发器出口温度2 | 测点温度 |
| 18 | Teo3 | 蒸发器出口温度3 | 测点温度 |
| 19 | Teo4 | 蒸发器出口温度4 | 测点温度 |
| 20 | Teo5 | 蒸发器出口温度5 | 测点温度 |
| 21 | Tesu | 蒸发器风冷出口环温 | 蒸发端环境温度 |
| 22 | Twat | 水箱水温 | 冷凝端环境温度 |
| 23 | POcom | 压缩机耗功 | 系统输入耗功 |
| 24 | Tesub | 过热度 | Teo1-Tgsat |
| 25 | Tcsub | 过冷度 | Tlsat-Tco1 |
| 26 | P01 | 压缩机出口压力 | 压力测点 |
| 27 | P02 | 冷凝器进口压力 | 压力测点 |
| 28 | P03 | 冷凝器出口压力 | 压力测点 |
| 29 | P04 | 节流阀入口压力 | 压力测点 |
| 30 | P05 | 节流阀出口压力 | 压力测点 |
| 31 | P06 | 蒸发器进口压力 | 压力测点 |
| 32 | P07 | 蒸发器出口压力 | 压力测点 |
| 33 | P08 | 压缩机进口压力 | 压力测点 |
| 34 | ΔTcom | 压缩机进出口温差 | Tci1-Teo5 |
| 35 | ΔTcon | 冷凝器进出口温差 | Tci5-Tco1 |
| 36 | ΔTvel | 节流阀温差 | Tco5-Tei1 |
| 37 | ΔPcom | 压缩机进出口压差 | P01-P08 |
| 38 | ΔPcon | 冷凝器进出口压差 | P02-P03 |
| 39 | ΔPvel | 节流阀压差 | P04-P05 |
| 40 | ΔPeva | 蒸发器进出口压差 | P06-P07 |
| 41 | ΔHcon | 冷凝器进出口焓差 | Hci-Hco |
| 名称 | 表达式 | 参数 |
|---|---|---|
| 线性核 | ||
| 多项式核 | ||
| 高斯核 | ||
| 拉普拉斯核 | ||
| Sigmoid核 |
表4 不同核函数类型的SVM模型表达式及其参数
Table 4 SVM model expressions and parameters of different kernel function types
| 名称 | 表达式 | 参数 |
|---|---|---|
| 线性核 | ||
| 多项式核 | ||
| 高斯核 | ||
| 拉普拉斯核 | ||
| Sigmoid核 |
| 真实结果 | 识别结果 | |
|---|---|---|
| 泄漏 | 非泄漏 | |
| 泄漏 | TP | FN |
| 非泄露 | FP | TN |
表5 二分类结果的混淆矩阵
Table 5 Confusion matrix of binary classification results
| 真实结果 | 识别结果 | |
|---|---|---|
| 泄漏 | 非泄漏 | |
| 泄漏 | TP | FN |
| 非泄露 | FP | TN |
| 评价指标 | 定义 | 计算公式 | |
|---|---|---|---|
| 按类性能 | 命中率TPR | 对于给定类,发生且正确预测的样本占总发生样本的比率 | |
| 虚警率FPR | 对于给定类,没发生但被预测为发生的样本占没发生样本总数的比率 | ||
| 总体性能 | 准确率Acc | 正确分类数占总样本数的比率 | |
| 错误分类率Mcr | 错误分类样本数占总样本数的比率 | ||
表6 泄漏识别模型评级评价指标及其定义
Table 6 Leak identification model rating evaluation index and its definition
| 评价指标 | 定义 | 计算公式 | |
|---|---|---|---|
| 按类性能 | 命中率TPR | 对于给定类,发生且正确预测的样本占总发生样本的比率 | |
| 虚警率FPR | 对于给定类,没发生但被预测为发生的样本占没发生样本总数的比率 | ||
| 总体性能 | 准确率Acc | 正确分类数占总样本数的比率 | |
| 错误分类率Mcr | 错误分类样本数占总样本数的比率 | ||
| 主元编号 | 特征值 | 主元方差贡献率/% | 累计方差贡献率/% | Tci1 | Tci2 | Tci3 | Tci4 | … | ΔPvel | ΔPeva | ΔHcon | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 15.80 | 38.55 | 38.55 | 0.052 | 0.220 | 0.246 | -0.135 | … | -0.289 | 0.249 | 0.112 | |
| 2 | 9.64 | 23.51 | 62.06 | 0.048 | 0.213 | 0.253 | -0.143 | … | -0.000 | 0.000 | -0.000 | |
| 3 | 7.12 | 17.36 | 79.42 | 0.048 | 0.216 | 0.250 | -0.142 | … | -0.000 | 0.000 | -0.000 | |
| 4 | 3.12 | 7.61 | 87.03 | 0.045 | 0.213 | 0.254 | -0.145 | … | 0.000 | 0.000 | 0.000 | |
| 5 | 2.37 | 5.78 | 92.81 | 0.034 | 0.216 | 0.254 | -0.148 | … | -0.121 | 0.312 | 0.446 | |
| 6 | 0.82 | 2.01 | 94.82 | -0.173 | 0.214 | -0.072 | 0.036 | … | 0.054 | -0.140 | -0.200 | |
| 7 | 0.71 | 1.74 | 96.56 | -0.208 | 0.157 | -0.052 | 0.036 | … | -0.000 | -0.000 | -0.000 | |
| … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | |
表7 泄漏特征的主成分分析结果
Table 7 Principal component analysis results of leakage characteristics
| 主元编号 | 特征值 | 主元方差贡献率/% | 累计方差贡献率/% | Tci1 | Tci2 | Tci3 | Tci4 | … | ΔPvel | ΔPeva | ΔHcon | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 15.80 | 38.55 | 38.55 | 0.052 | 0.220 | 0.246 | -0.135 | … | -0.289 | 0.249 | 0.112 | |
| 2 | 9.64 | 23.51 | 62.06 | 0.048 | 0.213 | 0.253 | -0.143 | … | -0.000 | 0.000 | -0.000 | |
| 3 | 7.12 | 17.36 | 79.42 | 0.048 | 0.216 | 0.250 | -0.142 | … | -0.000 | 0.000 | -0.000 | |
| 4 | 3.12 | 7.61 | 87.03 | 0.045 | 0.213 | 0.254 | -0.145 | … | 0.000 | 0.000 | 0.000 | |
| 5 | 2.37 | 5.78 | 92.81 | 0.034 | 0.216 | 0.254 | -0.148 | … | -0.121 | 0.312 | 0.446 | |
| 6 | 0.82 | 2.01 | 94.82 | -0.173 | 0.214 | -0.072 | 0.036 | … | 0.054 | -0.140 | -0.200 | |
| 7 | 0.71 | 1.74 | 96.56 | -0.208 | 0.157 | -0.052 | 0.036 | … | -0.000 | -0.000 | -0.000 | |
| … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | |
| SVM模型编号 | 名称 | 意义 |
|---|---|---|
| 1 | Linear SVM | 线性核函数 |
| 2 | Quadratic SVM | 二次多项式核函数 d=2 |
| 3 | Cubic SVM | 三次多项式核函数 d=3 |
| 4 | Fine Gaussian SVM | 精细高斯核函数 |
| 5 | Medium Gaussian SVM | 中位高斯核函数 |
| 6 | Coarse Gaussisn SVM | 粗糙高斯核函数 |
表8 不同核函数类型的SVM模型信息
Table 8 SVM model information of different kernel function types
| SVM模型编号 | 名称 | 意义 |
|---|---|---|
| 1 | Linear SVM | 线性核函数 |
| 2 | Quadratic SVM | 二次多项式核函数 d=2 |
| 3 | Cubic SVM | 三次多项式核函数 d=3 |
| 4 | Fine Gaussian SVM | 精细高斯核函数 |
| 5 | Medium Gaussian SVM | 中位高斯核函数 |
| 6 | Coarse Gaussisn SVM | 粗糙高斯核函数 |
| CPVa | 主元组合 | SVM核函数 | Acc/% | Mcr/% | TPR/% | FPR/% | 测试集混淆矩阵 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 87.02% | [1,2,3,4] | Fine Gaussian SVM | 100 | 0 | 99.5 | 0 |
表9 泄漏/非泄漏模式下PCA-SVM识别模型及性能
Table 9 PCA-SVM leak identification model and performance
| CPVa | 主元组合 | SVM核函数 | Acc/% | Mcr/% | TPR/% | FPR/% | 测试集混淆矩阵 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 87.02% | [1,2,3,4] | Fine Gaussian SVM | 100 | 0 | 99.5 | 0 |
| 工况 | Model-o | Model-pca4 |
|---|---|---|
Refleak normal ReduCF ReduEF loosTV ClosTV IncrTW DecrTW | ||
| 工况 | Model-pca5 | Model-pca6 |
Refleak normal ReduCF ReduEF loosTV ClosTV IncrTW DecrTW | ||
| 工况 | Model-pca7 | |
Refleak normal ReduCF ReduEF loosTV ClosTV IncrTW DecrTW |
表10 不同模型在各个故障的诊断识别的混淆矩阵
Table 10 Confusion matrix of different models in each fault diagnosis identification
| 工况 | Model-o | Model-pca4 |
|---|---|---|
Refleak normal ReduCF ReduEF loosTV ClosTV IncrTW DecrTW | ||
| 工况 | Model-pca5 | Model-pca6 |
Refleak normal ReduCF ReduEF loosTV ClosTV IncrTW DecrTW | ||
| 工况 | Model-pca7 | |
Refleak normal ReduCF ReduEF loosTV ClosTV IncrTW DecrTW |
| 工况 | Model-pca4 | Model-pca5 | Model-pca6 | Model-pca7 |
|---|---|---|---|---|
Refleak_slow Refleak_fast normal |
表11 四种模型在相同数据集的各泄漏诊断识别结果混淆矩阵
Table 11 Confusion matrix of leakage diagnosis and identification results of four models in the same data set
| 工况 | Model-pca4 | Model-pca5 | Model-pca6 | Model-pca7 |
|---|---|---|---|---|
Refleak_slow Refleak_fast normal |
| 方式 | 序号 | 主元组合 | SVM核函数 | Acc/% | Mcr/% | TPR/% | FPR/% | 测试集混淆矩阵 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PCA-SVM | 1 | [ | Fine Gaussian SVM | 100 | 0 | 99.5 | 0 | |
| 2 | [ | 100 | 0 | 99.5 | 0 | |||
| 3 | [ | 99.1 | 0.9 | 97.6 | 0.2 | |||
RefliefF PCA-SVM | 4 | [1r,2r,3r,4r] | Fine Gaussian SVM | 97.8 | 2.2 | 97.1 | 1.8 | |
| 5 | [1r,2r,3r,4r,5r] | 97.4 | 2.6 | 95.6 | 1.8 | |||
| 6 | [1r,2r,3r,4r,5r,6r] | 97.4 | 2.6 | 93.7 | 0.9 |
表12 RefliefF特征选择前后的PCA-SVM泄漏识别模型及性能结果对比
Table 12 Comparison of PCA-SVM leak identification model and performance results before and after RefliefF FS
| 方式 | 序号 | 主元组合 | SVM核函数 | Acc/% | Mcr/% | TPR/% | FPR/% | 测试集混淆矩阵 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PCA-SVM | 1 | [ | Fine Gaussian SVM | 100 | 0 | 99.5 | 0 | |
| 2 | [ | 100 | 0 | 99.5 | 0 | |||
| 3 | [ | 99.1 | 0.9 | 97.6 | 0.2 | |||
RefliefF PCA-SVM | 4 | [1r,2r,3r,4r] | Fine Gaussian SVM | 97.8 | 2.2 | 97.1 | 1.8 | |
| 5 | [1r,2r,3r,4r,5r] | 97.4 | 2.6 | 95.6 | 1.8 | |||
| 6 | [1r,2r,3r,4r,5r,6r] | 97.4 | 2.6 | 93.7 | 0.9 |
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