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基于堆叠小波自编码器的可复用液体火箭发动机故障检测

李佳潼 容易 陈士强 王昊

李佳潼,容易,陈士强,等. 基于堆叠小波自编码器的可复用液体火箭发动机故障检测[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(8):2932-2942
引用本文: 李佳潼,容易,陈士强,等. 基于堆叠小波自编码器的可复用液体火箭发动机故障检测[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(8):2932-2942
Li J T,Rong Y,Chen S Q,et al. Fault detection for reusable liquid rocket engines based on stacked wavelet autoencoder[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(8):2932-2942 (in Chinese)
Citation: Li J T,Rong Y,Chen S Q,et al. Fault detection for reusable liquid rocket engines based on stacked wavelet autoencoder[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(8):2932-2942 (in Chinese)

基于堆叠小波自编码器的可复用液体火箭发动机故障检测

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2025.0818
基金项目: 

国家自然科学基金(L2424313)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:rongyi781030@126.com

  • 中图分类号: V434

Fault detection for reusable liquid rocket engines based on stacked wavelet autoencoder

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (L2424313)

More Information
  • 摘要:

    可重复使用液体火箭发动机的安全运行直接影响火箭飞行安全与复用效率,研究其故障检测技术具有重要意义。为此,提出一种结合堆叠小波自编码器(SWAE)与孤立森林(IF)的无监督故障检测方法。该方法仅使用正常工况数据训练,利用SWAE融合小波变换的时频分析能力与自编码器(AE)的特征学习优势,逐层提取抗噪时序特征;并引入IF算法,利用其对异常样本的快速孤立特性,实现无监督故障检测。在3类典型工程案例中,所提方法在多类型故障识别、跨工况泛化及渐变故障的早期检测中表现优异,与自适应阈值等传统方法相比,该方法的检测准确率、召回率及F1分数均为最优。

     

  • 图 1  SWAE模型的构建过程

    Figure 1.  The construction process of SWAE model

    图 2  基于SWAE-IF故障检测原理

    Figure 2.  Fault detection principle based on the SWAE-IF

    图 3  基于SWAE-IF的故障检测流程

    Figure 3.  Fault detection process based on SWAE-IF

    图 4  测试集氧泵出口压力曲线

    Figure 4.  Test set oxygen pump outlet pressure curve

    图 5  1-6号试车氧泵密封环脱落故障检测结果

    Figure 5.  Test results of the seal ring detachment fault of oxygen pumps during test runs from No. 1-6

    图 6  1-7号试车氧泵转子碰磨故障检测结果

    Figure 6.  Test results of rotor rubbing fault detection for oxygen pumps during test runs from No. 1-7

    图 7  1-8号试车压力参数凸台故障检测结果

    Figure 7.  Test results of pressure parameter boss fault detection for test vehicles No. 1-8

    图 8  1-9号试车氧涡轮叶片烧蚀故障检测结果

    Figure 8.  Test results of ablation failure of oxygen turbine blades during test runs from No. 1-9

    图 9  2-5飞行任务气蚀故障检测结果

    Figure 9.  Cavitation fault detection results of flight missions 2-5

    图 10  4次试车阀入口压力曲线

    Figure 10.  Pressure curve at the inlet of the valve during four test runs

    图 11  3-4号试车单向阀泄漏故障检测结果

    Figure 11.  Test results of leakage fault of check valve No. 3-4 during test run

    表  1  SWAE超参数设定

    Table  1.   SWAE hyperparameter settings

    隐藏层节点数 dropout配置 带宽
    参数$ {f}_{\text{b}} $
    中心
    频率$ {f}_{\text{c}} $
    稀疏惩罚
    系数$ \beta $
    数值稳定性
    参数$ \varepsilon $
    动量
    参数$ {\beta }_{1} $
    动量
    参数$ {\beta }_{2} $
    早停条件 批次
    大小
    训练
    轮数
    学习率
    第1层128, 第2层64, 第3层32 各隐藏层均启用,
    dropout率0.2
    1.0 0.5 0.1 10−8 0.9 0.999 重构误差连续10轮
    无下降停止
    64 200 0.001
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    表  2  某氢氧发动机数据集

    Table  2.   A hydrogen-oxygen engine dataset

    运行情况 编号 故障情况
    正常 1-1、1-2、1-3、1-4、1-5
    非致命故障 1-6 氧泵密封环脱落
    1-7 氧泵转子碰磨
    1-8 异常燃烧,压力参数凸台
    致命故障 1-9 氧涡轮叶片烧蚀
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    表  3  不同编号样本的模型性能评价结果

    Table  3.   Performance evaluation results for samples with different identification numbers

    编号 准确率 精确率 召回率 F1分数
    1-6 0.993 0.933 0.824 0.875
    1-7 0.995 1.000 0.923 0.960
    1-8 0.992 0.727 1.000 0.842
    1-9 0.998 1.000 0.913 0.955
     注:准确率、精确率、召回率、F1分数的平均值分别为0.995、0.915、0.915、0.908。
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    表  4  对比方法的超参数配置

    Table  4.   Hyperparameter settings of comparison methods

    对比方法 参数配置
    AE-IF AE:3个隐藏层,节点数分别为128、64、32;激活函数为Sigmoid;批次大小为64;学习率为0.001;训练轮数为200;IF参数与SWAE-IF一致
    IF 树的数量为200;最大采样大小为256
    OCSVM 采用RBF核,惩罚系数和核宽度取值范围为[10−3,103],参数经网络搜索优化以准确率最大取最优值
    自适应阈值 带宽系数n=2;滑动窗口长度为24
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    表  5  不同故障检测方法性能对比(案例一)

    Table  5.   Property comparison of different fault detection methods (Case 1)

    方法 准确率 精确率 召回率 F1分数
    本文 0.995 0.915 0.915 0.908
    AE-IF 0.974 0.797 0.637 0.704
    IF 0.987 0.669 0.722 0.69
    OCSVM 0.981 0.6 0.673 0.617
    自适应阈值 0.972 0.427 0.493 0.435
     注:加黑数字表示最优值。
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    表  6  某液氧煤油发动机数据集

    Table  6.   A liquid oxygen-kerosene engine dataset

    运行情况 编号 数据类型 故障情况
    正常 2-1、2-2、2-3、2-4 地面热试车
    故障 2-5 飞行遥测 气蚀
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    表  7  不同故障检测方法性能对比(案例二)

    Table  7.   Property comparison of different fault detection methods (Case 2)

    方法 准确率 精确率 召回率 F1分数
    本文 0.997 0.833 1.000 0.909
    AE-IF 0.989 0.556 1.000 0.714
    IF 0.990 0.571 0.800 0.667
    OCSVM 0.987 0.444 0.800 0.571
    自适应阈值 0.987 0.500 1.000 0.667
     注:加黑数字表示最优值。
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    表  8  单向阀数据集

    Table  8.   Data of a check valve

    运行情况 编号 数据类型 故障情况
    正常 3-1、3-2、3-3 地面热试车
    故障 3-4 地面热试车 泄漏
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    表  9  不同故障检测方法性能对比(案例三)

    Table  9.   Property comparison of different fault detection methods (Case 3)

    方法 准确率 精确率 召回率 F1分数
    本文 0.943 0.969 0.971 0.970
    AE-IF 0.898 0.950 0.942 0.946
    IF 0.865 0.963 0.892 0.926
    OCSVM 0.803 0.969 0.818 0.887
    自适应阈值 0.743 0.983 0.742 0.846
     注:加黑数字表示最优值。
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    表  10  不同故障检测阈值下模型性能对比

    Table  10.   Comparison of model performance under different fault detection thresholds

    阈值大小 准确率 精确率 召回率 F1分数
    $ \mu +\sigma $ 0.945 0.452 0.947 0.583
    $ \mu +2\sigma $ 0.989 0.806 0.937 0.843
    $ \mu +3\sigma $ 0.995 0.915 0.915 0.908
    $ \mu +4\sigma $ 0.988 0.950 0.670 0.785
     注:加黑数字表示最优值。
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-11-26
  • 录用日期:  2025-12-29
  • 网络出版日期:  2026-01-30
  • 整期出版日期:  2026-08-31

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