留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于深度学习的风洞天平测力试验数据异常检测方法研究

张靖 孙文举 尼文斌 魏巍 张江 杨武兵 李清勇

张靖,孙文举,尼文斌,等. 基于深度学习的风洞天平测力试验数据异常检测方法研究[J]. 实验流体力学,2022,36(6):67-73 doi: 10.11729/syltlx20210061
引用本文: 张靖,孙文举,尼文斌,等. 基于深度学习的风洞天平测力试验数据异常检测方法研究[J]. 实验流体力学,2022,36(6):67-73 doi: 10.11729/syltlx20210061
ZHANG J,SUN W J,NI W B,et al. Study on deep learning-based anomaly detection method for wind tunnel balance force data[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2022,36(6):67-73. doi: 10.11729/syltlx20210061
Citation: ZHANG J,SUN W J,NI W B,et al. Study on deep learning-based anomaly detection method for wind tunnel balance force data[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2022,36(6):67-73. doi: 10.11729/syltlx20210061

基于深度学习的风洞天平测力试验数据异常检测方法研究

doi: 10.11729/syltlx20210061
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项(2022JBQY007)
详细信息
    作者简介:

    张靖:(1995—),男,山东潍坊人,博士研究生。研究方向:机器学习、计算机视觉。通信地址:北京市海淀区上园村3号北京交通大学(100044)。E-mail:j_zhang@bjtu.edu.cn

    通讯作者:

    E-mail:liqy@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V211.74;TP391

Study on deep learning-based anomaly detection method for wind tunnel balance force data

  • 摘要: 风洞天平测力试验数据异常检测有助于分析试验异常原因、排查设备故障、改进试验方案,为解决目前人工检测时间成本高、效率低的问题,提出一种基于深度学习的异常检测框架。首先针对异常零样本问题,对风洞试验常见的异常类型及规律进行总结;然后为解决不同车次数据维度不同的问题,提出基于统计特征的标准化特征表示方案;最后利用神经网络学习异常特征,完成异常检测。试验结果表明:基于深度学习的异常检测方法对风洞异常数据检测的准确率和检出率分别达到了81.7%和72.6%,能够较好地识别孤立跳点异常和多点异常。
  • 图  1  基于深度学习的异常检测算法框架图

    Figure  1.  The framework of our deep learning-based anomaly detection method

    图  2  训练过程损失收敛曲线

    Figure  2.  Loss convergence curve in the training period

    图  3  异常检测方法准确率–召回率曲线图

    Figure  3.  The precision-recall curve of anomaly detection methods

    图  4  异常检测实例

    Figure  4.  Anomaly detection examples

    表  1  风洞天平测力试验数据异常信息

    Table  1.   The information of wind tunnel balance force anomaly data

    异常类型序号异常名称异常规律
    孤立跳点异常1A孤立跳点$\left| { {A_{{\rm{abnormal}},{\alpha _i} } } - {A_{{\rm{normal}},{\alpha _i} } } } \right| \geqslant \left| { {A_{{\rm{normal}},{\alpha _i} } } } \right| \times a$
    2N孤立跳点$\left| { {N_{{\rm{abnormal}},{\alpha _i} } } - {N_{{\rm{normal}},{\alpha _i} } } } \right| \geqslant \left| { {N_{{\rm{normal}},{\alpha _i} } } } \right| \times a$
    多点异常3N模型碰支杆$\left| { {N_{ {\rm{abnormal} },\alpha \geqslant { {20}^{^\circ} } } } } \right| = c$, $ c $为一常数
    4N多个跳点$\left| { {N_{{\rm{abnormal}},{\alpha _i} } } - {N_{{\rm{normal}},{\alpha _i} } } } \right| \geqslant \left| { {N_{{\rm{normal}},{\alpha _i} } } } \right| \times a$,$ {\alpha _i} $值有多个
    整组试验异常5N斜率异常$\left| { {k_{N,{\rm{abnormal}}} } - {k_{N,{\rm{normal}}} } } \right| \geqslant \left| { {k_{N,{\rm{normal}}} } } \right| \times a$
    6A整体偏大${A_{{\rm{abnormal}},{\alpha _i} } } > {A_{{\rm{normal}},{\alpha _i} } }$
    下载: 导出CSV

    表  2  异常检测混淆矩阵

    Table  2.   Anomaly detection confusion matrix

    预测 实际
    异常正常
    异常TPFP
    正常FNTN
    下载: 导出CSV

    表  3  风洞天平测力试验数据异常检测结果

    Table  3.   The performance of anomaly detection methods for wind tunnel test data

    方法准确率/%召回率/%F1分数/%
    OC–SVM51.1 ± 1.968.5 ± 3.358.5 ± 2.4
    IF42.8 ± 1.152.7 ± 2.247.2 ± 1.0
    Deep SVDD29.5 ± 3.835.5 ± 9.530.4 ± 4.5
    Current work81.7 ± 1.772.6 ± 2.476.9 ± 1.4
    下载: 导出CSV

    表  4  各种类异常识别率

    Table  4.   The detection results of all anomaly types

    异常类型召回率/%
    177.6
    289.9
    389.7
    495.0
    538.0
    663.3
    下载: 导出CSV
  • [1] 谢艳,李平,蒋鸿. 大数据分析方法在风洞试验中的应用[J]. 空气动力学学报,2019,37(6):1004-1009. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0105

    XIE Y,LI P,JIANG H. Application of big data analytics approach in wind tunnel test[J]. Acta Aerodynamica Sinica,2019,37(6):1004-1009. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0105
    [2] BELMAHDI M,ZEGADI R,BOUHARATI S,et al. Modeling of air flow in wind tunnel using artificial intelligence techniques[J]. Wulfenia,2013,20(6):94-101.
    [3] 竹朝霞,惠增宏,金承信. 虚拟仪器技术在风洞测控智能化中的应用[J]. 实验技术与管理,2006,23(9):76-79. doi: 10.3969/j.issn.1002-4956.2006.09.026

    ZHU Z X,HUI Z H,JIN C X. Virtual instrument application for intelligent system in wind tunnel test[J]. Experimental Technology and Management,2006,23(9):76-79. doi: 10.3969/j.issn.1002-4956.2006.09.026
    [4] VLACHAS P R,BYEON W,WAN Z Y,et al. Data-driven forecasting of high-dimensional chaotic systems with long short-term memory networks[J]. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences,2018,474(2213):20170844. doi: 10.1098/rspa.2017.0844
    [5] MIFSUD M,VENDL A,HANSEN L U,et al. Fusing wind-tunnel measurements and CFD data using constrained gappy proper orthogonal decomposition[J]. Aerospace Science and Technology,2019,86:312-326. doi: 10.1016/j.ast.2018.12.036
    [6] YU W F, WANG N. Research on credit card fraud detection model based on distance sum[C]//Proc of the 2009 International Joint Conference on Artificial Intelligence, 2009 : 353-356. doi: 10.1109/JCAI.2009.146
    [7] PURARJOMANDLANGRUDI A,GHAPANCHI A H,ESMALIFALAK M. A data mining approach for fault diagnosis: an application of anomaly detection algorithm[J]. Measurement,2014,55:343-352. doi: 10.1016/j.measurement.2014.05.029
    [8] BAUDER R A,KHOSHGOFTAAR T M. Multivariate outlier detection in medicare claims payments applying probabilistic programming methods[J]. Health Services and Outcomes Research Methodology,2017,17(3):256-289. doi: 10.1007/s10742-017-0172-1
    [9] BARNETT V, LEWIS T. Outliers in statistical data[M]. 3rd ed. Chichester: Wiley & Sons, 1994.
    [10] SCHÖLKOPF B,PLATT J C,SHAWE-TAYLOR J,et al. Estimating the support of a high-dimensional distribution[J]. Neural Computation,2001,13(7):1443-1471. doi: 10.1162/089976601750264965
    [11] LIU F T, TING K M, ZHOU Z H. Isolation forest[C]//Proc of the 2008 Eighth IEEE International Conference on Data Mining. 2008: 413-422. doi: 10.1109/ICDM.2008.17
    [12] AKCAY S, ATAPOUR-ABARGHOUEI A, BRECKON T P. GANomaly: semi-supervised anomaly detection via adversarial training[M]//Computer Vision - ACCV 2018. Cham: Springer International Publishing, 2019: 622-637. doi: 10.1007/978-3-030-20893-6_39
    [13] RUFF L, VANDERMEULEN R, GÖERNITZ N, et al. Deep one-class classification[C]//International Conference on Machine Learning, 2018: 4393-4402.
    [14] ROBBINS H,MONRO S. A stochastic approximation method[J]. The Annals of Mathematical Statistics,1951,22(3):400-407. doi: 10.1214/aoms/1177729586
    [15] NAIR V, HINTON G E. Rectified linear units improve restricted boltzmann machines[C]//Proc of the Proceedings of the 27th International Conference on International Conference on Machine Learning. 2010: 807-814.
  • 加载中
图(4) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  347
  • HTML全文浏览量:  158
  • PDF下载量:  56
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-16
  • 修回日期:  2021-07-28
  • 录用日期:  2021-08-06
  • 刊出日期:  2022-12-30

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要公告

    www.syltlx.com是《实验流体力学》期刊唯一官方网站,其他皆为仿冒。请注意识别。

    《实验流体力学》期刊不收取任何费用。如有组织或个人以我刊名义向作者、读者收取费用,皆为假冒。

    相关真实信息均印刷于《实验流体力学》纸刊。如有任何疑问,请先行致电编辑部咨询并确认,以避免损失。编辑部电话0816-2463376,2463374,2463373。

    请广大读者、作者相互转告,广为宣传!

    感谢大家对《实验流体力学》的支持与厚爱,欢迎继续关注我刊!


    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日