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专利号: 2020106057795
申请人: 三峡大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-08-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于改进LSTM神经网络的阀控铅酸蓄电池健康状态预测方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1、样本数据的采集:

通过在线监测装置每日测量得到蓄电池的浮充电压、均充电流、均充时长、放电截止电压、放电时长输入数据,蓄电池容量通过每两个月一次的核对性均衡充电测得;

步骤2、样本数据的预处理:

以n天为时间跨度,建立n维的样本输入 其中,

分别表示n天内的蓄电池的浮充电压、均充电流、均充时长、放电截止电压、放电时长的向量,蓄电池容量数据序列h(ti),即多次容量实测结果;

步骤3、构建LSTM神经网络模型:

以蓄电池容量数据序列h(ti)作为输出,x(ti)作为输入,建立一个包含多个LSTM神经网络单元的神经网络模型,每个LSTM神经网络单元可以看做LSTM神经网络在不同时间跨度上的状态,初始状态下,通过随机生成0到1之间的小数,为网络中的权重矩阵W和偏置矩阵b进行赋值;

步骤4、引入Dropout算法改进LSTM神经网络模型,对其训练过程进行改进。

2.根据权利要求1所述基于改进LSTM神经网络的阀控铅酸蓄电池健康状态预测方法,其特征在于还包括:步骤5、将测试集中的输入样本代入到训练好的模型中,即可得到蓄电池的12个容量预测值,每个值间隔时间为2个月。

3.根据权利要求1所述基于改进LSTM神经网络的阀控铅酸蓄电池健康状态预测方法,其特征在于:所述步骤2中,样本数据的预处理中,x(ti)为LSTM神经网络ti时刻的网络输入,h(ti)为ti时刻的网络输出,C(ti)为ti时刻网络的单元状态输出;

其中,网络输入包含蓄电池的浮充电压、均充电流、均充时长、放电截止电压以及放电时长;网络输出为电池的最大储能容量,即:其中,x(ti)中每个元素都是维度为60的向量,表示从第ti天以及前溯60天的充放电信息,其中 为[ti-60,ti]期间的浮充电压, 分别为表征均衡充电电流大小和充电时长的向量,若第j天没有均衡充电,则对应向量中的元素取值为0,即则为[ti-60,ti]期间蓄电池放电的记录, 为放电截止电压向量, 为放电时长的向量,若蓄电池第j天没有放电,则截止电压数值上与浮充电压相等,即SOH(ti)为蓄电池第ti天测得的电池储能容量。

4.根据权利要求1所述基于改进LSTM神经网络的阀控铅酸蓄电池健康状态预测方法,其特征在于:所述步骤3包括以下步骤:

3.1、网络超参数初始化:设置的超参数包括:输入节点数m,隐藏节点数k,输出节点数n,学习率yita,误差阈值σ,LSTM细胞核个数w;

3.2、权重偏置初始化:初始状态下通过随机生成0到1之间的小数,为网络中的权重矩阵W和偏置矩阵b进行赋值。

5.根据权利要求1所述基于改进LSTM神经网络的阀控铅酸蓄电池健康状态预测方法,其特征在于:所述步骤4包括以下步骤:步骤4.1、前向运算预测蓄电池容量:

根据初始设定的参数按照下式(1)运算更新LSTM模型中各门参数,并进一步根据式(8)运算得到网络的输出结果:其中,f(ti)、i(ti)、o(ti)、C(ti)分别表示遗忘门输出,输入门输出,输出门输出和单元状态;σ和tanh均为激活函数,其中,σ为sigmoid函数,tanh为双曲正切函数,二者计算公式分别如下:Wf、Wi、Wc、Wo分别代表遗忘门、输入门、当前输入单元状态和输出门的权重矩阵,bf、bi、bc、bo则表示遗忘门、输入门、当前输入单元状态和输出门的偏置矩阵,此8个参数矩阵为待求的参数矩阵,在模型的训练过程中逐步优化和更新;

表示按元素乘,当 作用于两个向量时,运算如下:

当 作用于一个向量和一个矩阵时,运算如下:

当 作用于两个矩阵时,两个矩阵对应位置的元素相乘即可;

Wf、Wi、Wc、Wo、bf、bi、bc、bo,此8个参数是由网络训练而来,无需人为设置具体数值,但需人为指定矩阵维度,并由计算机产生0~1之间的随机数作为其初值;

步骤4.2、根据预测结果误差修正神经网络权重与偏置参数:

按照式(2)计算出网络的输出值后,根据式(6)计算预测值与实际值之间的误差C,若大于误差阈值σ,则将误差反向传播,结合公式(7)反方向更新网络中的参数和偏置;

C=|h'(ti)-h(ti)|          (6)上式中,h′(ti)表示LSTM网络输出的预测容量值,h(ti)表示实际容量值,α表示学习率,W=[Wf,Wi,Wc,Wo]和b=[bf,bi,bc,bo]代表更新前的权重和偏置,W′和b′代表更新后的权重和偏置;

4.3、神经元激活状态更新:

根据公式(8)计算所有神经元的连接强度,并依据式(9)计算所得概率更新神经元的激活状态;

提出Dropout优化算法,以神经元的链接强度作为改变其激活状态的概率,提升训练过程的收敛速度;令神经元的状态为激活与非激活两种状态,Si(t)取值为1和0分别表示神经元i在第t次迭代中处于激活状态和非激活状态;定义神经元i的连接强度Ri(t)计算公式为:其中,Sj(t)为网络中除i以外的任意神经元的激活状态,wij(t)∈W为第t次迭代中神经元i、j之间的权重;神经元在迭代过程中激活状态则根据下式(9)进行更新:即连接强度越高的神经元转变为非激活状态的概率越大;通过这种方式减少LSTM预测模型对于部分输入特征的依赖;

4.4、该样本时间序列数据中是否还有数据需要参与训练;如果训练完成转入步骤4.5,如果还有需要训练的则将对应的输入x(ti+1)代入,并转入步骤4.1,如果样本时间序列数据都参与训练,则进行下一步;

4.5、检查是否还有未参与训练的蓄电池样本数据;如果有则将新的蓄电池样本,即12维的蓄电池时间序列数据代入,并转入步骤4.1;如果不存在新的蓄电池样本数据了,则停止LSTM网络参数更新迭代,将训练所得预测模型输出。