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一种基于深度迁移学习的滚动轴承早期故障在线检测方法

毛文涛 田思雨 窦智 张迪 丁玲

顾传青, 唐鹏飞, 陈之兵. 计算张量指数函数的广义逆张量ε-算法. 自动化学报, 2020, 46(4): 744-751. doi: 10.16383/j.aas.c180002
引用本文: 毛文涛, 田思雨, 窦智, 张迪, 丁玲. 一种基于深度迁移学习的滚动轴承早期故障在线检测方法. 自动化学报, 2022, 48(1): 302−314 doi: 10.16383/j.aas.c190593
GU Chuan-Qing, TANG Peng-Fei, CHEN Zhi-Bing. Generalized Inverse Tensor ε-algorithom for Computing Tensor Exponential Function. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2020, 46(4): 744-751. doi: 10.16383/j.aas.c180002
Citation: Mao Wen-Tao, Tian Si-Yu, Dou Zhi, Zhang Di, Ding Ling. A new deep transfer learning-based online detection method of rolling bearing early fault. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(1): 302−314 doi: 10.16383/j.aas.c190593

一种基于深度迁移学习的滚动轴承早期故障在线检测方法

doi: 10.16383/j.aas.c190593
基金项目: 国家重点研发计划重点专项项目(2018YFB1701400)和国家自然科学基金(U1704158)资助
详细信息
    作者简介:

    毛文涛:河南师范大学计算机与信息工程学院教授. 主要研究方向为机器学习, 时间序列预测. 本文通信作者. E-mail: maowt@htu.edu.cn

    田思雨:河南师范大学计算机与信息工程学院研究生. 主要研究方向为深度学习, 故障检测.E-mail: tianxiaosi77@163.com

    窦智:河南师范大学计算机与信息工程学院副教授. 主要研究方向为图像处理, 可重构计算, 机器学习.E-mail: 2015160@htu.edu.cn

    张迪:河南师范大学计算机与信息工程学院研究生. 主要研究方向为深度学习, 异常检测.E-mail: vencent8692@gmail.com

    丁玲:河南师范大学计算机与信息工程学院研究生. 主要研究方向为深度学习, 故障检测.E-mail: ddll1029@163.com

A New Deep Transfer Learning-based Online Detection Method of Rolling Bearing Early Fault

Funds: Supported by National Key Research & Development Program of China (2018YFB1701400) and National Natural Science Foundation of China (U1704158)
More Information
    Author Bio:

    MAO Wen-Tao Professor at the School of Computer and Information Engineering, Henan Normal University. His research interest covers machine learning and prediction of time series. Corresponding author of this paper

    TIAN Si-Yu Master student at the School of Computer and Information Engineering, Henan Normal University. Her research interest covers deep learning and fault detection

    DOU Zhi Associate professor at the School of Computer and Information Engineering, Henan Normal University. His research interest covers image processing, reconfigurable calculations, and machine learning

    ZHANG Di Master student at the School of Computer and Information Engineering, Henan Normal University. His research interest covers deep learning and anomaly detection

    DING Ling Master student at the School of Computer and Information Engineering, Henan Normal University. Her research interest covers deep learning and fault detectio

  • 摘要: 近年来, 深度学习技术已在滚动轴承故障检测和诊断领域取得了成功应用, 但面对不停机情况下的早期故障在线检测问题, 仍存在着早期故障特征表示不充分、误报警率高等不足. 为解决上述问题, 本文从时序异常检测的角度出发, 提出了一种基于深度迁移学习的早期故障在线检测方法. 首先, 提出一种面向多域迁移的深度自编码网络, 通过构建具有改进的最大均值差异正则项和Laplace正则项的损失函数, 在自适应提取不同域数据的公共特征表示同时, 提高正常状态和早期故障状态之间特征的差异性; 基于该特征表示, 提出一种基于时序异常模式的在线检测模型, 利用离线轴承正常状态的排列熵值构建报警阈值, 实现在线数据中异常序列的快速匹配, 同时提高在线检测结果的可靠性. 在XJTU-SY数据集上的实验结果表明, 与现有代表性早期故障检测方法相比, 本文方法具有更好的检测实时性和更低的误报警数.
  • 近年来, 张量方法在控制理论及其应用的各个领域得到了广泛的应用, 如基于张量数据表示的深度学习模型[1]、基于非负张量分析的时序链路预测方法[2]、局部图像描述中基于结构张量的HDO (Histograms of dominant orientations)算法[3]、二维解析张量投票算法[4]等.

    张量动力系统已经广泛应用于Volterra系统识别[5]、张量乘积TP (Tensor product)模型变换[6]、人体动作识别[7-8]和塑性模型[9]等各个领域.因此, 由于在张量常微分方程解中的关键作用, 张量指数函数的计算已经成为一个重要的研究领域.

    考虑如下常微分方程[9]

    $$ \begin{align}\label{equation1-1} \left\{ \begin{array}{ll} \dot{\mathcal{Y}}(t)=\mathcal{A}\mathcal{Y}(t) \\ {\mathcal{Y}}(t_0)=\mathcal{Y}_{0} \end{array} \right. \end{align} $$ (1)

    这里$\mathcal{A}$和$\mathcal{Y}_{0}$是给定张量, 一般是非对称的, 那么关于系统(1)的张量指数函数${\rm exp}(\cdot)$有如下唯一解:

    $$ \begin{align}\label{equation1-2} {\mathcal{Y}}(t)={\rm exp}[(t-t_0)\mathcal{A}]{\mathcal{Y}}_{0} \end{align} $$ (2)

    对于一般的张量$\mathcal{A}$, 它的指数函数可以表示为它的级数形式:

    $$ \begin{align*}{\rm exp}(\mathcal{A})=\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{1}{n!}\mathcal{A}^n\end{align*} $$

    目前计算张量指数函数(2)通常使用的方法是截断法[10], 其实质就是将张量指数函数展开成无穷级数后, 取前$n_{\rm{max}}$项, 得到近似解, 即:

    $$ \begin{align*}{\rm exp}(\mathcal{A}) \approx \sum\limits_{n=0}^{n_{\rm{max}}} \frac{1}{n!}\mathcal{A}^n\end{align*} $$

    张量指数函数选取的项数$n_{\rm{max}}$受限于所需的精度:

    $$ \begin{align*}\frac{1}{n_{\rm{max}}!}\|\mathcal{A}^{n_{\rm{max}}}\|\le \epsilon_{\rm{tol}}\end{align*} $$

    显然有截断法的精度与张量指数函数选取的项数$n_{\rm{max}}$有关, 保留的项数越多, 精度越高, 但是需要进行的张量乘积次数也就越多; 保留的项数越少, 计算量越少, 但是精度也就越低.因此, 计算张量指数函数的截断法有待改进.

    为研究上述问题, 本文首次定义了张量的一种广义逆, 并以此为基础构造了张量广义逆Padé逼近GITPA (Generalized inverse tensor Padé approximation)的一种$\varepsilon$-算法. GITPA方法的优势在于:在计算过程中, 不必用到张量的乘积, 也不要计算张量的逆, 另外, 该方法对奇异张量也是适用的.目前在国内外, 关于计算张量的逆还没有找到一种比较可行的计算方法.作为GITPA方法的一个重要应用, 本文在后面给出计算张量指数函数的数值实验, 来说明$\varepsilon$-算法的有效性.

    本文组织如下:第1节简单介绍本文用到的张量基础知识, 并定义张量的一种广义逆; 第2节, 首先给出广义逆张量Padé逼近的定义, 并以此为基础给出张量$\varepsilon$-算法; 第3节将$\varepsilon$-算法用来计算张量指数函数值, 并与通常使用的的级数截断法相比较; 最后给出简单的小结.

    本节介绍本文将要用到的张量基础知识.张量是一种多维数组, 其中向量是一阶张量, 矩阵是二阶张量, 特别地, 一个$ p $阶张量拥有$ p $个下标, 是$ p $个拥有独立坐标系的向量空间的外积(张量积).一个$ p $阶$ n_1\times n_2\times \cdots \times n_p $维张量可以表示为:

    $$ \mathcal{A} = (a_{i_{1}i_{2}\cdots i_{p}})\in {\bf C}^{n_{1}\times n_{2}\times\cdots \times n_{p}} $$

    文献[11]提出了张量的切片方法.对一个三阶张量, 可以固定其中任意一个下标, 从而得到该张量的一种表示形式.设$ \mathcal{A} = (a_{i_{1}i_{2}i_{3}})\in {\bf C}^{2\times 2\times3} $, 固定其第三个下标, 则张量可以表示为

    $$ \begin{align*} \mathcal{A} = \, &\left[ \begin{array}{c|c|c} \mathcal{A}_{1} &\mathcal{A}_{2}& \mathcal{A}_{3} \end{array}\right] = \nonumber\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc|cc} a_{111} & a_{121} & a_{112} & a_{122} & a_{113} & a_{123}\\ a_{211} & a_{221} & a_{212} & a_{222} & a_{213} & a_{223}\\ \end{array} \right] \end{align*} $$

    下面定义两个三阶张量的$ t $-积, 可以通过递归自然地推广到高阶张量的$ t $-积.

    定义1[12]. (块循环矩阵)令$ \mathcal{A} \in {\bf R}^{l\times p\times n} $, 则$ \mathcal{A} $的块循环矩阵被定义为

    $$ \begin{equation*} bcirc(\mathcal{A}) = {\left[ \begin{array}{ccccc} \mathcal{A}_{1} & \mathcal{A}_{n} & \mathcal{A}_{n-1} & \cdots & \mathcal{A}_{2} \\ \mathcal{A}_{2} & \mathcal{A}_{1} & \mathcal{A}_{n} & \cdots & \mathcal{A}_{3} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \mathcal{A}_{n} & \mathcal{A}_{n-1} & \cdots & \mathcal{A}_{2} & \mathcal{A}_{1} \\ \end{array} \right]}_{ln\times pn} \end{equation*} $$

    定义一个展开算子: $ unfold(\cdot)$[12], 用以下方式将一个${p\times m\times n}$的张量展开成一个${pn\times m}$的矩阵:

    $$ \begin{equation*} unfold(\mathcal{B}) = \left[ \begin{array}{c} \mathcal{B}_{1}^{\rm{T}} \mathcal{B}_{2}^{\rm{T}} \cdots \mathcal{B}_{n}^{\rm{T}}\\ \end{array} \right]^{\rm{T}} \end{equation*} $$

    这里$fold(\cdot)$[12]是它的逆算子, 它会将一个$ {pn\times m} $的矩阵转化成$ {p\times m\times n} $的张量.因此,

    $$ \begin{equation*} fold(unfold(\mathcal{B})) = \mathcal{B} \end{equation*} $$

    定义2[12-13]. (张量$ t $-积)令$ \mathcal{A} $是一个$ l\times p\times n $的张量, $ \mathcal{B} $是一个$ p\times m\times n $的张量, 则张量$ t $-积$ \mathcal{A}*\mathcal{B} $将得到一个$ l\times m\times n $的张量, 定义如下:

    $$ \begin{equation*} \mathcal{A}\ast \mathcal{B} = fold(bcirc(\mathcal{A}) \cdot unfold(B)) \end{equation*} $$

    例1. 设$ \mathcal{A}, \mathcal{B}\in {\bf R}^{2\times 2\times3} $, 现固定其第三个下标, 分别产生

    $$ \begin{align*} \begin{array}{rl} \mathcal{A} = &\left[ \begin{array}{cc|cc|cc} 1 & 2 & 5 & 6 & 9 & 10 \\ 3 & 4 & 7 & 8 & 11 & 12 \\ \end{array} \right]\\ \mathcal{B} = &\left[ \begin{array}{cc|cc|cc} 1 & 2 & 4 & 3 & 1 & 0 \\ 3 & 4 & 2 & 1 & 0 & 1 \\ \end{array} \right]\end{array} \end{align*} $$

    则由定义2得到

    $$ \begin{align*} \begin{array}{rl} \mathcal{A}\ast\! \mathcal{B} = \\&fold\left[ \begin{array}{c} \left[ \begin{array}{ccc} \mathcal{A}_{1} & \mathcal{A}_{3} & \mathcal{A}_{2} \\ \mathcal{A}_{2} & \mathcal{A}_{1} & \mathcal{A}_{3} \\ \mathcal{A}_{3} & \mathcal{A}_{2} & \mathcal{A}_{1} \\ \end{array} \right]\cdot\left[ \begin{array}{c} \mathcal{B}_{1} \\ \mathcal{B}_{2} \\ \mathcal{B}_{3} \\ \end{array} \right] \\ \end{array} \right] = \\ &fold\left[ \begin{array}{c} \mathcal{A}_{1}\mathcal{B}_{1}+\mathcal{A}_{3}\mathcal{B}_{2}+\mathcal{A}_{2}\mathcal{B}_{3} \\ \mathcal{A}_{2}\mathcal{B}_{1}+\mathcal{A}_{1}\mathcal{B}_{2}+\mathcal{A}_{3}\mathcal{B}_{3} \\ \mathcal{A}_{3}\mathcal{B}_{1}+\mathcal{A}_{2}\mathcal{B}_{2}+\mathcal{A}_{1}\mathcal{B}_{3} \\ \end{array} \right] = \\ &\left[ \begin{array}{cc|cc|cc} 68 & 53 & 40 & 49 & 72 & 81 \\ 90 & 75 & 62 & 71 & 94 & 103 \\ \end{array} \right] \end{array} \end{align*} $$

    下面定义张量的范数.令$ \mathcal{A}\in {\bf C}^{n_{1}\times n_{2}\times\cdots \times n_{p}} $, 张量的范数就等于它所有元素平方和的平方根[11], 即

    $$ \begin{align} \|\mathcal{A}\| = \sqrt{\sum^{n_{1}}_{i_{1} = 1}\sum^{n_{2}}_{i_{2} = 1}\cdots\sum^{n_{p}}_{i_{p} = 1}a^2_{i_{1}i_{2}\cdots i_{p}}} \end{align} $$ (3)

    这和矩阵的$ Frobenius $-模是类似的.两个大小相同的张量$ \mathcal{A} $, $ \mathcal{B}\in {\bf C}^{n_{1}\times n_{2}\times\cdots \times n_{p}} $的内积等于它们对应元素的乘积的和[11], 即

    $$ \begin{align} (\mathcal{A}, \mathcal{B}) = \sum^{n_{1}}_{i_{1} = 1}\sum^{n_{2}}_{i_{2} = 1}\cdots\sum^{n_{p}}_{i_{p} = 1}a_{i_{1}i_{2}\cdots i_{p}}b_{i_{1}i_{2}\cdots i_{p}} \end{align} $$ (4)

    于是显然成立$ (\mathcal{A}, \mathcal{A}^\ast) = \|\mathcal{A}\|^2 $, 其中记号"$ \ast $''表示取复共轭.

    参考复数、向量和矩阵的倒数, 容易得到以下结论:

    1) 若$ b $是一个复数, $ b\in {\bf C} $, 则$ bb^\ast = |b|^2 $, $ {1}/{b} = b^{-1} = {b^\ast}/{|b|^2} $;

    2) 若$ {\pmb v} $是一个向量, $ {\pmb v}\in {\bf C}^n $, 则$ {\pmb v}\cdot {\pmb v}^\ast = |{\pmb v}|^2 $, $ {1}/{{\pmb v}} = {\pmb v}^{-1} = {{\pmb v}^\ast}/{|{\pmb v}|^2} $ (见Graves-Morris [14]);

    3) 若$ A = a_{ij} $, $ B = b_{ij}\in {\bf C}^{s\times t} $, 则$ A\cdot B = \sum^s_{i = 1}\sum^t_{j = 1}(a_{ij}b_{ij})\in {\bf C} $, $ {1}/{A} = A_r^{-1} = {A^\ast}{\|A\|^2} $ (见顾传青[15-17]).因此, 下面张量的广义逆可以看作是向量和矩阵的推广:

    定义3. 令$ \mathcal{A}, \mathcal{B}\in {\bf C}^{n_1\times n_2\times \cdots\times n_p} $, 其内积为

    $$ \begin{equation*} (\mathcal{A}, \mathcal{B}) = \sum\limits^{n_{1}}_{i_{1} = 1}\sum\limits^{n_{2}}_{i_{2} = 1}\cdots\sum\limits^{n_{p}}_{i_{p} = 1}a_{i_{1}i_{2}\cdots i_{p}b_{i_{1}i_{2}\cdots i_{p}}} \end{equation*} $$

    $ \mathcal{A}\cdot\mathcal{A}^\ast = \parallel\mathcal{A}\parallel^2 $, 则张量$ \mathcal{A} $的广义逆被定义为

    $$ \begin{align} \begin{aligned} \mathcal{A}_r^{-1}& = \frac{1}{\mathcal{A}} = \frac{\mathcal{A}^\ast}{\parallel\mathcal{A}\parallel^2}, \mathcal{A}\neq 0, \mathcal{A}\in {\bf C}^{n_1\times n_2\times \cdots\times n_p} \end{aligned} \end{align} $$ (5)

    其中张量的范数由式(3)给出.

    引理1. 令$ \mathcal{A}, \mathcal{B}\in {\bf C}^{n_1\times n_2\times \cdots\times n_p}, \mathcal{A}, \mathcal{B}\neq0 $且$ b\in {\bf R}, b\neq0 $, 则下列关系成立:

    1) $ \frac{b}{\mathcal{A}} = \frac{1}{\mathcal{B}}\Longleftrightarrow\mathcal{A} = b\mathcal{B} $;

    2) $ (\mathcal{A}^{-1}_r)^{-1}_r = \mathcal{A}, (b\mathcal{A})^{-1}_r = \frac{1}{b}\mathcal{A}^{-1}_r $.

    证明. 根据定义3, 结论2)是显然的.现在证明结论1).因为$ \mathcal{A}, \mathcal{B}\neq0 $, 从$ \mathcal{A} = b\mathcal{B} $, 容易推得$ \frac{b}{\mathcal{A}} = \frac{1}{\mathcal{B}} $.利用定义3, 得到引理1的左端, $ \frac{b\mathcal{A}^\ast}{\|\mathcal{A}\|^2} = \frac{\mathcal{B}^\ast}{\|\mathcal{B}\|^2} $, 即

    $$ \begin{align*} \mathcal{A}^\ast = \frac{\parallel\mathcal{A}\parallel^2}{b\parallel\mathcal{B}\parallel^2}\mathcal{B}^\ast, \mathcal{A} = \frac{\parallel\mathcal{A}\parallel^2}{b\parallel\mathcal{B}\parallel^2}\mathcal{B} \end{align*} $$

    因此

    $$ \begin{align*} \parallel\mathcal{A}\parallel^2 = \mathcal{A}\cdot\mathcal{A}^\ast = \frac{\parallel\mathcal{A}\parallel^4\parallel\mathcal{B}\parallel^2}{b^2\parallel\mathcal{B}\parallel^4} \end{align*} $$

    即$ b^2 = \frac{\parallel\mathcal{A}\parallel^2}{\parallel\mathcal{B}\parallel^2} $, 所以$ \mathcal{A} = b\mathcal{B} $.

    设$ f(t) $是给定的张量多项式, 其系数为张量, 即

    $$ \begin{equation} f(t) = \mathcal{C}_0+\mathcal{C}_1t+\mathcal{C}_2t^2+\cdots+\mathcal{C}_nt^n+\cdots \end{equation} $$ (6)
    $$ \begin{equation*} \mathcal{C}_i = (c_i^{(i_1i_2\cdots i_p)})\in {\bf C}^{n_{1}\times n_{2}\times\cdots \times n_{p}}, t\in {\bf C} \end{equation*} $$

    定义4. 令$ C^{n_1\times n_2\times \cdots\times n_p}[t] $是一个$ p $阶张量的多项式集合, 维数分别为$ n_1\times n_2\times \cdots\times n_p $.一个张量多项式$ \mathcal{A}(t) = (a_{i_1i_2 \cdots i_p}(t))\in {\bf C}^{n_1\times n_2\times \cdots\times n_p}[t] $是$ m $阶的, 表示为$ \partial\mathcal{A}(t) = m $, 若$ \partial(a_{i_1i_2 \cdots i_p}(t))\leq m $对于所有$ i_i = 1, 2, \cdots, n_i, 1\leq i\leq p $都成立, 且$ \partial(a_{(i_1i_2 \cdots i_p)}(t)) = m $对于某些$ i_i = 1, 2, \cdots, n_i, 1\leq i\leq p $成立.

    定义5. 定义$ [\frac{n}{2k}] $型广义逆张量Padé逼近(GITPA)是一个张量有理函数

    $$ \begin{equation} \mathcal{R}(t) = \frac{\mathcal{P}(t)}{q(t)} \end{equation} $$ (7)

    其中, $ \mathcal{P}(t) $是一个张量多项式, $ q(t) $是一个数量多项式, 满足以下条件:

    1) $ \partial{ \mathcal{P}(t)}\leq n, \partial{q(t)} = 2k; $

    2) $ q(t)\mid \parallel\mathcal{P}(t)\parallel^2; $

    3) $ q(t)f(t)-\mathcal{P}(t) = O(t^{n+1}); $

    其中, $ \mathcal{P}(t) = (p_{(i_1i_2 \cdots i_p)}(t))\in {\bf C}^{n_1\times n_2\times \cdots \times n_p} $, 其范数$ \|\mathcal{P}(t)\|^2 $由式(3)给出, 而整除性条件2)表明分母数量多项式$ q(t) $能够整除分子张量多项式$ \mathcal{P}(t) $范数的平方.

    给定张量多项式(6), 根据张量广义逆(5), 定义张量$ \varepsilon $-算法如下:

    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{-1}^{(j)} = 0 , j = 0, 1, 2, \cdots \end{align*} $$ (8)
    $$ \begin{align*} &\varepsilon_0^{(j)} = \sum\limits_{i = 0}^j C_i z^i , j = 0, 1, 2, \cdots \end{align*} $$ (9)
    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{k+1}^{(j)} = \varepsilon_{k-1}^{(j+1)}+(\varepsilon_k^{(j+1)}-\varepsilon_k^{(j)})^{-1} , j, k\ge0 \end{align*} $$ (10)

    类似于矩阵情况, 根据式(8)$ \, \sim\, $(10), 上述张量$ \varepsilon $-算法组成了一个称为$ \varepsilon $-表的二维数组:

    其中, 根据$ \varepsilon $-算法产生的元素$ \varepsilon_{k+1}^{(j)} $, 它的上标$ j $表示斜行数, 下标$ k+1 $表示列数.每个元素的产生与一个菱形有关, 例如, 由$ \varepsilon_0^{(1)}, \varepsilon_1^{(0)}, \varepsilon_1^{(1)}, \varepsilon_2^{(0)} $所组成的菱形, 现在要计算$ \varepsilon_2^{(0)} $, 由式(10), 将$ \varepsilon_1^{(1)} $减去$ \varepsilon_1^{(0)} $, 再取广义逆(3), 然后将结果加上$ \varepsilon_0^{(1)} $, 从而得到$ \varepsilon_2^{(0)} $.

    定理1. (恒等定理)利用张量广义逆(5), 根据$ \varepsilon $-算法(8)$ \, \sim\, $(10)构造$ \varepsilon_{2k}^{(j)} $, 如果在计算过程中没有出现分母为零的情形, 则广义逆Padé逼近$ [\frac{j+2k}{2k}]_f $存在, 且成立恒等式:

    $$ \begin{equation} \varepsilon_{2k}^{(j)} = \left[\frac{j+2k}{2k}\right]_f, j, k\ge 0 \end{equation} $$ (11)

    证明. 该证明与矩阵情况类似, 可以参考文献[15].

    设张量指数函数为

    $$ \begin{equation} {\rm exp}(\mathcal{A}t) = \mathcal{I}+\mathcal{A}t+\frac{1}{2!}\mathcal{A}^2t^2+\frac{1}{3!}\mathcal{A}^3t^3+\cdots \end{equation} $$ (12)

    给出计算张量指数函数(9)的张量$ \varepsilon $-算法如下:

    算法1. (计算张量指数函数的$ \varepsilon $-算法):

    输入:张量$ \mathcal{A} $、自变量$ t $和需要逼近的阶数$ j_{\rm{max}} $和$ k_{\rm{max}} $ (偶数)的值.

    1) 计算$ \varepsilon $-表的第一列,

    $ \varepsilon_{-1}^{(j)} = 0, j = 0, 1, 2, \cdots, j_{\rm{max}}+1 $.

    2) 计算$ \varepsilon $-表的第二列,

    $ \varepsilon_0^{(j)} = \sum_{i = 0}^j \frac{1}{i!}\mathcal{A}^it^i, j = 0, 1, 2, \cdots, j_{\rm{max}} $.

    3) 逐列计算$ \varepsilon $-表的第三列至第$ k_{\rm{max}}+2 $列,

    $ \varepsilon_{k+1}^{(j)} = \varepsilon_{k-1}^{(j+1)}+(\varepsilon_k^{(j+1)}-\varepsilon_k^{(j)})^{-1}, j, k\ge0 $.

    输出:计算结果$ \varepsilon_{2k}^{(j)} = [\frac{j+2k}{2k}]_e $, 即为所求张量指数的$ [\frac{j+2k}{2k}] $型广义逆Padé逼近, 其中在第2)步计算$ \mathcal{A}^i $时用到定义1给出的张量$ t $-积.

    给定张量指数函数(12), 下面给出张量$ \varepsilon $-算法的几个常用格式:

    格式Ⅰ: $ \varepsilon_2^{-1} = [\frac{1}{2}]_e = \varepsilon_{0}^{(0)}+(\varepsilon_1^{(0)}-\varepsilon_1^{(-1)})^{-1} $, 其中

    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{0}^{(0)} = \mathcal{I}, \varepsilon_{0}^{(1)} = \mathcal{I}+\mathcal{A}t\\ &\varepsilon_{1}^{(0)} = (\varepsilon_0^{(1)}-\varepsilon_0^{(0)})^{-1} = \frac{1}{\mathcal{A}t}\\ &\varepsilon_{0}^{(-1)} = 0, \varepsilon_{1}^{(-1)} = (\varepsilon_0^{(0)}-\varepsilon_0^{(-1)})^{-1} = \frac{1}{\mathcal{I}} \end{align*} $$

    格式Ⅱ: $ \varepsilon_2^{0} = [\frac{2}{2}]_e = \varepsilon_{0}^{(1)}+(\varepsilon_1^{(1)}-\varepsilon_1^{(0)})^{-1} $, 其中

    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{1}^{(1)} = (\varepsilon_0^{(2)}-\varepsilon_0^{(1)})^{-1} = \frac{2}{\mathcal{A}^2t^2}\\ &\varepsilon_{0}^{(2)} = \mathcal{I}+\mathcal{A}t+\frac{\mathcal{A}^2t^2}{2} \end{align*} $$

    格式Ⅲ: $ \varepsilon_2^{1} = [\frac{3}{2}]_e = \varepsilon_{0}^{(2)}+(\varepsilon_1^{(2)}-\varepsilon_1^{(1)})^{-1} $, 其中

    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{1}^{(2)} = (\varepsilon_0^{(3)}-\varepsilon_0^{(2)})^{-1} = \frac{6}{\mathcal{A}^3t^3}\\ &\varepsilon_{0}^{(3)} = \mathcal{I}+\mathcal{A}t+\frac{\mathcal{A}^2t^2}{2}+\frac{\mathcal{A}^3t^3}{6} \end{align*} $$

    格式Ⅳ: $ \varepsilon_4^{-1} = [\frac{3}{4}]_e = \varepsilon_{2}^{(0)}+(\varepsilon_3^{(0)}-\varepsilon_3^{(-1)})^{-1} $, 其中

    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{3}^{(0)} = \varepsilon_{1}^{(1)}+(\varepsilon_2^{(1)}-\varepsilon_2^{(0)})^{-1}\\ &\varepsilon_{3}^{(-1)} = \varepsilon_{1}^{(0)}+(\varepsilon_2^{(0)}-\varepsilon_2^{(-1)})^{-1} \end{align*} $$

    格式Ⅴ: $ \varepsilon_4^{0} = [\frac{4}{4}]_e = \varepsilon_{2}^{(1)}+(\varepsilon_3^{(1)}-\varepsilon_3^{(0)})^{-1} $, 其中

    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{3}^{(1)} = \varepsilon_1^{(2)}+(\varepsilon_2^{(2)}-\varepsilon_2^{(1)})^{-1} \end{align*} $$

    格式Ⅵ: $ \varepsilon_4^{1} = [\frac{5}{4}]_e = \varepsilon_{2}^{(2)}+(\varepsilon_3^{(2)}-\varepsilon_3^{(1)})^{-1} $, 其中

    $$ \begin{align*} &\varepsilon_{3}^{(2)} = \varepsilon_1^{(3)}+(\varepsilon_2^{(3)}-\varepsilon_2^{(2)})^{-1} \end{align*} $$

    例2. 设张量$ \mathcal{A}\in {\bf R}^{2\times 2\times 2} $, 其张量指数函数为

    $$ \begin{equation*} \label{equation3-8} \begin{aligned} {\rm exp}(\mathcal{A}t) = \, &\left[ \begin{array}{cc|cc} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{array} \right] +\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0 & 1 & 0 & 2 \\ 0 & -2 & 0 & -1 \\ \end{array} \right]t+\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0 & -2 & 0 & -\dfrac{5}{2} \\ 0 & \dfrac{5}{2} & 0 & 2 \\ \end{array} \right]t^2 +\end{aligned} \end{equation*} $$
    $$ \begin{align} &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0 & \dfrac{13}{6} & 0 & \dfrac{7}{3} \\ 0 & -\dfrac{7}{3} & 0 & -\dfrac{13}{6} \\ \end{array} \right]t^3+\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0 & -\dfrac{5}{3} & 0 & -\dfrac{41}{24} \nonumber\\ 0 & \dfrac{41}{24} & 0 & \dfrac{5}{3} \nonumber\\ \end{array} \right]t^4+\cdots = \\ &\mathcal{I}+\mathcal{A}t+\frac{1}{2!}\mathcal{A}^2t^2+ \frac{1}{3!}\mathcal{A}^3t^3+\\ &\frac{1}{4!}\mathcal{A}^4t^4+\cdots \end{align} $$ (13)

    计算$ [\frac{2}{2}] $型GITPA.

    由常用格式Ⅱ得

    $$ \begin{equation*} \begin{aligned} &\varepsilon_2^{(0)} = \left[\frac{2}{2}\right]_e = \varepsilon_{0}^{(0)}+(\varepsilon_1^{(0)}-\varepsilon_1^{(-1)})^{-1} = \\ &\mathcal{I}+\mathcal{A}t+\frac{1}{\frac{2}{\mathcal{A}^2t^2}-\frac{1}{\mathcal{A}t}} = \\ &\frac{\left[ \begin{array}{cc|cc} a_1 & a_2 & 0 & a_3\\ 0 & a_1-a_3 & 0 & -a_2\\ \end{array} \right]}{a_1} = \frac{\mathcal{P}_2(t)}{q_2(t)} \end{aligned} \end{equation*} $$

    其中

    $$ \begin{array}{rl} a_1 = &41+140t+125t^2\\ a_2 = &40t^2+41t\\ a_3 = &155t^2+82t \end{array} $$

    由定义5, $ \varepsilon_2^{(0)} = \frac{\mathcal{P}_2(t)}{q_2(t)} $是式(13)的$ [\frac{2}{2}] $型GITPA, 满足以下条件:

    1) $ \partial{\mathcal{P}_2(t)} = 2, \partial{q_2(t)} = 2; $

    2) $ q_2(t)\mid \parallel\mathcal{P}_2(t)\parallel^2; $这里

    $$ \begin{align*} \|\mathcal{P}_2(t)\|^2 = \, &2(a_1^2+a_2^2+a_3^2)-2a_1a_3 = \\ &2(a_1^2+205t^2a_1-a_1a_3) = \\ &2a_1(a_1+205t^2-a_3) \end{align*} $$

    3) $ q_2(t){\rm exp}(\mathcal{A}t)-\mathcal{P}_2(t) = O(t^{3}) $.

    本节计算张量$\varepsilon$-算法的近似值和精确值的误差, 并将本文的方法与计算张量指数函数的截断法进行比较.首先给出目前通常使用的无穷序列截断法:

    算法2. (无穷序列截断法[10])

    输入:张量$\mathcal{A}$、自变量$t$和误差限$\epsilon_{\rm{tol}}$的值.

    1) 初始化$n=0$和${\rm exp}(\mathcal{A}t):=\mathcal{I}$.

    2) $n:=n+1$.

    3) 计算$\frac{t^n}{n!}$和$\mathcal{A}^n$.

    4) 将该项计算结果加到

    $$ {\rm exp}(\mathcal{A}t):={\rm exp}(\mathcal{A}t)+\frac{t^n}{n!}\mathcal{A}^n $$

    5) 判断是否停止, 若

    $$ \begin{equation*} \frac{\|\mathcal{A}^n\|t^n}{n!} <\epsilon_{\rm{tol}} \end{equation*} $$

    则停止, 否则回到第2)步.

    输出: ${\rm exp}(\mathcal{A}t)$.

    例3. 设张量$\mathcal{A}\in {\bf R}^{2\times 2\times 2}$, $\mathcal{A}$中的元素为

    $$ a_{121}=\frac{1}{2}, a_{221}=-\frac{2}{3}, a_{122}=-\frac{1}{2}, a_{222}=\frac{2}{3} $$

    其余均为0, 它的指数函数展开式为

    $$ \begin{equation}\label{equation4-1} \begin{aligned} {\rm exp}(\mathcal{A}t)=\, &\left[ \begin{array}{cc|cc} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{array} \right] +\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0 & \dfrac{1}{2} & 0 & \dfrac{2}{3} \\[2mm] 0 & -\dfrac{2}{3} & 0 & -\dfrac{1}{2} \\ \end{array} \right]t+\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0 & -\dfrac{1}{3} & 0 & -\dfrac{15}{72} \\[2mm] 0 & \dfrac{15}{72} & 0 & \dfrac{1}{3} \\ \end{array} \right]t^2+\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0 & \dfrac{19}{144} & 0 & \dfrac{43}{324} \\[2mm] 0 & -\dfrac{43}{324} & 0 & -\dfrac{19}{144} \\ \end{array} \right]t^3+\\ &\left[ \begin{array}{cc|cc} 0&-\dfrac{25}{648}&0&-\dfrac{128}{3315}\\[2mm] 0&\dfrac{128}{3315}&0&\dfrac{25}{648}\\ \end{array} \right]t^4+\cdots=\\ &\mathcal{I}+\mathcal{A}t+\frac{1}{2!}\mathcal{A}^2t^2+ \frac{1}{3!}\mathcal{A}^3t^3+\\ &\frac{1}{4!}\mathcal{A}^4t^4+\cdots \end{aligned} \end{equation} $$ (14)

    用$\varepsilon$-算法和截断法计算该指数函数.

    由常用格式V计算$[\frac{4}{4}]$型GITPA, 数值实验结果见表 1.

    表 1  $[\frac{4}{4}]$型GITPA-算法数值实验
    Table 1  The numerical experiment of $[\frac{4}{4}]$ type GITPA-algorithm
    $x$ $(1, 2, 1)$ $(2, 2, 1)$ $(1, 2, 2)$ $(2, 2, 2)$ $ RES $
    0.2 $E$值 0.08766299 0.87955329 0.12044671 -0.08766299 $5.69\times10^{-13}$
    $A$值 0.08766327 0.87955283 0.12044717 -0.08766327
    0.4 $E$值 0.15420167 0.78130960 0.21869040 -0.15420167 $3.74\times10^{-10}$
    $A$值 0.15420895 0.78129804 0.21870196 -0.15420895
    0.6 $E$值 0.20408121 0.70078192 0.29921808 -0.20408121 $1.40\times10^{-8}$
    $A$值 0.20412606 0.70071136 0.29928864 -0.20412606
    0.8 $E$值 0.24081224 0.63444735 0.36555265 -0.24081224 $1.63\times10^{-7}$
    $A$值 0.24096630 0.63420702 0.36579298 -0.24096630
    1 $E$值 0.26715410 0.57953894 0.42046106 -0.26715410 $1.01\times10^{-6}$
    $A$值 0.26753925 0.57894247 0.42105753 -0.26753925
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    表 1中由常用格式V计算的近似值记作$A$值, 根据截断法即算法2取指数函数展开式(14)前15项计算得到的结果为精确值, 记作$E$值.表 1中分别列出张量下标为(1, 2, 1), (2, 2, 1), (1, 2, 2), (2, 2, 2)在点0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1相应的近似值与精确值.表 1中最后一列表示近似值与精确值残差的范数的平方, 记作$RES$, 其计算公式如下:

    $$ \begin{equation*} RES(t)=\|{\rm exp}(\mathcal{A}t)-\left[\frac{4}{4}\right]_{e^{\mathcal{A}t}}(t)\|^2 \end{equation*} $$

    其中, 模范数$\|\cdot\|$由式(3)定义.

    表 1显示, 张量$\varepsilon$-算法得到的近似值能够达到较高的计算精度.可以发现, 自变量的值越接近0, 张量$\varepsilon$-算法的逼近效果越好, 计算结果基本符合理论预期.

    首先, 在张量指数函数(14)中令$t=2$, 取前15项计算得到的精确值为

    $$ \begin{equation*} \left[ \begin{array}{cc|cc} 1 & ~~0.3098~~&~~0 & ~~0.5932 \\ 0 & ~~0.4068~~&~~0 & ~~-0.3098 \\ \end{array} \right] \end{equation*} $$

    根据算法1分别计算$[\frac{2}{2}], [\frac{4}{4}], [\frac{6}{6}]$型GITPA, 并与截断算法2进行比较, 得到的数值实验结果见表 2.

    表 2  算法1和算法2的数值实验比较
    Table 2  The numerical experiment comparison of Algorithm 1 and Algorithm 2
    $[\frac{j+2k}{2k}]$ 张量$\varepsilon$-算法 $n_{\rm{max}}$ $\sum^{n_{\rm{max}}}_{n=0}\frac{1}{n!}\mathcal{A}^nt^n $
    $a_{121}$ $a_{221}$ $a_{122}$ $a_{222}$ $a_{121}$ $a_{221}$ $a_{122}$ $a_{222}$
    $[\frac{2}{2}]$ 0.4235 0.3513 0.6487 -0.4235 1 1.0000 -0.3333 1.3333 -1.0000
    $[\frac{4}{4}]$ 0.3049 0.4141 0.5859 -0.3049 2 -0.3333 1.0556 -0.0556 0.3333
    $[\frac{6}{6}]$ 0.3098 0.4068 0.5932 -0.3098 3 0.7222 -0.0062 1.0062 -0.7222
    - - - - 4 0.1049 0.6116 0.3884 -0.1049
    - - - - 5 0.3931 0.3234 0.6766 -0.3931
    - - - - 6 0.2810 0.4355 0.5645 -0.2810
    - - - - 7 0.3184 0.3981 0.6019 -0.3184
    - - - - 8 0.3075 0.4090 0.5910 -0.3075
    - - - - 9 0.3103 0.4062 0.5938 -0.3103
    - - - - 10 0.3097 0.4069 0.5931 -0.3097
    - - - - 11 0.3098 0.4067 0.5933 -0.3098
    - - - - 12 0.3098 0.4068 0.5932 -0.3098
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    表 2显示, $[\frac{6}{6}]$型GITPA计算的数值结果与截断法取前13项相加的数值结果的精确度相近, 由此说明本文给出的张量$\varepsilon$-算法是有效的.

    下面从计算复杂度的角度来对两种算法进行比较.由于需要自乘, 前两维的维数必须相等.对于一个$l\times l\times n$的三阶张量$\mathcal{A}$, 1次张量$t$-积的计算复杂度为$ {\rm O}(l^3n^2)$; 而1次张量的广义逆等价于2次张量的数乘计算, 其计算复杂度为$ {\rm O}(l^2n)$.因此, 随着张量维数的增大, 计算张量$t$-积显然要比计算张量的广义逆付出更大的成本.

    根据张量$\varepsilon$-算法计算$[\frac{6}{6}]$型GITPA所使用的是张量指数函数(14)的前7项, 需要进行5次张量$t$-积和21次广义逆计算, 而达到相同精度, 截断法需要取前13项, 需要进行11次张量$t$-积和12次数乘运算.两种算法的计算复杂度比较见表 3.从表 3可以看出:在计算过程中, 张量$\varepsilon$-算法计算复杂度为$5l^3n^2+42l^2n$, 截断法计算复杂度为$11l^3n^2+12l^2n$.

    表 3  算法1和算法2的计算复杂度分析
    Table 3  The analysis of computational complexity of Algorithm 1 and Algorithm 2
    计算一次 $\varepsilon$-算法: $[\frac{6}{6}]$型 截断法:取13项
    复杂度 计算 计算
    $t$-积运算 $l^3n^2$ 5 11
    数乘运算 $l^2n$ 21 12
    范数运算 $l^2n$ 21 0
    总和 $5l^3n^2+42l^2n$ $11l^3n^2+12l^2n$
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    例4. 为了比较两种算法所需的时间, 在Matlab中选取$'seed~'=1:100$, 随机生成张量$\mathcal{A}$如下: $3\times 3\times 3, 10\times 10\times 10, 20\times 20\times 20, 30\times 30\times 30, 40\times 40\times 40$各100个张量, 分别使用算法1和算法2计算其张量指数函数(12), 其中, 本文给出的算法1计算的是$[\frac{6}{6}]$型GITPA, 算法2计算的是指数函数展开的前13项之和.两个算法计算所需时间见表 4, 表中数据均是由内存8 GB, 主频2.50 GHz, 操作系统Windows 10, 处理器Inter(R) Core(TM) i5-7300HQ的笔记本电脑的Matlab (R2015b)得到.

    表 4  不同维数下两种算法的运行时间表(s)
    Table 4  The consuming time of two algorithms in different dimensions (s)
    张量维数 张量$\varepsilon$-算法运行时间 截断法运行时间
    $ 3~\times ~3\times ~3$ 1.755262 1.103832
    $10\times 10\times 10$ 2.272663 2.164860
    $20\times 20\times 20$ 3.831094 4.805505
    $30\times 30\times 30$ 6.419004 10.545785
    $40\times 40\times 40$ 15.814063 30.012744
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    图 1显示, 算法1计算$[\frac{6}{6}]$型GITPA与算法2即截断法计算前13项之和相比, 在维数较低的情况下(维数低于$10\times 10\times 10$), GITPA的运行时间略高于截断法; 当维数较高时, 本文的算法1逐渐显示出优越性, 可以很好地降低计算时间.

    图 1  不同维数下两种算法运行时间直方图(s)
    Fig. 1  The time-consuming comparison histogram of two algorithms in different dimensions (s)

    目前, 国内外还没有看到计算张量的逆和广义逆的有效算法, 本文提出的一种张量广义逆即定义3是一个实用的计算方法, 它是同一类型的向量广义逆(Graves-Morris [14])和矩阵广义逆(顾传青[15-16, 18])在张量上的推广.在该张量广义逆的基础上, 本文得到了计算张量指数函数(12)的张量$\varepsilon$-算法.从计算张量指数函数(14)的数值实验来看, 与目前通用的无穷序列截断法相比较, 在计算精度和计算复杂度上具有一定的优势, 在张量维数比较大时, 这个优势会更加明显.下面的研究工作从两个方面进行, 一是用本文提出的广义逆张量Padé逼近(GITPA)方法来考虑控制论中的模型简化问题, 二是对张量$\varepsilon$-算法的稳定性进行探讨.

  • 图  1  多域迁移深度自编码网络结构图

    Fig.  1  Architecture of deep auto-encoder network with multi-domain transferring

    图  2  本文方法所提取的公共特征及其对应的排列熵值

    Fig.  2  The extracted common features and their corresponding permutation values

    图  3  图2的局部放大图

    Fig.  3  Partial enlarged view of Fig. 2

    图  4  所提方法流程图

    Fig.  4  Flow chart of the proposed method

    图  5  实验平台[23]

    Fig.  5  Experiment platform[23]

    图  6  采用多层深度自编码器提取的三种工况下轴承正常状态数据的特征分布

    Fig.  6  Feature distribution of bearing normal state data extracted by multi-layer deep auto-encoder under three working conditions

    图  7  采用本文方法提取的三种工况下轴承正常状态数据的特征分布

    Fig.  7  Feature distribution of bearing normal state data extracted by the proposed method under three working conditions

    图  8  本文方法训练损失变化趋势图

    Fig.  8  Changing trend of training loss of the proposed method

    图  9  三种工况下15个轴承正常状态数据的排列熵

    Fig.  9  Permutation entropy of 15 bearings in normal state under all three working conditions

    图  10  工况1下轴承5的特征走势及对应的排列熵值 (其中红线与蓝线分别为加入和未加入Laplace正则项的本文方法所对应效果)

    Fig.  10  Feature trend and the corresponding permutation entropy value of bearing 5 under working condition 1 (where the red and blue curves show the effect with or without Laplace regularizer, respectively)

    图  11  工况2下轴承4的特征走势及对应的排列熵值 (其中红线与蓝线分别为加入和未加入Laplace正则项的本文方法所对应效果)

    Fig.  11  Feature trend and the corresponding permutation entropy value of bearing 4 under working condition 2 (where the red and blue curves show the effect with or without Laplace regularizer, respectively)

    图  12  Bearing1-5轴承的检测结果

    Fig.  12  Detection results of bearing 1-5

    图  13  Bearing2-4轴承的检测结果

    Fig.  13  Detection results of bearing 2-4

    图  14  本文方法与LOF算法的检测结果对比图 (其中, 本文方法横坐标为序列编号(即样本号除以100), 标签值大于0表示样本识别为正常样本, 小于0表示识别为异常样本)

    Fig.  14  Comparative detection results between the proposed method and LOF algorithm (while x-coordinate of the proposed method denotes sequence number (equal to the sample number divided by 100), the label value greater than 0 means the corresponding sample is recognized as normal sample, else as anomaly)

    表  1  本文所用符号与对应描述

    Table  1  Symbols and corresponding descriptions used in this paper

    符号描述符号描述
    ${\cal D}{^{ s}}$源域${\cal D}{^{ t}}$目标域
    $W,b$自编码器的权重矩阵和偏置$f,g$激活函数
    ${s_c}$工况数量$m$监测数据的组数
    $X$数据矩阵$Y$标签矩阵
    ${\boldsymbol{x}}$单个样本$y$单个样本的标签
    $n$样本数量$H$特征矩阵
    $p$数据分布$W'$$W$的转置
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    表  2  XJTU-SY数据集中三种工况描述

    Table  2  Description of three working conditions in XJTU-SY dataset

    运行条件径向力 (kN)转速 (r/min)轴承数据集
    工况1122100Bearing 1_1 Bearing 1_2 Bearing 1_3 Bearing 1_4 Bearing 1_5
    工况2112250Bearing 2_1 Bearing 2_2 Bearing 2_3 Bearing 2_4 Bearing 2_5
    工况3102400Bearing 3_1 Bearing 3_2 Bearing 3_3 Bearing 3_4 Bearing 3_5
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    表  3  7种方法对比检测结果

    Table  3  Comparative detection results of seven methods

    检测方法Bearing1_5检测结果误报警数Bearing2_4检测结果误报警数
    BEMD-AMMA[25]111000
    局部异常值检测(LOF)[26]1096359621
    iFOREST[27]12501096013
    SDFM[28]115009800
    DAFD[18]1210011000
    SRD[29]117069652
    本文方法109009600
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-18
  • 录用日期:  2020-04-27
  • 网络出版日期:  2022-01-11
  • 刊出日期:  2022-01-20

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