本發(fā)明是關(guān)于一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的射頻超導(dǎo)腔熱失超模式在線分類方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)，涉及粒子加速器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、射頻超導(dǎo)腔（以下簡稱超導(dǎo)腔）因其低損耗和高梯度特性，非常適合在連續(xù)波或長脈沖模式下加速高平均流強(qiáng)束流。近年來，國內(nèi)外多個(gè)重大加速器項(xiàng)目將超導(dǎo)技術(shù)作為首選方案。然而，超導(dǎo)腔的工作帶寬通常有限在幾十到幾百赫茲，極窄帶寬使其在受到干擾時(shí)容易失諧，導(dǎo)致故障，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)字化低電平反饋控制系統(tǒng)以維持穩(wěn)定性。

2、熱失超是超導(dǎo)腔的一種嚴(yán)重故障，是指腔體表面產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致溫度超出臨界點(diǎn)。單個(gè)腔體的熱失超故障可迅速擴(kuò)散，造成群體性故障，嚴(yán)重影響束流運(yùn)行。熱失超會增加能耗，使腔體的無載品質(zhì)因素（ q0）和有載品質(zhì)因數(shù)（ ql）迅速下降，最終觸發(fā)機(jī)器故障。

3、近年來，以歐洲同步輻射實(shí)驗(yàn)室（desy）為代表的先進(jìn)加速器實(shí)驗(yàn)室通過判斷 ql的變化，成功實(shí)現(xiàn)了熱失超事件的準(zhǔn)確識別。然而，熱失超常表現(xiàn)為不同的行為模式，對應(yīng)不同的物理機(jī)制。根據(jù)近代物理研究所的超導(dǎo)直線加速器cafe2裝置上運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，熱失超事件可以分為三種不同的模式。常規(guī)熱失超通常具備偶發(fā)性，熱失超發(fā)生前（即 ql顯著變化前），腔壓及腔體入射、反射信號、動態(tài)腔體失諧及動態(tài) ql信號通常不會出現(xiàn)前兆。另一類熱失超事件又被稱為電失超致熱失超，主要特征是熱失超發(fā)生之前通常伴隨著電失超現(xiàn)象。電失超本身不同于熱失超，它是由場致發(fā)射（fe）引起的一類獨(dú)立的超導(dǎo)腔故障。一小部分電失超事件中的fe電子會轟擊腔壁，造成局部過熱并最終演化為熱失超。第三類熱失超事件發(fā)生前，超導(dǎo)腔的 ql會有一段時(shí)間的規(guī)律性被動。由于 ql的下降幅度遠(yuǎn)小于常規(guī)熱失超，這類失超又被稱為軟失超?？傊?，不同的熱失超事件可能對應(yīng)不同的物理機(jī)制，需要現(xiàn)場人員采取不同的處理措施。

4、綜上所述，盡管現(xiàn)有技術(shù)能夠識別熱失超事件，但是鑒于不同熱失超模式需采取不同的處理策略，亟需發(fā)展一種能夠在線區(qū)分熱失超模式的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的射頻超導(dǎo)腔熱失超模式在線分類方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱失超模式自動化在線分類，為加速器運(yùn)行人員提供秒量級的高準(zhǔn)確度故障信息反饋。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、第一方面，本發(fā)明提供的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的射頻超導(dǎo)腔熱失超模式在線分類方法，該方法包括：

4、獲取射頻超導(dǎo)腔的腔壓 vc和前向電壓 vf；

5、根據(jù)腔壓 vc和前向電壓 vf，計(jì)算腔壓幅度的預(yù)測值 rc，比較預(yù)測值 rc與實(shí)測腔壓幅度值 r的偏差 e；

6、基于實(shí)測腔壓幅度值 r和偏差 e分別提取特征 qid、 eid和 nsoft；

7、將提取的特征 qid、 eid和 nsoft輸入故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)故障分類，故障包括非熱失超故障和熱失超故障，熱失超故障包括常規(guī)熱失超、電失超致熱失超和軟失超。

8、進(jìn)一步地， qid用于區(qū)分熱失超事件與非熱失超事件，計(jì)算公式為：

9、

10、式中， e=| rc─ r|， tq為積分時(shí)間。

11、進(jìn)一步地， eid用于區(qū)分電失超事件， eid的計(jì)算公式為：

12、

13、式中，δ r[n]為腔壓幅度的差分信號，。

14、進(jìn)一步地， nsoft用于區(qū)分軟失超事件， nsoft特征統(tǒng)計(jì)偏差信號 e進(jìn)入下邊界和上邊界之間的次數(shù)。

15、進(jìn)一步地，故障診斷模型的訓(xùn)練利用隨機(jī)森林算法構(gòu)建故障診斷模型，使用網(wǎng)格搜索方法對模型超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

16、進(jìn)一步地，故障診斷模型的訓(xùn)練之前，還包括對熱失超事件進(jìn)行人工標(biāo)注的過程，包括：

17、基于動態(tài)有載品質(zhì)因數(shù) ql對熱失超與非熱失超事件通過區(qū)分，并進(jìn)行人工標(biāo)注；

18、當(dāng)發(fā)生熱失超事件，對熱失超模式進(jìn)行人工標(biāo)注：常規(guī)熱失超在發(fā)生熱失超之前沒有前兆，動態(tài)有載品質(zhì)因數(shù) ql曲線在熱失超之前沒有明顯異常；電失超致熱失超事件在熱失超之前，觀測到有電失超引起的腔壓幅度陡降；軟失超事件會引起動態(tài)有載品質(zhì)因數(shù) ql曲線呈現(xiàn)規(guī)律性的波動。

19、進(jìn)一步地，動態(tài)有載品質(zhì)因數(shù) ql的計(jì)算公式為：

20、

21、式中， ω0為腔體諧振頻率， ωh為腔體半帶寬。

22、第二方面，本發(fā)明還提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的射頻超導(dǎo)腔熱失超模式在線分類裝置，包括：

23、電壓信號模塊，被配置為獲取射頻超導(dǎo)腔的腔壓 vc和前向電壓 vf；

24、信號計(jì)算模塊，被配置為根據(jù)腔壓 vc和前向電壓 vf，計(jì)算腔壓幅度的預(yù)測值 rc，比較預(yù)測值 rc與實(shí)測腔壓幅度值 r的偏差 e；

25、基于實(shí)測腔壓幅度值 r和偏差 e分別提取特征 qid、 eid和 nsoft；

26、將提取的特征 qid、 eid和 nsoft輸入故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)故障分類，故障包括非熱失超故障和熱失超故障，熱失超故障包括常規(guī)熱失超、電失超致熱失超和軟失超。

27、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括：至少一個(gè)處理器；以及與所述處理器通信連接的存儲器；其中，所述存儲器存儲有可被所述處理器執(zhí)行的指令，所述指令被所述處理器執(zhí)行，以使所述處理器能夠執(zhí)行任一項(xiàng)所述的方法。

28、第四方面，本發(fā)明提供一種存儲一個(gè)或多個(gè)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行任一項(xiàng)所述的方法。

29、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下特點(diǎn)：

30、1、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)熱失超模式自動化在線分類，為加速器運(yùn)行人員提供秒量級的高準(zhǔn)確度故障信息反饋。

31、2、本發(fā)明使用的數(shù)據(jù)全部基于加速器運(yùn)行的故障數(shù)據(jù)，無需專門的測量實(shí)驗(yàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型的在線部署與調(diào)試均可以與束流并行運(yùn)行，無需要占用額外的機(jī)器運(yùn)行時(shí)間。

32、3、本發(fā)明通過讀取射頻故障信號，完成特征提取及機(jī)器學(xué)習(xí)分類。其中，射頻信號的采集、下變頻及基帶信號解調(diào)均可由通用的數(shù)字化低電平系統(tǒng)完成，數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取算法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型則可以部署在通用的上位機(jī)上，以上應(yīng)用均無需增加額外的硬件設(shè)備。

33、綜上，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于粒子加速器中。