Ин таҳқиқот муайянкунии барвақти нуқсонҳои хушкшавии мембрана, обхезӣ ва норасоии оксигенро дар ҳуҷайраҳои сӯзишвории мембранаи мубодилаи протонии навъи автомобилӣ (proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) танҳо бо истифода аз шиддатҳои ҳуҷайраҳои алоҳида меомӯзад. Муҳаққиқон 46.896 намунаеро, ки аз бастаи таҷрибавии даҳҳуҷайрагии ҳуҷайраи сӯзишворӣ гирифта шудаанд, истифода бурда; модели DPICC-ро таҳия кардаанд, ки усули муайянсозии хусусият барои интихоби ҳуҷайраи дорои барвақттарин ва возеҳтарин таназзулро бо кластербандии консенсусии бар DenseNet асосёфта ва аз донишҳои физикӣ огоҳ муттаҳид мекунад. Дақиқии санҷиш бо хусусиятҳои ҳуҷайраи алоҳида %98,15 буд, дар ҳоле ки бо шиддати миёнаи баста дақиқӣ %86,42-ро ташкил дод. Дар шароити обхезӣ сигнали ҳуҷайраи алоҳида нисбат ба миёнаи баста то 35 сония барвақттар аломати нуқсон дод. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот препринтест, ки танҳо ба нуқсонҳои назоратшавандаи дар стенди лаборатории даҳҳуҷайрагӣ ба вуҷуд овардашуда асос ёфта, аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст.

DPICC рамзгузори хусусиятҳои бо пайвастҳои зичро бо матритсаи консенсусие муттаҳид мекунад, ки аз натиҷаҳои K-means, Mini-batch K-means ва Кластербандии амиқи дарунсохт (Deep Embedded Clustering, DEC) сохта шудааст. Дар модел шумораи ками намунаҳои барчаспдор роҳнамоии синфиро таъмин мекунанд, дар ҳоле ки тақрибан %90-и намунаҳо бе барчасп ҳисобида шудаанд. Оғозкунии марказҳои кластер бо донишҳои физикӣ, ҷарима кардани эҳтимолияти ба синфҳои аз ҷиҳати физикӣ номумкин додашуда ва ислоҳи натиҷаҳои санҷиш бо минтақаҳои иҷозатпазирии физикӣ механизми сесатҳии аз физика огоҳи моделро ташкил медиҳанд.

Дар таҷрибаҳои аблятсионии марҳилавӣ дақиқии сохтори классикии кластербандӣ %56,17 буд, дар ҳоле ки конфигуратсияи пурраи DPICC ба дақиқии %98,05 расид. Дар муқоисаи мустақили усулҳо DPICC %98,15; мошини векторҳои дастгирӣ %92,12; Propagate %90,21; Aggressive %89,77; автоэнкодери ҷамъшудаи бартарафкунандаи садо %87,34 ва DenseNet-DEC тақрибан %79,13 дақиқӣ нишон доданд. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки омӯзиши намояндагие, ки бо донишҳои физикӣ маҳдуд шудааст, метавонад омехташавии синфҳоро дар маълумоти таҷрибавии назоратшаванда коҳиш диҳад; аммо чунин самаранокӣ ҳанӯз дар паркҳои воқеии автомобилӣ, андозаҳои гуногуни баста ва системаҳои гуногуни сенсорӣ нишон дода нашудааст.

Арзёбӣ дар заминаи Туркия: Ин равиш метавонад ба таҳияи нармафзори огоҳкунии барвақти сатҳи ҳуҷайра барои автомобилҳои дорои ҳуҷайраи сӯзишвории гидрогенӣ, автобусҳо, воситаҳои нақлиёти таъиноти махсус ва системаҳои қувваи собит саҳми методӣ гузорад. Ин арзёбӣ натиҷаи мустақими таҳқиқот оид ба Туркия нест. Модел бояд дар бастаҳои ҳуҷайраи сӯзишвории дар Туркия истифодашаванда, давраҳои ронандагӣ, шароити ҳарорату намӣ, таҷҳизоти ҷамъоварии маълумот ва амалияҳои нигоҳдорӣ мустақилона аз нав омӯзонида ва санҷида шавад.

Масъалаи асосии таҳқиқот чист?

Бастаи ҳуҷайраи сӯзишвории PEM аз шумораи зиёди ҳуҷайраҳои алоҳидае иборат аст, ки аз ҷиҳати электрикӣ пайдарпай пайваст шудаанд. Шиддати баромади баста рафтори ҷамъӣ ё миёнаи ҳамаи ҳуҷайраҳоро ифода мекунад. Аммо нуқсон дар оғоз метавонад танҳо дар як ё чанд ҳуҷайрае пайдо шавад, ки тақсимоти газашон суст, ҳарораташон фарқкунанда ё идоракунии обашон вайрон шудааст. Вақте ки шиддати ҳуҷайраҳои муқаррарӣ ин коҳиши маҳаллиро дар арзиши миёна суст мекунад, низоми ташхисие, ки ба шиддати баста такя мекунад, метавонад нуқсонро дер муайян намояд.

Саволи асосии таҳқиқот чунин аст: Оё нуқсони маҳаллиеро, ки ҳанӯз дар миёнаи баста возеҳ нашудааст, бо пайгирии рушди шиддати ҳассостарин ҳуҷайраи алоҳида барвақттар ва дақиқтар тасниф кардан мумкин аст? Саволи дуюм ин аст, ки ҳангоми мавҷуд будани шумораи хеле ками намунаҳои барчаспдор, оё бо ворид кардани донишҳо дар бораи рафтори физикии ҳуҷайраи сӯзишворӣ ба раванди кластербандии амиқ устувории моделро зиёд кардан мумкин аст ё не.

Холигии ҳадафгирифташуда дар адабиёт

Дар таҳқиқот се холигии асосӣ муайян шудааст:

• Усулҳои асосёфта ба шиддати баста фарқиятҳои байни ҳуҷайраҳо ва оғози нуқсонҳои маҳаллиро ба қадри кофӣ ифода намекунанд,
• Усулҳои анъанавии кластербандӣ асосан танҳо ба монандии ададии намунаҳо такя мекунанд ва таъиноти синфҳои аз ҷиҳати физикӣ номумкинро пешгирӣ намекунанд,
• Эҷоди намунаҳои нуқсони барчаспдор дар шароити воқеии автомобилӣ гарон, душвор ва барои баъзе нуқсонҳо дорои хатарҳои барнагардониданист.

Муҳаққиқон ин холигиҳоро бо механизми пешкоркард, ки аз шиддатҳои ҳуҷайраҳои алоҳида ҳуҷайраи калидиро интихоб мекунад, ва модели кластербандии амиқи нимназоратшавандаи аз физика огоҳ ба таври ҳамзамон баррасӣ мекунанд.

Ҷараёни кори DPICC чӣ гуна амал мекунад?

Расми 1 усулро дар се қабати асосӣ нишон медиҳад. Дар қабати якум шиддатҳои ҳуҷайраҳои алоҳида, ки аз стенди таҷрибавӣ гирифта шудаанд, коркард шуда, ҳуҷайрае муайян мешавад, ки таназзули возеҳтаринро нишон медиҳад. Дар қабати дуюм рамзгузори аз DenseNet илҳомгирифта ин хусусиятҳои шиддатро ба фазои дарунсохти камандоза мегузаронад. Қисмбандиҳои аз ҷониби K-means, Mini-batch K-means ва DEC ҳосилшуда дар матритсаи консенсус муттаҳид мешаванд. Дар қабати сеюм оғозкунии маркази кластер, маҳдудияти мутобиқат ҳангоми омӯзиш ва санҷиши иҷозатпазирӣ ҳангоми тест бо донишҳои физикӣ роҳнамоӣ мешаванд.

Дар Расми 2 ҷараёни муайянсозии ҳуҷайраи калидӣ тавассути ҳадҳои шиддат, устувории рейтинг, пайвастагии замонӣ ва механизми бозгашти бисёрсатҳӣ нишон дода шудааст. Ҳадаф он аст, ки ба ҷойи нишонагузории як ҷаҳиши тасодуфии шиддат ҳамчун оғози нуқсон, таназзул дар як ҳуҷайраи муайян ба қадри кофӣ тӯлонӣ ва пайваста мушоҳида шавад.

Фарқи шиддати ҳуҷайраи алоҳида чӣ гуна ҳисоб мешавад?

Шиддати ҳуҷайраи рақами a дар лаҳзаи t ҳамчун v_a(t), ва шиддати миёнаи ҳуҷайраҳо ҳамчун v̄(t) таъриф шудааст. Тамоюли мутлақи ҳуҷайра аз миёна бо муносибати зерин ҳисоб мешавад:

\[ \Delta v_a(t)=|\bar{v}(t)-v_a(t)|,\qquad \Delta v_a(t)\geq\delta_{\mathrm{thr}} \]

Δv_a(t) фарқи маҳаллии шиддати байни ҳуҷайраҳоро бо воҳиди волт, ва δ_thr ҳади қарорро нишон медиҳад. Вақте ки ҳуҷайра аз миёна ба қадри кофӣ дур мешавад, он ҳамчун ҳуҷайраи эҳтимолан ғайримуқаррарӣ қайд мегардад.

Барои чен кардани он ки фарқи шиддат нисбат ба тақсимоти табиии дохили баста то чӣ андоза ғайриодӣ аст, нишондиҳандаи стандартшуда истифода шудааст:

\[ r_a(t)=\frac{|\bar{v}(t)-v_a(t)|}{\sigma_v(t)},\qquad r_a(t)\geq r_{\mathrm{thr}} \]

σ_v(t) инҳирофи стандартии шиддатҳои ҳуҷайраҳои алоҳида дар ҳамон лаҳза мебошад. Вақте ки қимати r_a(t) ба 2 баробар аст, шиддати ҳуҷайра тақрибан ду инҳирофи стандартӣ берун аз тақсимоти мавҷуда ҳисобида мешавад.

Дар таҳқиқот шиддати миёнаи ҳуҷайра чунин дода шудааст:

\[ \bar{v}(t)=\frac{V(t)}{a} \]

V(t) шиддати баста аст. Бо вуҷуди ин, дар матн a қаблан барои рақами тартибии ҳуҷайра низ истифода мешавад. Ҳол он ки дар махраҷи ҳисоби миёна шумораи умумии ҳуҷайраҳо бояд бошад, истифодаи ҳамон рамз норавшании ишоратӣ ба вуҷуд меорад; ин масъала дар таҳқиқот хомӯшона ислоҳ нашудааст.

Ҷаҳишҳои тасодуфии шиддат чӣ гуна хориҷ карда мешаванд?

Талаб мешавад, ки як ҳуҷайра дар байни бадтарин рейтингҳои шиддат дар ω намунаи охирин ҳадди ақал γ_thr маротиба пайдо шавад:

\[ \sum_{t=t_{\mathrm{key}}^{(a)}-\omega+1}^{t_{\mathrm{key}}^{(a)}}I(\mathrm{rank}(t)\in\mathrm{worst})\geq\gamma_{\mathrm{thr}} \]

I функсияи нишондиҳандаест, ки агар шарт дуруст бошад 1 ва дар акси ҳол 0 мегирад. t_key^(a) вақти оғози таназзул дар ҳуҷайра, ва worst фосилаи бадтарин рейтингҳои ҳуҷайраҳо мебошад.

Иҷро шудани ин шарт танҳо дар як равзана кофӣ ҳисобида нашудааст; талаб шудааст, ки он дар тӯли k_thr намунаи пайдарпай нигоҳ дошта шавад:

\[ \forall t\in\{t_{\mathrm{key}}^{(a)},\ldots,t_{\mathrm{key}}^{(a)}+k_{\mathrm{thr}}-1\},\quad \sum_{t'=t}^{t+k_{\mathrm{thr}}-1}I(\mathrm{rank}(t')\in\mathrm{worst})\geq\gamma_{\mathrm{thr}} \]

Азбаски басомади намунагирӣ 4 Hz ва ҳади пайвастагӣ 6 намуна аст, арзёбӣ тақрибан 1,5 сония рафтори бефосиларо фаро мегирад. Бо ин роҳ кӯшиш шудааст, ки фаъолшавии бардурӯғи нуқсон аз тағйироти кӯтоҳмуддати бор ё ҷаҳишҳои сенсор кам карда шавад.

Номувофиқатӣ дар қиматҳои ҳадӣ

Дар як қисми таҳқиқот ҳадҳо ҳамчун δ_thr=0,03, r_thr=2, γ_thr=5 ва k_thr=6 дода шудаанд. Аммо дар шарҳи фавран баъдӣ навишта шудааст, ки ҳалнокии ченкунии шиддат 0,001 V буда, қимати δ_thr ҳамчун 0,003 интихоб шудааст. Азбаски байни 0,03 V ва 0,003 V фарқи даҳкарата вуҷуд дорад, ҳади воқеии татбиқро аз рӯи матн ба таври қатъӣ муайян кардан имконнопазир аст.

Механизми бозгашти бисёрсатҳӣ

Вақте ки ҳадҳои собит таназзулҳои заифро гирифта наметавонанд, модел маҳдудиятҳоро тадриҷан нарм мекунад. Дар сатҳи заифтарини таназзул, инҳирофи мутлақи медианӣ ва инҳирофи стандартӣ якҷоя истифода мешаванд:

\[ MAD_a=1.4826\cdot\mathrm{median}(|x_a-\mathrm{median}(x_a)|) \]

x_a пайдарпаии шиддати ҳуҷайра дар равзанаи муайяни вақт аст. Инҳирофи мутлақи медианӣ нисбат ба инҳирофи стандартӣ аз ҷаҳишҳои ягона камтар таъсир мегирад.

\[ Std_a=\sqrt{\mathrm{mean}[(x_a-\mathrm{mean}(x_a))^2]} \]

Инҳирофи стандартӣ паҳншавии тақсимоти шиддатро дар атрофи миёна нишон медиҳад ва аз қиматҳои канории ногаҳонӣ бештар таъсир мегирад.

\[ R_a=\frac{MAD_a}{Std_a} \]

Муҳаққиқон қимати баланди R_a-ро ҳамчун нишонаи он шарҳ додаанд, ки рафтори ҳуҷайра ба ҷойи ҷаҳишҳои тасодуфӣ тамоюли устувортари таназзул дорад, ва ҳуҷайраи дорои қимати баландтаринро ҳамчун номзади ҳуҷайраи калидӣ интихоб кардаанд.

Кластербандии консенсусӣ чӣ кор мекунад?

Як алгоритми кластербандӣ метавонад дар қиматҳои ибтидоии гуногун ё ҳангоми вайроншавии маълумот натиҷаҳои гуногун диҳад. Аз ин рӯ DPICC қисмбандиҳои се усули ҷудогонаро муттаҳид мекунад. Агар ҷуфти намунаҳо дар як кластер бошанд, нишондиҳандаи ҳамкластерӣ 1 ва агар дар кластерҳои гуногун бошанд 0 гирифта мешавад:

\[ C_{ij}^{(m)}= \begin{cases} 1,& i\ \mathrm{ve}\ j\ m.\ \mathrm{bölümde\ aynı\ kümedeyse}\\ 0,& \mathrm{aksi\ durumda} \end{cases} \]

Миёнаи якчанд қисмбандӣ матритсаи консенсусро ташкил медиҳад:

\[ C_{ij}=\frac{1}{M}\sum_{m=1}^{M}C_{ij}^{(m)},\qquad C_{ij}\in[0,1],\quad C_{ii}=1 \]

Ҳар қадар C_ij ба 1 наздик шавад, ҳамон қадар маълум мегардад, ки ду намуна дар алгоритмҳо ва такрорҳои гуногун пайваста ба як кластер таъин шудаанд. K-means сохтори глобалии масофаро, Mini-batch K-means навсозиҳои тасодуфии камхарҷтар аз ҷиҳати ҳисоббарорӣ, ва DEC сохтори ғайрихаттии синфҳоро дар фазои дарунсохти амиқ ифода мекунад.

Талафоти таснифоти нимназоратшаванда

Намунаҳои барчаспдор бо энтропияи салибӣ ва намунаҳои бе барчасп танҳо вақте ба омӯзиш бо барчаспҳои псевдоӣ дохил мешаванд, ки эътимоди модел аз ҳади муайян гузарад:

\[ L_{\mathrm{scl}}= -\sum_{i\in L}\sum_{c=1}^{k}I(y_i=c)\log p_i(c) -\alpha_W\sum_{i\in W}I(\max_c p_i(c)\geq\tau)\log p_i(\hat{s}_i) \]

\[ \hat{s}_i=\arg\max_c p_i(c) \]

L маҷмӯи намунаҳои барчаспдор, W маҷмӯи намунаҳои бе барчасп; p_i(c) эҳтимолияти пешгӯишудаи тааллуқ доштани намуна ба синфи c; τ ҳади эътимод ва α_W вазни талафоти барчаспи псевдоиро нишон медиҳад. Ин сохтор ҳадаф дорад таъсири барчаспҳои псевдоии камэътимодро, ки метавонанд омӯзишро вайрон кунанд, маҳдуд намояд.

Сохтори худомӯзии DEC

DEC вобаста ба масофаи байни намуна ва маркази кластер аъзогии нармро бар асоси тақсимоти Student-t ҳосил мекунад:

\[ q_{ij}= \frac{(1+\|r_i-\mu_j\|^2/\alpha)^{-(\alpha+1)/2}} {\sum_k(1+\|r_i-\mu_k\|^2/\alpha)^{-(\alpha+1)/2}} \]

μ_j маркази кластер ва α гиперпараметри дараҷаи озодиро нишон медиҳад. Дар шарҳҳои қаблӣ вектори дарунсохт z_i номида шудааст, аммо истифодаи r_i дар ин формула як номувофиқатии дигари ишоратӣ мебошад.

Аъзогии нарми умумии ҳар кластер ва тақсимоти ҳадаф чунин дода шудаанд:

\[ f_j=\sum_i q_{ij} \]

\[ p_{ij}=\frac{q_{ij}^2/f_j}{\sum_k(q_{ij}^2/f_k)} \]

Дар формулаи чопшуда индексҳои кластер дар махраҷ ба таври равшан ва мутобиқ ҷудо карда нашудаанд. Ҳадафи DEC зиёд кардани вазни намунаҳои боэътимод ва кам кардани номувозинии байни кластерҳост.

Фарқи байни тақсимоти ҳадаф ва аъзогии нарми ҷорӣ бо дивергенсияи Kullback–Leibler кам карда мешавад:

\[ L_{\mathrm{cluster}}=KL(P\parallel Q)=\sum_i\sum_j p_{ij}\log\frac{p_{ij}}{q_{ij}} \]

Вектори хусусиятҳои физикӣ ва талафоти мутобиқат

Барои ҳар равзанаи вақт вектори нишондиҳандаҳои физикии чорҷузъа сохта мешавад:

\[ \xi_i=[ \mathrm{mean}(\Delta v_a(t)), \mathrm{mean}(r_a(t)), Std(v_a(t)), \max|v_a(t)-v_a(t-1)| ] \]

• Фарқи миёнаи шиддат: Дурии умумии ҳуҷайраи калидӣ аз миёнаи баста,
• Фарқи миёнаи стандартшуда: Дараҷаи ғайриодӣ будани инҳироф нисбат ба тақсимоти ҷории ҳуҷайраҳо,
• Инҳирофи стандартии шиддат: Шиддати тағйирпазирӣ дар дохили равзана,
• Бузургтарин тағйири пайдарпай: Амплитудаи ҷаҳиши кӯтоҳмуддати шиддат.

Барои ҳар синф аз фосилаҳои хусусиятҳои физикӣ дар маълумоти омӯзишӣ минтақаи иҷозатпазир сохта мешавад:

\[ F_i=\{c\mid\xi_i\in\Omega^c\} \]

\[ L_{\mathrm{phys}}=\frac{1}{|b|}\sum_{i\in b}\sum_{c\notin F_i}p_i(c) \]

F_i синфҳоеро, ки намуна метавонад аз ҷиҳати физикӣ ба онҳо мувофиқ бошад; Ω^c минтақаи физикии синф ва b гурӯҳи ҷории омӯзишро нишон медиҳад. Вақте ки модел ба синфи аз ҷиҳати физикӣ ғайриимкон эҳтимолияти баланд медиҳад, талафот зиёд мешавад.

Талафоти гуногунӣ барои пешгирии фурӯпошии кластер

Барои пешгирӣ аз наздик шудани марказҳои кластер ва ҷамъшавии онҳо дар як минтақа, танзимгарии телаанда истифода шудааст:

\[ L_{\mathrm{div}}= \frac{2}{k(k-1)} \sum_{i=1}^{k}\sum_{j=i+1}^{k} \exp(-2\|\mu_i-\mu_j\|_2) \]

Вақте ки марказҳо ба ҳам наздик мешаванд, ҳади экспоненсиалӣ калон шуда, модел ҷарима мегирад. Ҳадаф нигоҳ доштани ҷудоии чор ҳолати корӣ дар фазои дарунсохт мебошад.

Талафоти умумии омӯзиш

Чор ҳади талафот ба таври вазндор муттаҳид карда мешаванд:

\[ L=\lambda_1L_{\mathrm{scl}}+\lambda_2L_{\mathrm{cluster}}+ \lambda_3L_{\mathrm{phys}}+\lambda_4L_{\mathrm{div}} \]

\[ \hat{\theta}_{en},\hat{\theta}_{cls},\hat{\mu}_i= \arg\min_{\theta_{en},\theta_{cls},\mu_i} L(\theta_{en},\theta_{cls},\mu_i) \]

θ_en рамзгузор, θ_cls сари таснифот ва μ_i параметрҳои маркази кластер мебошанд. λ₁–λ₄ таъсири ҳар ҷузъи талафотро муайян мекунанд.

Механизми сесатҳии аз физика огоҳ

1. Оғозкунии марказҳои кластер бо донишҳои физикӣ

Маркази кластер бо истифода аз маркази синф аз шумораи ками намунаҳои барчаспдор, маркази K-means аз рӯи тамоми маълумот ва маркази интихобшуда аз намунаҳои аз ҷиҳати физикӣ иҷозатпазир сохта мешавад:

\[ \mu_i=\lambda_l\mu_{\mathrm{lab}}+ \lambda_k\mu_{\mathrm{kmeans}}+ \lambda_p\mu_{\mathrm{phy}} \]

Ин амал ҳадаф дорад хавфи он ки оғозкуниҳои тасодуфӣ моделро ба ҳалли маҳаллии аз ҷиҳати физикӣ бемаънӣ баранд, кам кунад.

2. Мутобиқати физикӣ ҳангоми омӯзиш

Эҳтимолияте, ки ба синфҳои номувофиқ бо вектори хусусиятҳои физикӣ дода мешавад, тавассути талафоти L_phys кам карда мешавад. Ҳамин тавр кӯшиш шудааст, ки синфи нуқсоне, ки бо инҳирофи шиддат, тағйирпазирӣ ва ҷаҳишҳо мувофиқат намекунад, танҳо аз сабаби монандии ададӣ интихоб нашавад.

3. Санҷиши иҷозатпазирии физикӣ ҳангоми тест

Тақсимоти овоздиҳие, ки бо афзоишдиҳии вақти тест гирифта шудааст, бори охир дар якҷоягӣ бо маҷмӯи синфҳои аз ҷиҳати физикӣ иҷозатпазир санҷида мешавад:

\[ s_i= \begin{cases} \tilde{s}_i,& \tilde{s}_i\in F_i\ \mathrm{ve}\ \max_c p_i(c)\geq\theta\\ \arg\max_{c\in F_i}p_i(c),& \mathrm{aksi\ durumda} \end{cases} \]

s̃_i пешгӯии аввалия, s_i натиҷаи ислоҳшуда ва θ ҳади эътимод аст. Агар пешгӯии аввалия ба қадри кофӣ боэътимод ва аз ҷиҳати физикӣ имконпазир бошад, он нигоҳ дошта мешавад; дар акси ҳол эҳтимолияти баландтарин танҳо аз байни синфҳои иҷозатпазир интихоб мегардад.

Дастгоҳи таҷрибавӣ чиро ифода мекунад?

Дар Расми 3 вуруд ва хуруҷи гидроген, хатти ҳаво, низоми намноккунӣ, вуруд ва хуруҷи сардкунанда, бори электронӣ, компютери назоратӣ ва бастаи даҳҳуҷайрагии PEMFC нишон дода шудаанд. Баста бо оби деионизатсияшудае, ки аз каналҳои сардкунӣ мегузарад, гарм ё сард карда шуда; намии дохилӣ бо зарфи намноккунӣ танзим шудааст.

Масоҳати фаъоли ҳар ҳуҷайра 347 cm² аст. Ғафсии мембрана 12 µm ва ғафсии қабати диффузияи газ 190 µm дода шудааст. Гуфта мешавад, ки ин масоҳати фаъоли калон миқёси муҳандисии шабеҳ ба татбиқҳои автомобилӣ фароҳам меорад; аммо баста танҳо аз даҳ ҳуҷайра иборат аст.

Кадом нуқсонҳо ба вуҷуд оварда шуданд?

• N — Ҳолати муқаррарӣ: Ҳарорати истинодӣ, намии нисбӣ ва стехиометрияи газ,
• F1 — Хушкшавии мембрана: Паст кардани намии нисбӣ то %0 ва баланд кардани ҳарорат,
• F2 — Обхезӣ: Баланд кардани намии нисбӣ то %70 ва паст кардани ҳарорати баста,
• F3 — Норасоии оксиген: Кам кардани таносуби стехиометрии ҳавои катод.

Зичиҳои ҷараён барои бори паст, миёна ва баланд мутаносибан 0,58 A/cm², 1,15 A/cm² ва 1,80 A/cm² муқаррар шудаанд. Шиддатҳо бо ҳалнокии 0,001 V ва басомади намунагирии 4 Hz сабт шудаанд.

Чаро сигнали ҳуҷайраи алоҳида барвақттар огоҳӣ дод?

Расми 4 шиддати миёнаи баста ва шиддати ҳуҷайраи калидии интихобшударо дар нӯҳ комбинатсияи гуногуни бор–нуқсон муқоиса мекунад. Ҳангоми хушкшавии мембрана талафи намӣ ва қутбишавии маҳаллӣ дар ҳуҷайраи заиф аввал шиддати ҳуҷайраи алоҳидаро паст мекунад. Ҳангоми обхезӣ басташавии фосилавии канали маҳаллӣ ё қабати диффузияи газ бо оби моеъ дар сатҳи ҳуҷайра аломатҳои возеҳи шакли “коҳиши ногаҳонӣ–барқароршавӣ–коҳиши дубора”-ро ба вуҷуд меорад. Азбаски ҳуҷайраҳои дигар истеҳсоли муқаррариро идома медиҳанд, ин аломатҳо дар миёнаи баста суст мешаванд.

Азбаски норасоии оксиген қутбишавии консентратсионии тезтар ва таъсиркунандаро дар сатҳи тамоми баста ба вуҷуд меорад, фарқи вақт байни ҳуҷайраи алоҳида ва миёнаи баста танҳо дар сатҳи 0,5–1 сония боқӣ мондааст. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки сигнали ҳуҷайраи алоҳида барои ҳар навъи нуқсон ба як андоза бартарӣ надорад.

Вақтҳои муайянкунии нуқсон чиро нишон медиҳанд?

35 сонияи дар Ҷадвали 5 додашуда бузургтарин қимати муайянкунии барвақт аст, ки дар таҳқиқот аз ҷиҳати ададӣ дастгирӣ мешавад. Аммо барои хушкшавии мембрана дар ҷараёни паст амали 1830,5−1811,0 ба 19,5 сония баробар аст, дар ҳоле ки дар ҷадвал 17,5 сония навишта шудааст. Барои хушкшавии мембрана дар ҷараёни баланд амали 1822,5−1810,5 ба 12,0 сония баробар аст; дар ҷадвал 12,5 сония дода шудааст. Ибораи “тақрибан 37 сония” дар қисми хулоса низ бо Ҷадвали 5 ва хулосаи кӯтоҳ мувофиқат намекунад.

Дақиқии ташхис бо шиддати ҳуҷайраи алоҳида ва баста

Дар Расми 5 ҳамон модели DPICC бо ду вуруди гуногун муқоиса шудааст. Дақиқии умумӣ бо хусусиятҳои ҳуҷайраи алоҳида %98,15 ва бо шиддати миёнаи баста %86,42 мебошад. Фарқ 11,73 банди фоизиро ташкил медиҳад.

Бузургтарин талаф дар миёнаи баста ҳангоми хушкшавии мембрана мушоҳида шудааст. Ин ҳолат ба он нисбат дода шудааст, ки хушкшавии маҳаллӣ дар марҳилаи аввал танҳо дар ҳуҷайраҳои заиф пайдо мешавад ва баромади ҳуҷайраҳои муқаррарӣ тағйироти шиддати миёнаро пахш мекунад.

Таҷрибаи аблятсионии марҳилавӣ чиро нишон медиҳад?

Аз M1 то M7 ҳафт конфигуратсия истифода шудаанд. Гарчанде дар матн онҳо “шаш вариант” номида шудаанд, фосилаи M1–M7 ҳафт моделро дар бар мегирад.

Фарқи байни M4 ва M7 16,60 банди фоизӣ аст. Ин қимат бурди умумиест, ки муҳаққиқон ба механизми сесатҳии аз физика огоҳ нисбат медиҳанд. Дар диаграммаҳои қуттӣ, ки бо даҳ оғозкунии тасодуфии гуногун сохта шудаанд, на танҳо дақиқии миёнаи M7 баланд шудааст, балки паҳншавӣ ва натиҷаҳои канории он низ тангтар шудаанд.

Муқоиса бо алгоритмҳои дигар

DPICC нисбат ба SVM 6,03 банди фоизӣ; нисбат ба Propagate 7,94; нисбат ба усули Aggressive 8,38 ва нисбат ба SDAE 10,81 банди фоизӣ дақиқии баландтар нишон додааст. Дар қисми хулоса инчунин бартарии 12,81 банд нисбат ба KNN навишта шудааст; аммо азбаски усули KNN дар тарҳи муқоиса, Расми 7 ё шарҳи марбут ба усул вуҷуд надорад, ин қиматро аз таҷрибаҳои пешниҳодшуда мустақилона санҷидан мумкин нест.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Истифодаи фарқиятҳои фазоии байни ҳуҷайраҳо ба ҷойи танҳо шиддати умумии баста,
• Санҷидани се сатҳи бор ва се навъи нуқсон дар стенди таҷрибавии назоратшаванда,
• Пайгирии гузариш аз ҳолати муқаррарӣ ба нуқсон дар тӯли вақт,
• Анҷом додани ҷудокунии маълумот дар сатҳи такрори таҷриба, на равзанаи намуна, ва кам кардани ихроҷи маълумоте, ки аз ҳамсоягии замонӣ ба вуҷуд омада метавонад,
• Моделсозии ошкори шароити маълумоти камбарчасп,
• Гузаронидани таҷрибаҳои аблятсионии марҳилавӣ, ки саҳми ҳар модулро нишон медиҳанд,
• Маҳдуд кардани қарорҳои модел бо нишондиҳандаҳои физикӣ чун инҳироф, тағйирпазирӣ ва ҷаҳиши шиддат.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Таҳқиқот препринтест, ки аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст.
• Таҷрибаҳо на дар парки воқеии автомобилӣ, балки дар стенди лаборатории даҳҳуҷайрагӣ анҷом дода шудаанд.
• Нуқсонҳо бо тағйири назоратшавандаи ҳарорат, намӣ ва таносубҳои стехиометрӣ ба вуҷуд оварда шудаанд; онҳо метавонанд ҳамаи нуқсонҳои саҳроиро ифода накунанд.
• Санҷиши беруна дар истеҳсолкунандагони гуногуни баста, шумораи гуногуни ҳуҷайраҳо, дараҷаҳои пиршавӣ ва системаҳои сенсорӣ пешниҳод нашудааст.
• Модел аз ҷиҳати вақти ҳисоб, истифодаи хотира ё масрафи энергия дар таҷҳизоти дарунсохти вақти воқеӣ арзёбӣ нашудааст.
• Ҳолатҳое, ки пиршавии дарозмуддати электрохимиявӣ бо нуқсонҳои ногаҳонии идоракунии обу газ якҷо мавҷуданд, омӯхта нашудаанд.
• Дар ҳадҳо, рамзҳо, фарқҳои вақт ва натиҷаҳои муқоиса чанд номувофиқатии дохилиматнӣ мавҷуд аст.
• Минтақаҳои иҷозатпазирии физикӣ аз фосилаҳои омории маълумоти омӯзишӣ ҳосил шудаанд; онҳо пурра ба муодилаҳои мустақили физикаи бунёдӣ асос наёфтаанд.
• Талаботи тақрибан %10 маълумоти барчаспдор боқӣ мемонад; усул комилан бе барчасп нест.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Дар шароити таҷрибавии омӯхташуда хусусиятҳои шиддати ҳуҷайраи алоҳида нисбат ба шиддати миёнаи баста маълумоти барвақттар ва фарқкунандаи нуқсонро дар бар доштанд.
• Маҳдудиятҳои аз физика огоҳ дақиқии кластербандии амиқ ва устувории натиҷаҳоро дар ҳамон маҷмӯи маълумот баланд карданд.
• Сохтори нимназоратшаванда бо намунаҳои ками барчаспдор ва бисёр намунаҳои бе барчасп тавонист чор ҳолати кориро бо дақиқии баланд ҷудо кунад.
• Дар нуқсони обхезӣ бартарии огоҳкунии барвақти шиддати маҳаллии ҳуҷайра махсусан возеҳ буд.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки DPICC дар ҳамаи бастаҳои ҳуҷайраи сӯзишвории автомобилӣ дақиқии бештар аз %98 медиҳад.
• Ҳамон вақти огоҳкунии барвақтро дар шароити воқеии роҳ, иқлим, ларзиш, пиршавӣ ва нигоҳдорӣ нишон намедиҳад.
• Нишон намедиҳад, ки модел нуқсонро пешгирӣ мекунад, умри ҳуҷайраи сӯзишвориро дароз мекунад ё бехатарии автомобилро мустақиман зиёд менамояд.
• Нишон намедиҳад, ки шиддати ҳуҷайраи алоҳида дар ҳамаи навъҳои нуқсон аз шиддати баста ба таври назаррас барвақттар аст; дар норасоии оксиген фарқ хеле хурд аст.
• Исбот намекунад, ки маҳдудиятҳои физикӣ механизмҳои воқеии электрохимиявиро пурра ифода мекунанд.
• Далеле оид ба татбиқи онлайнии миқёси тиҷоратӣ, хароҷот, устувории сенсор ё сертификатсияи саноатӣ пешниҳод намекунад.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Бастаи таҷрибавӣ ва ҷамъоварии маълумот

Шароити бор ва нуқсон

Эҷоди намуна ва ҷудокунии маълумот

Ҳар таҷриба аввал бо 1800 сония кори устувори муқаррарӣ оғоз шуда, сипас тағйирёбандаҳои идоракунӣ тағйир дода шуда, тадриҷан ба ҳолати нуқсон гузаронида шудааст. Дар маҷмӯъ 46.896 намуна эҷод шудааст.

Маълумот ба %70 омӯзиш ва %30 тест ҷудо шудааст. Ҳамон такрори таҷриба ва равзанаҳои замонии ба ҳам наздик танҳо ба гурӯҳи омӯзиш ё танҳо ба гурӯҳи тест таъин шудаанд. Ин интихоб ихроҷи иттилоотро, ки метавонад аз тақсим кардани намунаҳои аз ҷиҳати вақт хеле монанд ба ду гурӯҳ ба вуҷуд ояд, кам мекунад.

Тартиби омӯзиши нимназоратшаванда

• Таносуби намунаҳои барчаспдор–бе барчасп: 1:9,
• Ҳиссаи тахминии намунаҳои барчаспдор: %10,
• Оптимизатор дар моделҳои амиқ: Adam,
• Суръати омӯзиш: 0,001,
• Андозаи мини-гурӯҳ: 128,
• Шумораи оғозкуниҳои тасодуфӣ дар таҷрибаи аблятсионии марҳилавӣ: 10.

Ҳуҷайраҳои калидии интихобшуда вобаста ба бор ва нуқсон

Тағйир ёфтани ҳуҷайраи калидӣ вобаста ба нуқсон ва шароити бор нишон медиҳад, ки тақсимоти газ, об, ҳарорат ва ҷараён дар дохили баста аз ҷиҳати фазоӣ яксон нест. Таҳқиқот даъво намекунад, ки як ҳуҷайраи муайян дар ҳамаи шароитҳо доимо заифтарин ҳуҷайра аст.

Натиҷаҳои асосӣ

• Дақиқии умумии тест бо вуруди шиддати ҳуҷайраи алоҳида %98,15 ва бо шиддати миёнаи баста %86,42 буд.
• Бартарии дақиқии вуруди ҳуҷайраи алоҳида 11,73 банди фоизӣ аст.
• Бузургтарин бартарии барвақт муайянкунӣ, ки аз ҷиҳати ададӣ тасдиқ мешавад, дар шароити обхезӣ бо ҷараёни баланд 35 сония аст.
• Дар хушкшавии мембрана аломати ҳуҷайраи алоҳида тақрибан 12–20 сония барвақттар пайдо шуд; баъзе қиматҳои фарқ дар матн аз ҷиҳати арифметикӣ номувофиқанд.
• Дар норасоии оксиген фарқи муайянкунии барвақт танҳо 0,5–1 сония аст.
• Саҳми умумии се механизми аз физика огоҳ аз M4 то M7 16,60 банди фоизӣ аст.
• DPICC дар байни шаш усули муқоисашуда зери ҳамон маълумот ва буҷети барчасп баландтарин дақиқиро нишон дод.
• Нишондиҳандаҳои дурусти ташхиси синфии DPICC барои ҳолати муқаррарӣ, хушкшавӣ, обхезӣ ва норасоии оксиген мутаносибан %96,3, %98,7, %99,4 ва %98,2 мебошанд.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: A Physics-Informed Deep Clustering Framework with Single-Cell Voltage Features for Early Fault Identification in Automotive PEM Fuel Cell

Муаллифон: Jiaming Zhang; Changqing Du; Fuwu Yan; Wenchao Zhu; Mingyang Nie; Jing Zhu; Zhe Li; Liangdong Li.

Тартиби муаллифон: Рӯйхати боло тартиби асари аслиро нигоҳ медорад.

Муаллифи якуми баробар: Дар таҳқиқот маълумот оид ба муаллифи якуми баробар ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

Муаллифони масъул: Fuwu Yan ва Wenchao Zhu.

Муассисаҳо: Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology; Foshan Xianhu Laboratory; Nanyang Technological University School of Mechanical and Aerospace Engineering.

DOI: 10.2139/ssrn.6935078

Платформаи нашр: SSRN.

Маҷалла: Нашри маҷаллаи аз баррасии ҳамтоён гузашта тасдиқ нашудааст. Таҳқиқот дар SSRN ҳамчун препринт пешниҳод шудааст.

Зерсохтори нашр: SSRN сервери препринтии вобаста ба Elsevier мебошад.

Соли нашр: 2026.

Навъи манбаъ: Препринте, ки таҳқиқоти стенди таҷрибавӣ, таҳияи усул ва омӯзиши мошинии нимназоратшавандаро дар бар мегирад.

Ҳолати баррасии ҳамтоён: Ин таҳқиқот аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст. Натиҷаҳо набояд ҳамчун консенсуси илмие арзёбӣ шаванд, ки баррасии мустақили ҳамтоён ва санҷиши берунаи он анҷом ёфтааст.

Сабти расмӣ:Саҳифаи расмии таҳқиқоти SSRN 6935078

Пайванди DOI:10.2139/ssrn.6935078

Огоҳии версия: Сабти ҷудогонаи SSRN бо ҳамон унвон ва рӯйхати муаллифон, ки DOI-и 10.2139/ssrn.6333504 дорад, низ мавҷуд аст. Азбаски дар таҳқиқоти баррасишуда рақами 6935078 ҷой дорад, дар ин мақола версияи 10.2139/ssrn.6935078 асос гирифта шудааст. Робитаи версиявии байни ду сабт ба таври равшан нишон дода нашудааст.

Ин муҳтавои Verianla бо баррасии матни таҳқиқоти илмии боршуда, ифодаҳои математикӣ, ҷадвалҳои таҷрибавӣ, схемаҳои ҷараёни кор, графикҳои шиддат, натиҷаҳои аблятсионии марҳилавӣ ва матритсаҳои иштибоҳ омода шудааст. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи майдонҳои библиографӣ, ба монанди DOI, платформа ва ҳолати нашр истифода шудаанд; ба натиҷаҳои илмии таҳқиқот аз берун натиҷаи нав илова нашудааст.

Маҳдудиятҳои асосии методологии таҳқиқот бастаи лаборатории даҳҳуҷайрагӣ, се нуқсони ба таври назоратшаванда ба вуҷуд овардашуда, намунаҳои марбут ба як тарҳи таҳқиқотӣ, талаботи тақрибан %10 маълумоти барчаспдор ва набудани санҷиши беруна дар парки воқеии автомобилӣ мебошанд. Таҳқиқот дар бораи муваффақияти татбиқи онлайнии тиҷоратӣ, коҳиши хароҷоти нигоҳдорӣ, афзоиши бехатарии автомобил ё дароз шудани умри ҳуҷайраи сӯзишворӣ далели мустақим пешниҳод намекунад.

Фарқи ҳадии 0,03–0,003 V дар матн, номувофиқатиҳои арифметикӣ дар баъзе фарқҳои вақт, зиддияти 35–37 сония, ҳамчун “шаш вариант” номидани M1–M7 ва истифодаи натиҷаи KNN дар қисми хулоса, ки дар бахши муқоиса мавҷуд нест, ҳамчун масъалаҳое нигоҳ дошта шудаанд, ки муҳаққиқон бояд равшан кунанд.