流數(shù)據(jù)挖掘與電機(jī)無損檢測(cè)

馬 俊

（中海油服鉆井研究院，燕郊，065201）

0 前言

海上平臺(tái)在工作過程中，會(huì)使用大量的電機(jī)提供各種機(jī)械需要的動(dòng)力，一旦發(fā)生電機(jī)故障，小則影響生產(chǎn)，大者甚至影響平臺(tái)安全。提供無損失通用電機(jī)健康狀態(tài)在線檢測(cè)，具有重大經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。而流數(shù)據(jù)分析是近幾年在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域和數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域興起的技術(shù)，本文結(jié)合海上平臺(tái)的電機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，簡(jiǎn)要闡述流數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的構(gòu)成和典型應(yīng)用架構(gòu)和基礎(chǔ)算法，尤其是對(duì)于屬于回轉(zhuǎn)機(jī)械的電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的快速傅里葉變換和小波變換的應(yīng)用進(jìn)行剖析。

1 流數(shù)據(jù)挖掘

流數(shù)據(jù)挖掘（Stream Data Mining）在現(xiàn)在數(shù)字化的世界中越來越顯得重要，它尤其適合處理包含傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在內(nèi)的各種大量、不間斷的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律性挖掘和模式的識(shí)別。

流數(shù)據(jù)和我們常規(guī)的數(shù)據(jù)流有很大的區(qū)別。首先，它是不確定的，數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間、長(zhǎng)度不確定，甚至數(shù)據(jù)的性質(zhì)都不確定，比如外星探測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。其次，其數(shù)據(jù)的管理一般不采用裸數(shù)據(jù)管理，也就是不進(jìn)行原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，因?yàn)槠鋾r(shí)效性和重復(fù)性都較其他常規(guī)數(shù)據(jù)要求更高，一般采用就地處理方式。比如，對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用流量的分類處理中，就不可能對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的原始報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)，也沒有必要。再次，流數(shù)據(jù)挖掘中無法保證原始數(shù)據(jù)的全部完整性，因此，遺漏在所難免，分析也只能是近似的，很難保證其精確性。

在實(shí)際工業(yè)傳感數(shù)據(jù)中，尤其是在各種設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，越來越多出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)模式識(shí)別和挖掘才能完成系統(tǒng)的狀態(tài)辨識(shí)。

一般而言，各種流數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)都采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分析任務(wù)。

首先，大量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行提煉處理，數(shù)據(jù)的提煉過程一般有以下手段。

1.1 抽樣。通過抽樣方法獲得部分?jǐn)?shù)據(jù)。有均勻抽樣和偏重抽樣之分。

1.2 速描。通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行快速結(jié)構(gòu)層次提升，通過變換來直接處理原始數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)的概要性特征。這種方法中，就包括在本文中的電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的快速傅里葉變換和小波變換的算法。

1.3 負(fù)載丟棄。在內(nèi)存容量與處理速度跟不上的時(shí)候，直接放棄一部分?jǐn)?shù)據(jù)。這會(huì)影響系統(tǒng)的敏感度。

1.4 聚合。即通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均處理和方差處理獲得精煉的數(shù)據(jù)。然后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，其常用手段包括：

1.5 近似算法。由于數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通常都是一次性的，所以使用快速近似算法，獲得近似結(jié)果是常見的數(shù)據(jù)分析方法。

1.6 滑動(dòng)窗口。在數(shù)據(jù)時(shí)效性很強(qiáng)的時(shí)候，如股票市場(chǎng)等，只有近期的數(shù)據(jù)對(duì)分析挖掘起作用。則通過設(shè)置數(shù)據(jù)有效的窗口大小，獲得數(shù)據(jù)的有效性和分析的敏感性的作用。本文的電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就是用了滑動(dòng)窗口的方式，進(jìn)行小波變換。

通過上述流數(shù)據(jù)挖掘，可以有效解決本文中電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要的流數(shù)據(jù)挖掘問題。

2 電機(jī)無損檢測(cè)

電機(jī)健康監(jiān)測(cè)和一般的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不一樣的地方是，它屬于回轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)。因此，大量的健康監(jiān)測(cè)都可以通過其電流，電壓，功率信號(hào)的周期性變化來進(jìn)行診斷。定子電流監(jiān)測(cè)方法因可以做成非侵入式而得到最為廣泛的應(yīng)用。

其基本理論基礎(chǔ)如下：

7.定子電流頻率故障表現(xiàn)

（1）當(dāng)定子出現(xiàn)繞組匝間短路時(shí)，會(huì)在定子電流中產(chǎn)生頻率為：

（2）轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條、端環(huán)斷裂等故障時(shí)，會(huì)在定子電流中產(chǎn)生頻率為：

（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心，軸承、氣隙不均勻故障時(shí)，定子電流中會(huì)產(chǎn)生頻率為：

式（1）、（2）、（3）中：為外加電壓頻率；為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率,；為轉(zhuǎn)差率；為電機(jī)極對(duì)數(shù)；=1,2,3…；=1,3,5…。

8.視在阻抗及故障表現(xiàn)

2.1 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂時(shí)的瞬時(shí)功率表達(dá)式

轉(zhuǎn)子斷條故障主要原因有：設(shè)計(jì)不合理、頻繁起停、交變負(fù)載使導(dǎo)條和端環(huán)冷熱循環(huán)而疲勞斷裂、電壓波動(dòng)易造成電流過大而過熱等。輕微的故障難以觀察到，當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起振動(dòng)及噪聲增大、電流波動(dòng)。出現(xiàn)導(dǎo)條斷裂故障時(shí)，轉(zhuǎn)子電路結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性被破壞。當(dāng)定子外加三相對(duì)稱電壓時(shí)，定子三相基波電流會(huì)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。該磁勢(shì)建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)頻率為sf 的交流電勢(shì)及同頻率的電流。由于轉(zhuǎn)子已不再對(duì)稱，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)為橢圓型，同樣可以分解成相對(duì)于轉(zhuǎn)子的正轉(zhuǎn)分量和反轉(zhuǎn)分量，反轉(zhuǎn)分量會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出頻率為(1-2s)f 的電勢(shì)和電流。

當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)導(dǎo)條斷裂時(shí)，會(huì)在定子電流中產(chǎn)生頻率為的故障特征頻率成分。

圖1 Matlab 仿真的導(dǎo)條斷裂時(shí)的頻譜曲線

2.2 定子繞組匝間短路時(shí)的瞬時(shí)功率表達(dá)式

當(dāng)定子繞組存在匝間短路時(shí)，定子繞組的對(duì)稱性遭到破壞。由定子繞組產(chǎn)生的氣隙磁勢(shì)變?yōu)闄E圓型，該橢圓型磁勢(shì)可以分解為正轉(zhuǎn)分量和反轉(zhuǎn)分量，二者轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反。反轉(zhuǎn)分量在定子繞組中同樣感應(yīng)出頻率為f 的交流電勢(shì)，但是相序相反，從而在定子三相電流中產(chǎn)生出負(fù)序分量，這就是主要的故障特征建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出頻率為（2-S）f 電勢(shì)和電流，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)加劇。

此時(shí)的視在阻抗為：

2.3 氣隙偏心故障特征機(jī)理分析

偏心的故障征兆有氣隙磁通畸變，振動(dòng)及噪聲增大、電流波動(dòng)。出現(xiàn)偏心故障會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出頻率為f±fr 的特征頻率成分。如果考慮到這些頻率的電流進(jìn)一步和氣隙磁場(chǎng)作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，可以導(dǎo)出f±m(xù)fr（m 為正整數(shù)）故障特征頻率成分的存在。

氣隙長(zhǎng)度分布不均勻后，主氣隙磁路的磁阻對(duì)稱性發(fā)生改變，導(dǎo)致定子產(chǎn)生的主氣隙磁通改變，因此可等效于產(chǎn)生主磁通的定子繞組不對(duì)稱，從故障特征來看偏心故障特征和定子匝間短路故障的信號(hào)特征也是十分接近的。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 應(yīng)用系統(tǒng)

這個(gè)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的大量原始數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行分析挖掘，方能得到實(shí)際應(yīng)用的分析結(jié)論。其實(shí)時(shí)性和大量連續(xù)數(shù)據(jù)的特性，使得該系統(tǒng)屬于典型的流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程設(shè)計(jì)圖如下：

圖3 數(shù)據(jù)分析流程圖

在系統(tǒng)參數(shù)模塊中，與數(shù)據(jù)分析相關(guān)聯(lián)的有數(shù)據(jù)過濾參數(shù)設(shè)置，模式識(shí)別分析算法參數(shù)設(shè)置，以及數(shù)據(jù)分析滑動(dòng)窗口大小設(shè)置，以及系統(tǒng)報(bào)警分析的安全系數(shù)大小設(shè)置。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，主要是接受傳感器的原始數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)計(jì)入數(shù)據(jù)庫存檔，以便今后進(jìn)行分析自動(dòng)回演和人工分析。

在數(shù)據(jù)過濾模塊中，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的平滑處理，指定平滑處理的窗口大小，以及記錄噪聲數(shù)據(jù)的次數(shù)，以此作為傳感器工作可靠性的重要參考依據(jù)。保證系統(tǒng)不受偶發(fā)的噪聲數(shù)據(jù)的影響經(jīng)常發(fā)生誤報(bào)，同時(shí)保證系統(tǒng)的敏感性。

在得到故障模式的情況下，再根據(jù)該模式下的數(shù)據(jù)超限情況以及系統(tǒng)安全設(shè)定情況進(jìn)行報(bào)警分析處理。并將各種報(bào)警信息進(jìn)行入庫處理，以便時(shí)候追蹤和回演。

4 結(jié)論

通過上述分析后的應(yīng)用系統(tǒng)，通過在平臺(tái)電機(jī)在線檢測(cè)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，一次連接（不動(dòng)電機(jī)本體）即可檢測(cè)診斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的斷條與接觸不良、氣隙偏心、三相平衡及由軸承等造成的機(jī)械特性健康狀態(tài)，如下圖所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告

系統(tǒng)中快速傅里葉變換，小波變換等算法，對(duì)象模型以及專家系統(tǒng)規(guī)則，均在系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析引擎中實(shí)現(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)電機(jī)帶負(fù)載條件下的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，因而可對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤分析，定性電機(jī)劣化趨勢(shì)方向。同時(shí)系統(tǒng)可快速生成整體報(bào)告，直觀紅、黃、綠顯示電機(jī)的“健康狀況”，展現(xiàn)給用戶的就是直觀，可靠的操作和指南，表明電機(jī)無損檢測(cè)技術(shù)有很好的應(yīng)用前景。

[1]金澈清，錢衛(wèi)寧，周傲英.流數(shù)據(jù)分析與管理綜述,軟件學(xué)報(bào),2004,Vol.15,NO.8.

[2]肖蕙蕙，李川，李山，李文杰，小波分析在異步電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用，重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，Vol.20,NO.8.