融合表決策略的多傳感器可靠性研究

張榮 宋新愛

摘 要：傳感器被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、航空、制造業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟，使用范圍越來越廣，精度越來越高。因此，進(jìn)行多傳感器可靠性的研究對(duì)生產(chǎn)生活具有重要意義。本文針對(duì)多傳感器可靠性及故障檢測的準(zhǔn)確性問題，利用二項(xiàng)分布的多傳感器可靠性模型，進(jìn)行了融合表決策略的多傳感器可靠性研究。為了判定多傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)中出現(xiàn)的傳感器故障數(shù)目，對(duì)可靠性模型進(jìn)行一票否決和少數(shù)服從多數(shù)研究，進(jìn)而更可靠、準(zhǔn)確、迅速和全面地進(jìn)行故障檢測與報(bào)警，為采取相應(yīng)的措施提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：表決策略;多傳感器;一票否決;少數(shù)服從多數(shù)

文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0237-04 中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著醫(yī)療技術(shù)、安全防御系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)傳感器提出了越來越高的要求。尤其是在安防領(lǐng)域的應(yīng)用中，要求傳感器具有可靠性、靈活性、監(jiān)視跟蹤的連續(xù)性、反應(yīng)的快速性以及較強(qiáng)的生存能力。但是傳統(tǒng)的單傳感器系統(tǒng)已難以適應(yīng)這一苛刻要求，因此多傳感器信息融合技術(shù)已然成為新時(shí)代備受矚目的焦點(diǎn)研究課題?？偟貋碚f，多傳感器信息融合技術(shù)主要就是在某種準(zhǔn)則的引導(dǎo)下，通過引入計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳感器或多元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自主整合與研究，從而達(dá)成預(yù)期提出的決策與估計(jì)中的信息處理目的[1]。

多傳感器故障檢測與診斷技術(shù)具有交叉性與綜合性的特點(diǎn)，以現(xiàn)代控制、信號(hào)處理、模式識(shí)別、最優(yōu)化設(shè)計(jì)等作為理論基礎(chǔ)，并隨著大數(shù)據(jù)的理論建設(shè)與推廣而得到大規(guī)模應(yīng)用，時(shí)下更新的故障診斷方法主要有：信息融合、主元分析、遺傳算法、小波分析等[2]。因此，對(duì)多傳感器可靠性展開研究，其選題意義及實(shí)用價(jià)值則是不言而喻的。

1 相關(guān)研究

目前，多傳感器信息融合技術(shù)研究呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢，相繼推出了一系列研發(fā)成果。其中，廖文愷[3]針對(duì)多傳感器模糊信息融合在煤礦安全中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析，提出多傳感器模糊信息融合在煤礦安全中的應(yīng)用要點(diǎn)，為相關(guān)工作人員提供一定的借鑒。王東明等人[4]將相同或者不同性質(zhì)的多傳感器在進(jìn)行有效結(jié)合的同時(shí)，成功獲取目標(biāo)原始信息，再通過各種特征提取的方法求得目標(biāo)的多方位、多性質(zhì)的特征值數(shù)據(jù)，對(duì)此數(shù)據(jù)利用特征融合算法實(shí)現(xiàn)特征融合，進(jìn)而提升目標(biāo)識(shí)別正確率、減少識(shí)別時(shí)間。潘崢嶸等人[5]利用多傳感器信息融合通過降低單個(gè)傳感器測量中存在的噪聲和誤差來做出準(zhǔn)確的距離估計(jì)，最終避免四旋翼無人機(jī)在飛行期間碰撞障礙物。王世剛[6]利用多傳感器信息融合技術(shù)建立瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測瓦斯?jié)舛炔⒁罁?jù)此數(shù)據(jù)預(yù)測了瓦斯的臨界危險(xiǎn)狀態(tài)，有效降低了井下作業(yè)的危險(xiǎn)度，保障了井下作業(yè)者的人身安全。楊康等人[7]在基于環(huán)境感知實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理元素緊密結(jié)合的下一代智能信息物理系統(tǒng)中，提出了一種基于融合間隔和歷史測量的傳感器攻擊檢測方法，大幅度提高了隱身攻擊檢測率和識(shí)別率?；诖耍疚臄M從多傳感器信息融合的廣泛性入手，對(duì)多傳感器的可靠性進(jìn)行研究，從而精確地獲得傳感器故障概率，以此驗(yàn)證反饋信息的可靠性。

2 二項(xiàng)分布的多傳感器可靠性

多傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來自于每個(gè)單一的傳感器器件，各個(gè)傳感器之間彼此獨(dú)立，若眾多傳感器中有一個(gè)發(fā)生了損壞，亦不會(huì)給其它的傳感器帶來影響，由此分析可知多傳感器故障服從于二項(xiàng)分布，其數(shù)學(xué)公式可表示為：

3 “一票否決”的多傳感器可靠性模型

如前所述，多傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來源于每一個(gè)傳感器器件，傳感器之間相互獨(dú)立、協(xié)同工作，如何標(biāo)定傳感器系統(tǒng)中傳感器的正常工作狀態(tài)以及傳感器故障數(shù)目對(duì)于多傳感器系統(tǒng)正常工作的影響也是本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

眾所周知，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展[8]，但非理想化的工作環(huán)境對(duì)數(shù)控系統(tǒng)傳感器的運(yùn)行有一定干擾，使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，甚至導(dǎo)致飛行事故的發(fā)生。因此，對(duì)于具有精湛要求的航空工業(yè)類的領(lǐng)域而言，就要求將傳感器帶來的故障降至最低。故而，傳感器系統(tǒng)中每個(gè)傳感器均處于正常工作狀態(tài)即顯得尤為重要。為了提高系統(tǒng)可靠性，在多傳感器系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生故障的傳感器數(shù)目為1或者大于1時(shí)，就要采取相應(yīng)的報(bào)警措施。多傳感器故障概率可以表示為：

4 “少數(shù)服從多數(shù)”的多傳感器可靠性模型

針對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)、社會(huì)生產(chǎn)等多傳感器系統(tǒng)的精度要求略低于航空業(yè)的領(lǐng)域而言，多傳感器系統(tǒng)中一個(gè)傳感器采集到的異常數(shù)據(jù)并不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此時(shí)，多傳感器系統(tǒng)可以從其它傳感器獲得數(shù)據(jù)加以運(yùn)算處理后，得到最佳的數(shù)據(jù)以供系統(tǒng)后期的調(diào)取使用。但當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過或者低于系統(tǒng)給定的閾值時(shí)，也涉及到與前述同樣的研究課題，即：如何標(biāo)定傳感器出現(xiàn)異常，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率過低，以至于影響了系統(tǒng)來獲取最佳數(shù)據(jù)，進(jìn)一步地還將影響系統(tǒng)的后期運(yùn)行[9-11]。在多傳感器系統(tǒng)中，多于一半的傳感器采集得到的數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi)，判定多傳感器系統(tǒng)正常;一半、及更多傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過或者低于系統(tǒng)給定的閾值，此時(shí)認(rèn)定多傳感器系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)異常，且準(zhǔn)確率過低，為了不會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來影響，即需產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。多傳感器系統(tǒng)正常運(yùn)行概率見表1。

多傳感器系統(tǒng)在運(yùn)行中，也可能會(huì)出現(xiàn)在長時(shí)間不對(duì)故障傳感器進(jìn)行檢測、更換，采集數(shù)據(jù)短路或者斷路的異?，F(xiàn)象，即多數(shù)傳感器出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)而少數(shù)傳感器采集到正常的數(shù)據(jù)，但是多傳感器系統(tǒng)判定此時(shí)多數(shù)傳感器系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)正常，系統(tǒng)可以依靠采集到的數(shù)據(jù)開啟后續(xù)的工作流程，整個(gè)系統(tǒng)卻處于數(shù)據(jù)異常狀態(tài)。為了防止以上異?，F(xiàn)象的發(fā)生，采取少數(shù)服從多數(shù)的原則，也就是：當(dāng)系統(tǒng)中任何一個(gè)傳感器出現(xiàn)異常情況時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，但將對(duì)系統(tǒng)是否需更換傳感器器件的裁決權(quán)利轉(zhuǎn)交給工作人員，而多傳感器系統(tǒng)中的其余器件均處于正常工作中。

在前述分析基礎(chǔ)上，研究可得：對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中具有較高精確度要求的領(lǐng)域，使用一票否決的工作原則，即多傳感器系統(tǒng)中任一個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)不在系統(tǒng)給定的閾值范圍內(nèi)，便產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。而對(duì)于精確度要求不高的行業(yè)，采取少數(shù)服從多數(shù)的原則，即當(dāng)系統(tǒng)中任何一個(gè)傳感器出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并將裁決系統(tǒng)是否更換傳感器器件的權(quán)利移交給工作人員，多傳感器系統(tǒng)中的其余器件均處于正常運(yùn)行狀態(tài)。至此，本次研究就有效保證了可以更為準(zhǔn)確、迅速地進(jìn)行故障檢測和報(bào)警，并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，從而切實(shí)提升了系統(tǒng)自身的可靠性。

5 應(yīng)用研究實(shí)例

時(shí)下，飼養(yǎng)觀賞魚類已經(jīng)成為一種時(shí)尚。與之相適應(yīng)的是，觀賞類魚缸也逐漸走進(jìn)家庭、酒店、商場等公共場所。但是由于觀賞魚的品種對(duì)溫度的要求各有不同，就需要對(duì)其生活環(huán)境的溫度進(jìn)行精密調(diào)控。目前，市面上大多數(shù)對(duì)魚缸溫度的調(diào)節(jié)主要就是依靠普通加熱棒來實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)魚缸溫度檢測僅配備有單一傳感器時(shí)，這時(shí)若傳感器出現(xiàn)不能正常檢測魚缸溫度的情況，即達(dá)到了魚缸水溫設(shè)置的上、下限時(shí)，而水溫一旦超出魚兒正常生存溫度的規(guī)定界限，將會(huì)不利于魚兒的生長。此外，還會(huì)存在一種更為嚴(yán)重的情況，就是：魚缸中水、鹽等物質(zhì)都會(huì)逐漸腐蝕掉溫度傳感器，致使溫度傳感器發(fā)生損壞，假如此時(shí)采集到的水溫始終低于設(shè)定的閾值，這樣一來，加熱棒就會(huì)持續(xù)不停地處于加熱狀態(tài)，從而使魚缸中的魚兒生命受到嚴(yán)重威脅。

為了驗(yàn)證多傳感器的故障概率情況，本次實(shí)驗(yàn)中假設(shè)選取5個(gè)傳感器來組成多傳感器系統(tǒng)，對(duì)魚缸水溫進(jìn)行檢測。單個(gè)傳感器出現(xiàn)故障的概率為10-3，則每個(gè)傳感器正常采集數(shù)據(jù)時(shí)的概率就為0.999，即：p=0.999。對(duì)5個(gè)傳感器組成多傳感器系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，分析結(jié)果見表2。

由表2可以看出傳感器系統(tǒng)中不同傳感器個(gè)數(shù)出現(xiàn)異常的概率情況。在多功能智能魚缸中，傳感器全部都可正常采集數(shù)據(jù)的概率為0.995。如果多傳感器系統(tǒng)中有一半以上傳感器能正常工作的情況下，該多功能智能魚缸就可以正常地采集溫度數(shù)據(jù)，就可以較準(zhǔn)確地獲得魚缸內(nèi)的水溫，以此對(duì)魚缸的溫度進(jìn)行控制，給魚兒營造舒適的生活環(huán)境。

迄今為止，傳感器已然應(yīng)用在各個(gè)社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域中。本文中，是假設(shè)傳感器正常采集數(shù)據(jù)的概率為0.999，但在傳統(tǒng)制造技術(shù)不斷進(jìn)步、創(chuàng)新飛躍的今天，單一傳感器成功采集數(shù)據(jù)的概率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.999，其采集精度正越來越高，如此就使得多傳感器協(xié)同工作效率也得到了大幅提升。并且，多傳感器系統(tǒng)中傳感器同時(shí)出現(xiàn)異常，從而不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集當(dāng)前真實(shí)數(shù)值的概率也在顯著下降。

6 結(jié)束語

目前，傳感器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空、傳統(tǒng)制造業(yè)、高科技新興產(chǎn)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域，其研發(fā)技術(shù)也已日趨成熟。但是，考慮到時(shí)下生產(chǎn)中來源不同、格式不一的海量數(shù)據(jù)，單一傳感器已很難滿足現(xiàn)代高科技背景下的制造業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求，由多個(gè)傳感器所構(gòu)成的多傳感器系統(tǒng)已然成為各領(lǐng)域?qū)嵺`應(yīng)用中的熱門研發(fā)設(shè)計(jì)?；诖?，本文有針對(duì)性地開發(fā)提出了融合表決策略的多傳感器可靠性研究方案。大體來說，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)要求精度較高的領(lǐng)域而言，采取一票否決工作原則，多傳感器系統(tǒng)中任何一個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)若不在系統(tǒng)給定的閾值范圍內(nèi)，便產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)的措施。而對(duì)于生產(chǎn)要求精度不高的行業(yè)，則采取少數(shù)服從多數(shù)的原則，而當(dāng)系統(tǒng)中任何一個(gè)傳感器出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并將裁決系統(tǒng)是否更換傳感器器件的權(quán)利交給工作人員，多傳感器系統(tǒng)中的其余器件均將繼續(xù)正常工作。通過文中給出的應(yīng)用實(shí)例表明，本文研究方案能夠有效提升多傳感器系統(tǒng)的可靠性，準(zhǔn)確率高，實(shí)用性強(qiáng)，并可為后續(xù)的科研工作提供良好有益的借鑒。

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