建立基于多傳感器信息融合的專(zhuān)家系統(tǒng)的推土機(jī)診斷架構(gòu)

●陳星寧

一、引言

推土機(jī)作為工程建設(shè)一種不可缺少的工具裝置，因?yàn)槠渥鳂I(yè)效率高而被廣泛使用，是一種方便多用的工程機(jī)械。但是在使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多種故障導(dǎo)致使用出現(xiàn)安全隱患，在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，推土機(jī)故障的很大部分是由于動(dòng)力裝置的故障引起，因此加強(qiáng)對(duì)推土機(jī)動(dòng)力裝置的故障診斷研究，可以提早發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生的表象和原因，便于使用者對(duì)推土機(jī)及時(shí)排除故障和安全隱患，充分發(fā)揮推土機(jī)的最大效能，避免推土機(jī)機(jī)械費(fèi)用上的損失和消耗，同時(shí)提前對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判可以減少意外發(fā)生，對(duì)高質(zhì)量、快速完成工期以及促進(jìn)效益的提高有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前我國(guó)相關(guān)公司，對(duì)推土機(jī)的使用維修仍然采用傳統(tǒng)的維修保養(yǎng)模式，如果繼續(xù)使用這種模式不做改變，推土機(jī)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后，推土機(jī)裝載的動(dòng)力系統(tǒng)要暫停進(jìn)行保養(yǎng)，這樣會(huì)大大影響作業(yè)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失；加之推土機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，在非保養(yǎng)期內(nèi)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到處理，使推土機(jī)機(jī)械狀態(tài)下滑，難以保障穩(wěn)定的工作輸出效率，故障進(jìn)一步發(fā)展還有可能影響裝載系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行的安全。

基于這些方面的原因，對(duì)推土機(jī)建立相應(yīng)的完善故障診斷架構(gòu)，以多傳感器信息融合為基本思路，實(shí)現(xiàn)對(duì)于推土機(jī)故障的診斷與預(yù)判。

二、推土機(jī)系統(tǒng)故障診斷中進(jìn)行多源信息融合的必要性和有效性

在以往的故障診斷模式中，推土機(jī)系統(tǒng)的故障診斷方式仍然離不開(kāi)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法、邏輯法和依賴(lài)設(shè)備儀器等進(jìn)行檢驗(yàn)等?？墒墙?jīng)驗(yàn)法的掌握絕非易事，相關(guān)工作檢測(cè)人員群體小，檢測(cè)不及時(shí)、人員到位慢等情況時(shí)有發(fā)生，使用起來(lái)會(huì)對(duì)實(shí)際施工造成很大影響；其余方法也因?yàn)閷?duì)設(shè)備的依賴(lài)性較強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致大量的財(cái)力消耗，實(shí)際上會(huì)給工程帶來(lái)很大的財(cái)務(wù)困擾，難以在實(shí)際操作中廣泛應(yīng)用。

（一）多源信息融合的必要性

任何機(jī)械系統(tǒng)故障的診斷，都是一個(gè)系統(tǒng)性復(fù)雜性工程，對(duì)于故障的診斷需要多方面信息的確認(rèn)，否則容易因?yàn)橐环矫嫘畔⒌娜笔г斐勺罱K診斷的失敗。由于傳統(tǒng)的故障診斷多為單方面信息源的簡(jiǎn)單整合，并且在推土機(jī)更新?lián)Q代時(shí)，推土機(jī)動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)和信息傳遞過(guò)程也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于不同的信息源來(lái)說(shuō)，單一的判斷標(biāo)準(zhǔn)難以滿(mǎn)足準(zhǔn)確定位故障的需求，加之相關(guān)動(dòng)力裝置的故障又具有隱蔽性、變換性和誘發(fā)因素的多元性，這就對(duì)故障診斷系統(tǒng)提出了更高的要求。如何快速準(zhǔn)確地根據(jù)故障特征判斷出故障所在，進(jìn)而對(duì)故障進(jìn)行快速處理解決，避免影響正常使用和發(fā)生重大事故，是一個(gè)意義十分重大的課題。

在進(jìn)行故障診斷時(shí)，多源信息的融合不僅是判斷出故障所在的重要前提，沒(méi)有多方面信息的相互印證，難以實(shí)現(xiàn)故障的有效判斷，多元的信息源是對(duì)故障進(jìn)行判斷的起點(diǎn)。

（二）多源信息融合的有效性

在基于多傳感器的基礎(chǔ)上，多源信息融合的專(zhuān)家系統(tǒng)推土機(jī)診斷架構(gòu)具有較高的可靠性，通過(guò)不同方面層次的信息源進(jìn)行相互印證，構(gòu)建了較為完整的推土機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，從科學(xué)的層面對(duì)故障進(jìn)行全面系統(tǒng)的解釋和分析，具有較高的信服力和可行性，利用獨(dú)特的多傳感器信息融合診斷技術(shù)，在故障診斷上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。不僅是在理論研究上取得了相關(guān)的突破，建立了完備的理論框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)又以推土機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷為平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)際操作與調(diào)試，取得了良好的實(shí)踐反響，在此基礎(chǔ)上也為同類(lèi)型機(jī)械的故障診斷提供了具有較強(qiáng)可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶退悸罚哂休^強(qiáng)的示范推廣意義和價(jià)值。

三、多傳感器信息融合專(zhuān)家系統(tǒng)的推土機(jī)診斷架構(gòu)基本思路

（一）多傳感器信息融合技術(shù)原理

多傳感器信息融合的專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷架構(gòu)相關(guān)思路，實(shí)質(zhì)上是對(duì)人腦綜合處理各種信息源的一種功能性模擬。在多傳感器系統(tǒng)中，各種傳感器所傳達(dá)的信息具有不同的特征，這些特征在進(jìn)行故障診斷時(shí)會(huì)體現(xiàn)出不同的作用和方向，只有對(duì)這些信息進(jìn)行融合和對(duì)比分析才能得出最后的故障診斷結(jié)果。多傳感器信息融合能夠有效地對(duì)各種信息源進(jìn)行智能聚合與分析利用，將多個(gè)傳感器在空間和時(shí)間上的不同層次、不同區(qū)域的信息進(jìn)行優(yōu)化重組以達(dá)到信息整合的目的，利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)得到判斷結(jié)果的描述。①

（二）相關(guān)理論及系統(tǒng)的運(yùn)用

主要是專(zhuān)家診斷故障系統(tǒng)、粗糙集理論、D- S 證據(jù)等理論的應(yīng)用。

首先建立推土機(jī)故障診斷系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模式庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)模式庫(kù)中包含正常模式和信號(hào)能檢測(cè)到的故障模式全集等。接下來(lái)對(duì)高速采樣得到的信號(hào)提取相關(guān)的特征，離散化以后輸入到粗糙集的KRS 表中，并找出對(duì)故障敏感的特征名稱(chēng)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模式庫(kù)中的信號(hào)進(jìn)行特征約簡(jiǎn)和規(guī)則提取之后，將處理的結(jié)果通過(guò)某種方式寫(xiě)入專(zhuān)家規(guī)則庫(kù)。

對(duì)于待檢模式庫(kù)中的低速巡檢信號(hào)通過(guò)模糊化處理，得出相關(guān)隸屬度關(guān)系，而對(duì)于待檢模式庫(kù)中高速采樣得到的信號(hào)，對(duì)相關(guān)特征進(jìn)行提取之后，通過(guò)模式識(shí)別得到待檢模式與標(biāo)準(zhǔn)模式中的故障模式和正常模式的模糊差異度，最后通過(guò)D- S7 證據(jù)理論的信度融合，對(duì)待檢模式進(jìn)行模式判別，將得到的故障結(jié)論寫(xiě)入模式庫(kù)和專(zhuān)家規(guī)則庫(kù)。

系統(tǒng)信息融合采用的方法是模糊診斷理論、粗糙集和D- S 證據(jù)理論，這種融合結(jié)構(gòu)不僅能夠有效利用各種信息源，實(shí)現(xiàn)信息來(lái)源的多元化、智能化，而且原理簡(jiǎn)單便于操作，適合于幾乎所有施工監(jiān)測(cè)人員使用。②但是在實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)和多傳感器信息源的收集整理分析時(shí)，由于現(xiàn)實(shí)狀態(tài)與理論的差異性的切實(shí)存在，使得故障診斷難以達(dá)到一個(gè)較為理想的狀態(tài)，本診斷方案理論也僅僅限于理論層面初步的原理性驗(yàn)證，在實(shí)踐層面仍然需要進(jìn)一步發(fā)展。

四、信息融合理論的引入對(duì)于推土機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷中問(wèn)題的解決

（一）信息模糊

在原有推土機(jī)診斷系統(tǒng)中，信息來(lái)源不明確，這就會(huì)造成在診斷信息源尚未確定的情況下，或者信息源模糊的情況下貿(mào)然對(duì)推土機(jī)故障進(jìn)行判斷，不僅有可能造成推土機(jī)機(jī)械的進(jìn)一步損壞，更可能耽誤使用，造成更大范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)損失，影響項(xiàng)目進(jìn)展和工作效益。

（二）信息冗余

在舊有診斷系統(tǒng)中，信息的來(lái)源不明確，診斷人員或者使用儀器設(shè)備對(duì)于信息的搜集過(guò)于集中和多余，造成大量重復(fù)或者對(duì)于故障診斷判斷無(wú)用的信息，延緩了對(duì)于推土機(jī)的故障診斷與維修進(jìn)程，耽誤推土機(jī)使用維修，造成了不必要的麻煩。

（三）信息互補(bǔ)

在現(xiàn)有多傳感器信息融合的專(zhuān)家系統(tǒng)的推土機(jī)診斷架構(gòu)中，多方面信息相互融合印照，充分調(diào)動(dòng)不同方面的故障診斷依據(jù)進(jìn)行處理與分析，在信息源上實(shí)現(xiàn)了良好的信息互補(bǔ)，信息結(jié)構(gòu)更加完整清晰，是對(duì)故障進(jìn)行診斷的良好信息前提。

五、在建立多傳感器信息融合專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷架構(gòu)時(shí)需要注意的問(wèn)題

（一）不能改變?cè)杏绊懸蛩?/h3>

在進(jìn)行安裝和測(cè)試時(shí)，盡可能避免對(duì)推土機(jī)產(chǎn)生額外的附加影響，不能改變?cè)辛鲌?chǎng)和溫度場(chǎng)，以免影響故障診斷的精確性，同時(shí)要求故障檢測(cè)設(shè)備必須具有強(qiáng)大的抗干擾能力，保證系統(tǒng)在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行與可靠耐用。

（二）要適應(yīng)推土機(jī)現(xiàn)有運(yùn)行模式

在推土機(jī)逐步改造升級(jí)的同時(shí)，相關(guān)的檢測(cè)和故障排查設(shè)備也要與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)一步適應(yīng)推土機(jī)內(nèi)部更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高速的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，保持運(yùn)行過(guò)程的高精度、高穩(wěn)定性、高采樣率。

（三）體系化特征要明顯

在基于多傳感器信息融合的專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷架構(gòu)上，必須要有穩(wěn)定的平臺(tái)和體系支撐，建立完整可靠的可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)，對(duì)于軟件要采用模塊化設(shè)計(jì)以便在檢測(cè)其他機(jī)型時(shí)只需更換部分硬件，適應(yīng)不同機(jī)型的診斷要求。

六、總結(jié)

在建立基于多傳感器信息融合的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)的推土機(jī)診斷架構(gòu)時(shí)，要注重多方面信息的融合與整合，以解決信息模糊、冗余等問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，同時(shí)也要注重系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，盡可能減少外界對(duì)于故障診斷的干擾，把推土機(jī)故障診斷架構(gòu)的作用最大化。

注釋?zhuān)?/p>

①任鳳娟. 多傳感器信息融合技術(shù)在液壓系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用. 液壓氣動(dòng)與密封，2019（07）

②周?chē)?guó)憲，伍星，劉韜.基于多傳感器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D- S 證據(jù)理論在故障診斷中的應(yīng)用.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2017（04）