基于圖像識(shí)別的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障自動(dòng)診斷方法

陳 逸，張聞中，華守彤，龔孜詣

（華能國(guó)際電力股份有限公司 上海石洞口第二電廠，上海 201100）

0 引言

圖像識(shí)別是指利用計(jì)算機(jī)程序?qū)D像進(jìn)行處理的應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)⒛繕?biāo)圖像中的對(duì)象節(jié)點(diǎn)全部識(shí)別出來(lái)。近年來(lái)，隨著“物料無(wú)極運(yùn)輸”觀念的普及，圖像識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械損傷探查、機(jī)械故障診斷等多個(gè)領(lǐng)域之中。皮帶運(yùn)輸機(jī)是一種常見(jiàn)的物料運(yùn)輸裝置，通常以皮帶作為介質(zhì)，將工業(yè)物料運(yùn)輸至各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在其應(yīng)用過(guò)程中，極易表現(xiàn)出皮帶跑偏等運(yùn)行故障，為避免這類故障情況的發(fā)生，注意所安裝元件的尺寸精度并對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)與保養(yǎng)就顯得極為重要[1]。然而由于運(yùn)輸距離長(zhǎng)、磨損程度不可控等問(wèn)題，極易使主機(jī)元件對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)故障表現(xiàn)行為的診斷能力出現(xiàn)明顯下降，這不但會(huì)造成主要機(jī)械設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p傷，還會(huì)對(duì)主運(yùn)輸機(jī)元件的使用壽命造成影響。為避免上述情況的發(fā)生，以圖像識(shí)別原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障自動(dòng)診斷方法。

1 基于圖像識(shí)別的故障信號(hào)特征提取

基于圖像識(shí)別的故障信號(hào)特征提取包含目標(biāo)圖像預(yù)處理、皮帶運(yùn)輸機(jī)振動(dòng)機(jī)理分析、固有模態(tài)函數(shù)構(gòu)建三個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)，具體操作流程如下。

1.1 目標(biāo)圖像預(yù)處理

目標(biāo)圖像預(yù)處理能夠?qū)⒋\斷圖像中的節(jié)點(diǎn)信息引入到固有模態(tài)函數(shù)中，再根據(jù)識(shí)別節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)分布形式，定義皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征的傳輸行為，從而判斷所得計(jì)算閾值結(jié)果是否滿足待識(shí)別圖像的“分割熵”標(biāo)準(zhǔn)。所謂“分割熵”，也叫待識(shí)別圖像的最大閾值結(jié)果，在對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征進(jìn)行提取時(shí)，閾值結(jié)果的取值極限范圍越大，就表示目標(biāo)圖像中所包含識(shí)別節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越多；反之，若閾值結(jié)果的取值極限范圍相對(duì)較小，則表示目標(biāo)圖像中所包含識(shí)別節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也相對(duì)較少。

設(shè)A、B、C表示三個(gè)不相關(guān)的特征節(jié)點(diǎn)，iA、eA表示與節(jié)點(diǎn)A相關(guān)的目標(biāo)圖像分割值與模態(tài)熵值，iB、eB表示與節(jié)點(diǎn)B相關(guān)的目標(biāo)圖像分割值與模態(tài)熵值，iC、eC表示與節(jié)點(diǎn)C相關(guān)的目標(biāo)圖像分割值與模態(tài)熵值。聯(lián)立上述物理量，可將皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征的目標(biāo)圖像預(yù)處理表達(dá)式定義為：

假設(shè)在待識(shí)別圖像中，皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征節(jié)點(diǎn)所處位置不會(huì)發(fā)生變化，為準(zhǔn)確分析機(jī)械設(shè)備元件的振動(dòng)機(jī)理，則必須保證所選取識(shí)別節(jié)點(diǎn)不唯一。

1.2 皮帶運(yùn)輸機(jī)的振動(dòng)機(jī)理分析

皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為的振動(dòng)機(jī)理包含初始不平衡、新轉(zhuǎn)子不平衡兩種基本類型。其中，初始不平衡是指由機(jī)械制造與裝配問(wèn)題引起的運(yùn)輸機(jī)元件質(zhì)心偏移的現(xiàn)象；新轉(zhuǎn)子不平衡則是指在皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由機(jī)械設(shè)備腐蝕、磨損等原因引發(fā)的恒定轉(zhuǎn)子損壞的現(xiàn)象。從振動(dòng)傳導(dǎo)特性的角度來(lái)看，皮帶運(yùn)輸機(jī)初始不平衡故障、新轉(zhuǎn)子不平衡故障的誘發(fā)原因雖然不同，但兩者都能對(duì)皮帶元件的正常振動(dòng)行為造成影響[2]。對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)元件而言，皮帶振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)速的變化十分敏感，且機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越快，皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為所帶來(lái)的振動(dòng)表現(xiàn)也就越明顯。設(shè)γ表示初始不平衡系數(shù)，r表示新轉(zhuǎn)子不平衡系數(shù)，u1、u2表示兩個(gè)不相關(guān)的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)振動(dòng)特征值，表示系數(shù)u1與u2的物理平均值，β表示運(yùn)輸機(jī)元件的質(zhì)心偏移向量。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(1)，可將皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為的振動(dòng)機(jī)理表達(dá)式定義為：

在初始不平衡、新轉(zhuǎn)子不平衡故障行為同時(shí)發(fā)生時(shí)，由于二者表現(xiàn)行為具有明顯的相位差，所以為保證故障診斷結(jié)果的絕對(duì)真實(shí)性，應(yīng)對(duì)兩種皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征進(jìn)行分別提取。

1.3 固有模態(tài)函數(shù)

固有模態(tài)函數(shù)決定了皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征的表現(xiàn)形式。在圖像識(shí)別原理的認(rèn)知范疇中，皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征會(huì)出現(xiàn)多種不同的表現(xiàn)形態(tài)，且在已知振動(dòng)機(jī)理表達(dá)式條件的前提下，固有模態(tài)函數(shù)所涉及的故障信號(hào)特征數(shù)據(jù)量越大，主機(jī)元件對(duì)于故障表現(xiàn)行為的精準(zhǔn)診斷能力也就越強(qiáng)[3]。為使固有模態(tài)函數(shù)能夠完全符合皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為的表現(xiàn)形式，在定義函數(shù)表達(dá)式時(shí)，應(yīng)確定原變量φ的具體數(shù)值水平。規(guī)定α表示皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)參量，y(α)表示與參量α相關(guān)的縱向殘差定標(biāo)值，x(α)表示與參量α相關(guān)的橫向殘差定標(biāo)值。聯(lián)立上述物理量，可將原變量φ的計(jì)算表達(dá)式定義為：

在式(3)的基礎(chǔ)上，設(shè)λ表示皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征的模態(tài)賦值參量，且λ＞1 的不等式條件恒成立，p˙表示基于圖像識(shí)別原理所提取的故障信號(hào)特征參量值，ΔH表示單位時(shí)間內(nèi)所能識(shí)別的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征數(shù)據(jù)總量。聯(lián)立上述物理量，可將基于圖像識(shí)別的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征固有模態(tài)函數(shù)表示為：

根據(jù)固有模態(tài)函數(shù)條件，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再按照?qǐng)D像識(shí)別原則，完成對(duì)這些信息參量的按需提取。

2 皮帶運(yùn)輸機(jī)故障的自動(dòng)診斷

在圖像識(shí)別原理的支持下，按照動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建、故障行為振動(dòng)特性分析、時(shí)域同步診斷系數(shù)計(jì)算的處理流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為的自動(dòng)診斷。

2.1 動(dòng)力學(xué)模型

皮帶運(yùn)輸機(jī)作為一種重要的機(jī)械設(shè)備應(yīng)用元件，在運(yùn)輸皮帶與電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)與電量負(fù)載之間會(huì)形成完整的電信號(hào)閉合回路，且隨著負(fù)載電阻數(shù)值的增大，各個(gè)回路內(nèi)電信號(hào)參量的傳輸速率也會(huì)不斷加快（模型結(jié)構(gòu)如圖1所示）[4]。當(dāng)出現(xiàn)明顯故障行為時(shí)，電動(dòng)機(jī)元件的電量輸出能力會(huì)受到影響，此時(shí)下級(jí)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行能力會(huì)明顯減弱，這也是導(dǎo)致皮帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)備實(shí)時(shí)電量負(fù)載水平并不能達(dá)到實(shí)際數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的主要原因。

圖1 皮帶運(yùn)輸機(jī)元件的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)

設(shè)S表示皮帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)備內(nèi)電量負(fù)載系數(shù)的初始賦值，a1、a2、…、an表示n個(gè)不同的電量信號(hào)傳輸特征值，n表示電量信號(hào)耦合負(fù)載最大值，m表示故障行為下的耦合電容，R表示皮帶運(yùn)輸機(jī)元件的內(nèi)阻數(shù)值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(4)，可將皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為的動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)式定義為：

已知皮帶運(yùn)輸機(jī)元件內(nèi)阻數(shù)值、故障行為的耦合電容數(shù)值始終保持不變，所以可將動(dòng)力學(xué)模型看作一個(gè)半定值表達(dá)式，在對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為進(jìn)行診斷時(shí)，應(yīng)根據(jù)圖像識(shí)別節(jié)點(diǎn)的分布形式，對(duì)電量負(fù)載系數(shù)實(shí)值進(jìn)行配比。

2.2 故障行為的振動(dòng)特性

在皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于動(dòng)力施壓并不來(lái)源于同一方向，所以故障信號(hào)特征總是保持來(lái)回波動(dòng)的傳輸形式，而獨(dú)立波段內(nèi)識(shí)別節(jié)點(diǎn)的排列狀態(tài)，也就表現(xiàn)了故障行為的振動(dòng)特性。在圖像識(shí)別技術(shù)的認(rèn)知中，皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為的振動(dòng)特性總是呈現(xiàn)階段性往復(fù)的表現(xiàn)形式，即每一個(gè)獨(dú)立波段內(nèi)都包含一個(gè)故障信號(hào)特征的極大值和一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的極小值[5]。設(shè)zmax表示皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征的極大值，zmin表示皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征的極小值，在動(dòng)力學(xué)向量恒為f的前提下，可將其計(jì)算表達(dá)式定義為：

式(6)中，表示皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征的均值定義項(xiàng)。在式(6)的基礎(chǔ)上，設(shè)σ1、σ2表示兩個(gè)不同的振幅定義系數(shù)，ΔT表示故障行為波段的單位振動(dòng)周期。聯(lián)立上述物理量，可將皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為的振動(dòng)特性表達(dá)式定義為：

其中，ω1表示與σ1相關(guān)的故障行為圖像識(shí)別定標(biāo)值，ω2表示與σ2相關(guān)的故障行為圖像識(shí)別定標(biāo)值。若將振動(dòng)特性看作是皮帶運(yùn)輸機(jī)故障特征的必要表現(xiàn)形式，則可認(rèn)為該項(xiàng)理論條件的取值結(jié)果會(huì)直接影響時(shí)域同步診斷指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值。

2.3 時(shí)域同步診斷系數(shù)

利用時(shí)域同步診斷系數(shù)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為進(jìn)行判別，需要確定脈沖信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)之間的數(shù)值配比關(guān)系，并以圖像識(shí)別原理為基礎(chǔ)，在確定指標(biāo)參量實(shí)時(shí)映射權(quán)限的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)特征的按需排序與處理。針對(duì)時(shí)域同步診斷系數(shù)的計(jì)算，需要同時(shí)參考皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)的脈沖信號(hào)特征與振動(dòng)信號(hào)特征[6]。皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)的脈沖信號(hào)特征可表示為，作為一項(xiàng)矢量參考條件，該項(xiàng)物理量的實(shí)際取值越大，時(shí)域同步診斷系數(shù)的計(jì)算數(shù)值也就越大。皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)的振動(dòng)信號(hào)特征可表示為，與脈沖信號(hào)特征不同，該項(xiàng)物理量的數(shù)值變化幅度相對(duì)較小，因此對(duì)于利用時(shí)域同步診斷系數(shù)而言，該項(xiàng)物理指標(biāo)的影響作用能力也相對(duì)較弱。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(7)，可將時(shí)域同步診斷系數(shù)計(jì)算表達(dá)式定義為：

式(8)中，ξ表示基于圖像識(shí)別的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征定標(biāo)值，μ表示時(shí)域診斷權(quán)限，?表示同步診斷權(quán)限，C表示基于圖像識(shí)別的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障信號(hào)特征初始判別值。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)域同步診斷系數(shù)的取值越大，則表示皮帶運(yùn)輸機(jī)故障行為被準(zhǔn)確診斷出來(lái)的可能性也就越大。至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在圖像識(shí)別原理的作用下，完成對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障自動(dòng)診斷方法的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)例分析

利用Windows虛擬機(jī)模擬如圖2所示的皮帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)備，在其傳輸皮帶與周圍隔板的連接處選取一節(jié)點(diǎn)作為故障行為節(jié)點(diǎn)，分別利用基于圖像識(shí)別的診斷方法、基于改進(jìn)堆疊降噪自動(dòng)編碼器的診斷方法對(duì)故障特征的表現(xiàn)行為進(jìn)行檢測(cè)，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組、后者作為對(duì)照組。

圖2 皮帶運(yùn)輸機(jī)模擬圖像

指標(biāo)為故障行為節(jié)點(diǎn)處的訓(xùn)練精度值，ψ2指標(biāo)為故障行為節(jié)點(diǎn)處的測(cè)試精度值。對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)元件而言，對(duì)其故障表現(xiàn)行為的診斷準(zhǔn)確性由ψ1、ψ2指標(biāo)共同組成，具體計(jì)算表達(dá)式如下：

表1記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組ψ2指標(biāo)的具體數(shù)值。

表1 ψ2指標(biāo)記錄數(shù)值

表2記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組ψ2指標(biāo)的具體數(shù)值。

表2 ψ2指標(biāo)記錄數(shù)值

以表1、表2中的記錄數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照式(9)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障表現(xiàn)行為的診斷準(zhǔn)確度η進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算數(shù)值如表3所示。

實(shí)驗(yàn)組：當(dāng)皮帶運(yùn)輸速率等于0.7m/s、0.8m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)組診斷準(zhǔn)確度（η指標(biāo)）達(dá)到其最大取值結(jié)果99.8%；當(dāng)皮帶運(yùn)輸速率等于0.3m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)組診斷準(zhǔn)確度（η指標(biāo)）達(dá)到其最小取值結(jié)果98.8%，與其最大值相比，二者之間的差值僅能達(dá)到0.1%。

對(duì)照組：當(dāng)皮帶運(yùn)輸速率等于0.4m/s時(shí)，對(duì)照組診斷準(zhǔn)確度（η指標(biāo)）達(dá)到其最大取值結(jié)果94.3%；當(dāng)皮帶運(yùn)輸速率等于0.3m/s時(shí)，對(duì)照組診斷準(zhǔn)確度（η指標(biāo)）達(dá)到其最小取值結(jié)果89.4%，與其最大值相比，二者之間的差值達(dá)到了4.9%，高于實(shí)驗(yàn)組的極限數(shù)值差水平。

表3 η 指標(biāo)計(jì)算數(shù)值

從平均值角度來(lái)看，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組診斷準(zhǔn)確度（η指標(biāo)）的數(shù)值水平始終高于對(duì)照組。

綜上可知，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

1）基于改進(jìn)堆疊降噪自動(dòng)編碼器的診斷方法對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)故障表現(xiàn)行為的診斷準(zhǔn)確度可以達(dá)到90%；

2）基于圖像識(shí)別的診斷方法對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)故障表現(xiàn)行為診斷準(zhǔn)確度的最大值超過(guò)了99%；

3）與基于改進(jìn)堆疊降噪自動(dòng)編碼器相比，基于圖像識(shí)別的診斷方法能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障表現(xiàn)行為進(jìn)行診斷，在最大化延長(zhǎng)機(jī)械元件設(shè)備的壽命周期方面具有更強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

在圖像識(shí)別原理的作用下，新型皮帶運(yùn)輸機(jī)故障自動(dòng)診斷方法以固有模態(tài)函數(shù)作為切入點(diǎn)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)故障行為的振動(dòng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再聯(lián)合時(shí)域同步診斷系數(shù)，判別已知的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障特征。與基于改進(jìn)堆疊降噪自動(dòng)編碼器相比，這種新型診斷方法能夠?qū)ζн\(yùn)輸機(jī)故障表現(xiàn)行為進(jìn)行更加準(zhǔn)確地判別，能夠穩(wěn)定延長(zhǎng)機(jī)械元件設(shè)備的壽命周期。