基于信息融合技術(shù)的機電設備絕緣故障檢查系統(tǒng)研究*

楊桂婷

（邵陽職業(yè)技術(shù)學院，湖南 邵陽 422000）

1 信息融合技術(shù)概述

1.1 定義

通常，對多個傳感器所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)利用計算機技術(shù)，根據(jù)相應規(guī)則完成自動分類、整合處理等大數(shù)據(jù)分析任務，以完成所需要的判斷與預測等工作，此技術(shù)便是信息整合技術(shù)。而根據(jù)此概念，可以理解為信息融合的硬件設備基本為多個傳感器，但信息融合技術(shù)關(guān)鍵在于對多源數(shù)據(jù)的處理，而協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理才是大數(shù)據(jù)整合的技術(shù)基石。所以，數(shù)據(jù)整合既可以稱之為數(shù)據(jù)整合，也可以叫做多源信息數(shù)據(jù)整合。從軍事方面來看，通過對多源信息和數(shù)據(jù)進行監(jiān)測、評估、關(guān)聯(lián)、綜合等幾級多層面的信息處理，可以導致狀態(tài)和威脅比估計時的狀態(tài)和判斷更加準確迅速。此外，信息融合技術(shù)也可被視為探測將多傳感器所獲取的多源信號，利用計算機信息技術(shù)按照特定規(guī)律進行自動分析、綜合等工作后，可以自動形成人們期望的綜合信息的過程[1]。主要對多類型、多源、多平臺傳感器獲取的數(shù)據(jù)、照片、視頻等多樣化信息實施采集、傳輸、整合、分析、綜合、合成等工作，可以非常迅速地完成各種情報數(shù)據(jù)的處理以及自動圖形標繪。

1.2 信息融合技術(shù)的優(yōu)點

第一，實現(xiàn)任務性能平穩(wěn)。系統(tǒng)的各種感應器可以獨立地提取任務情況。某一個感應器受到外界影響而不能檢測任務時，不會干擾其他感應器的工作特性。第二，空間分辨率更高。通過幾何方法就可以把多種傳感器信息整合在同一個傳感器孔徑，這樣就可以達到比其他獨立傳感器更大的空間分辨率。第三，對目標信息更加精確。目標和事件之間的假設集合可以因為多傳感器所獲取的目標信號差異大而減少。此外，對多次或幾個獨立檢測的多個目標空間或時間能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的信息綜合，使目標的可靠性增強，從而提高了檢測的性能。第四，得到單個傳感器無法獲取的目標信息[2]。傳感器的頻率互補性擴大了空間和時間的覆蓋范圍，增加了空間維度，降低了電子對隱蔽、欺騙的對抗措施，并檢測到氣象和地形干擾造成的盲點。利用多傳感器系統(tǒng)固有的冗余，將有效解決系統(tǒng)的不可靠性問題并改善其允許誤差。

1.3 信息融合技術(shù)的實現(xiàn)步驟

信息融合，是在分布式計算機中基于從各信息源獲取的信息，形成具備一定智能的意識決定體系。在分析和處理由多種傳感器送來的信號時，通過信息融合有序地進行以下工作。

第一，收集信息。根據(jù)問題分析領域，在分布式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中廣泛收集提取相關(guān)信息元素，實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。第二，信息識別。識別提取的信息，排除錯誤，保存真實信息，并確定可靠性。第三，信息處理。有必要對多個信息來源提供數(shù)據(jù)的相關(guān)性進行定量分析，并根據(jù)某些標準將其分為不同的集合。每個集合中的數(shù)據(jù)都與相同的信息源相關(guān)聯(lián)[3]。第四，融合處理。從來源選擇信息；根據(jù)其他信息來源檢查和修改消息的每個元素；檢查、分析、補充、綜合、協(xié)調(diào)、修訂和評估來自不同信息來源的信息；實時分析和總結(jié)信息；通過分析判斷綜合信息。第五，創(chuàng)建工作數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫，供各領域?qū)＜夷M使用；在工作信息存儲和信息源之間建立聯(lián)系。

2 信息融合故障診斷的系統(tǒng)框架

信息融合體系架構(gòu)，也是指信息融合系統(tǒng)的總體架構(gòu)、運作形式、功能模式，由于目前關(guān)于信息融合技術(shù)中機電設備故障信息融合檢測框架的研究成果相對較少，通用的體系結(jié)構(gòu)可分成四層：第一層為檢測層，第二層為時空層，第三層為屬性層，第四層為符號層[4]。此外，還把大數(shù)據(jù)融入了整個體系分成數(shù)據(jù)信息融合級、特征融合級、決策融合級三個層次，并根據(jù)信息融合期間的I/O特征詳細地劃分五個融合過程。融合過程中最底層的融合形式主要是數(shù)據(jù)輸入/數(shù)據(jù)輸出，此步驟主要利用預處理等方式分析多資料源的原始數(shù)據(jù)，如濾波；數(shù)據(jù)輸入/特征輸出則主要是識別特征的，獲取方法是通過整合多資料源數(shù)據(jù)，再利用頻譜分析、相關(guān)分析、軸心軌跡數(shù)據(jù)分析等方式獲取機電設備的故障特性信息；而特征輸入/特性輸出則是指運用數(shù)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)分析和融合方式處理已經(jīng)獲取的特性信息形式；而特征輸入/決策輸出主要是借助已熟知的知識和現(xiàn)有經(jīng)驗，對來自不同資料信息源的特征信息形式加以分析識別，從而獲取特征融合結(jié)果等；而決策輸入/決策輸出則主要是指對局部的策略結(jié)果進行更廣泛的融入的過程[5]。但在具體的機電設備故障診斷過程中，需要根據(jù)不同情況和施工條件進行合理的融合診斷步驟，有些融合環(huán)節(jié)可以跳過。

3 基于信息融合技術(shù)的機電設備絕緣故障檢查系統(tǒng)

3.1 信息融合的電纜絕緣故障檢測系統(tǒng)

機電設備的絕緣故障發(fā)生的主要部件有電氣元件、電纜電線、控制柜等，本文以機電設備電纜電線的絕緣故障檢測為例進行分析。第一，主要通過溫度傳感器、電流傳感器等，對機電設備主要電纜上的信息進行收集后，將收集的相關(guān)信號傳輸?shù)紸RM微處理器，這時處理器會分析收集的信號，并利用GPRS通信模塊將獲得的分析結(jié)果傳輸?shù)胶笈_。機電元件的絕緣故障檢測信息被后臺監(jiān)測中心讀取后，將能夠更加清晰地了解目前機電設備電纜的狀態(tài)。本系統(tǒng)采集電纜絕緣故障信號的電流傳感器選用的是脈沖電流傳感器，脈沖電流傳感器的原理是羅格夫斯基原理，其主要作用是收集當前機電設備的電纜脈沖的放電信號。在工廠機電設備應用中，機電設備電纜放電有時是單氣隙的電纜局部放電，有時是多氣隙的電纜局部放電。當機電設備電纜等效為單氣隙的電纜局部放電時，局部放電過程的電容是Ce當作電容氣隙，Ca當作絕緣層的電容；當機電設備電纜等效為多氣隙的電纜局部放電時，每個氣隙的放電時間不一致，且它們之間放電的間隔時間也不相同，在相同時間內(nèi)多氣隙放電頻率低，但是放電電荷和單氣隙相比會明顯增加[6]。第二，在D-S證據(jù)理論的基礎上開發(fā)信息融合技術(shù)的絕緣故障檢測系統(tǒng)。根據(jù)不同機電設備電纜類型，選擇不同的傳感器進行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，將多個傳感器的不同信息加以綜合處理，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將獲得更有意義的數(shù)據(jù)。檢測過程分為三個步驟：1）建設絕緣模型；2）進行信息技術(shù)融合；3）獲得絕緣故障診斷結(jié)果。

3.2 多傳感器信息融合在電機絕緣故障診斷中的應用

單個參數(shù)和特征是傳統(tǒng)電機絕緣故障診斷的基礎條件，故障診斷系統(tǒng)主要是對能夠觀測的數(shù)據(jù)特征進行提取，之后結(jié)合這些數(shù)據(jù)來判斷設備是否存在絕緣故障，而且傳感器的準確度以及信號處理的分辨率會直接影響故障診斷的可信度。但是，電機絕緣故障的種類比較多，每種故障都會對應多個參數(shù)，這也使得傳統(tǒng)根據(jù)單個參數(shù)進行故障檢查方式的精確度大大地降低，進而導致無法對部分故障定位以及定位故障的狀態(tài)平臺進行量化和定性分析。此外，由于產(chǎn)生絕緣故障的因素在時域分析方面往往存在著混雜性、更高的能量變化特性，因此往往出現(xiàn)幾個故障對應同一種檢查結(jié)果的情況，而且結(jié)果的嚴重程度往往具有較大差別，假如沒有具體分析就簡單地處理，會導致電機絕緣故障的誤差值增加，所以說，傳統(tǒng)的電機絕緣故障檢測方法存在較大的局限性[7-9]。因此，為了能夠提高電機絕緣故障診斷的準確性，將信息融合技術(shù)融入，并建立完善的信息融合電機絕緣檢查系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的不足和不確定因素進行彌補。在實際操作時，可以在傳感器的大數(shù)據(jù)層、特征層、決策層之間進行整合，并且根據(jù)不同層次必須全面考慮成本效益與綜合效果的均衡情況來選取融合層，并且各個混合層的集成方式也都有所不同。數(shù)據(jù)層可以使用數(shù)量形式算法對模型中的不確定性進行估算，同時也可以對電機絕緣狀態(tài)進行預測，例如卡爾曼濾波。另外，可以使用模式分類和識別的方法實現(xiàn)特征層的融合，如貝葉斯估計、證據(jù)推理等。將信息融合技術(shù)應用于電機絕緣故障檢測中，可以擴大電機絕緣故障監(jiān)測范圍，使監(jiān)測對象進一步擴大，可以面向?qū)ο筮M行監(jiān)測，從而增加監(jiān)控網(wǎng)絡和檢測途徑，這樣就能夠使故障診斷處理過程中的激勵與反饋關(guān)系不斷擴大，有利于更好地區(qū)分電機絕緣故障原因。使用很多的檢測對象，對原有的故障特征進行趨同故障源并給出更有效的依據(jù)，最后達成電機絕緣故障的分離和定位。同時通過多個不同的觀測器可以得到各個時空的測試結(jié)果，這樣能夠促進故障辨別能力的不斷提升，從而保障電機絕緣故障檢測的準確性。

4 基于信息融合技術(shù)的故障診斷的發(fā)展趨勢

信息融合技術(shù)充分發(fā)揮了多傳感器的各種信息融合處理功能，完成系統(tǒng)的信息檢測、突變系統(tǒng)的信息檢測以及告警，所以，它較以往的故障診斷技術(shù)擁有較高的準確性和可靠性[10-11]。信息融合技術(shù)是一個復雜的多學科綜合應用的技術(shù)，它將高等數(shù)學、模式識別、證據(jù)推理、信號處理、計算機科學、粗集理論、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡等多種學科進行融合疊加，從而形成一個全新的探索領域，該領域隨著技術(shù)的革新也在不斷創(chuàng)新和進步。未來基于信息融合技術(shù)的故障診斷的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾點。

第一，信息被隱含在狀態(tài)測量中的情況是故障檢測中常見的情況，但是量測不是一個穩(wěn)定狀態(tài)，這樣會導致信息不全面，從而使故障識別的速度降低、精準度下降。如果采用對狀態(tài)/數(shù)據(jù)的綜合計算，就能解決以上問題，通過將數(shù)據(jù)級、特征級和決策級三個功能層級的融合結(jié)果，演變?yōu)榫C合診斷系統(tǒng)的相關(guān)信息并加以綜合處理，就能夠達到將不同方法綜合集成的目的。

第二，在多傳感器數(shù)據(jù)融合計算理論中，不同型號的傳感器數(shù)據(jù)采集的速度有快慢的區(qū)別，不同類型的傳感器都有不同的延時響應，那么數(shù)據(jù)傳達就會有相應的延時，這就造成同時異步多傳感器狀態(tài)/參數(shù)的融合計算復雜且不精準。如何解決實踐中的異步問題是未來探索的重點方向[12]。

第三，通過增加融合系統(tǒng)的容錯能力或穩(wěn)健性，使與融合系統(tǒng)有沖突的信號或由傳感器故障而引起的錯誤信息仍然可以作出適當?shù)奶幚?，并給出正確的反饋。

第四，增強融合系統(tǒng)的實時性。當監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器增加，數(shù)據(jù)采集量劇增，那么傳送給信息融合故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)果量也大幅增加，勢必會造成系統(tǒng)不能及時處理相關(guān)信息，那么如何提高實時性就成為亟待解決的問題。

第五，評估信息融合故障診斷系統(tǒng)的性能。高效地對系統(tǒng)進行多方案設計，同時建立最優(yōu)的模型對系統(tǒng)性能進行全面有效的評估，有效地從多個方案中快速比較出最合理的方案。

5 結(jié)論

機電設備在各個行業(yè)中都得到了廣泛應用，一旦機電設備出現(xiàn)故障會影響生產(chǎn)經(jīng)營的發(fā)展，而在機電故障中絕緣故障最為常見，而且形成原因比較多。為了準確有效地檢查出絕緣故障的具體情況，可以將信息融合技術(shù)應用到檢測系統(tǒng)中，構(gòu)建一種準確便捷的機電設備絕緣故障檢查系統(tǒng)，從而提高機電檢測維修的效率。