自適應(yīng)傳輸技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

孫思琦，崔英英，梁雅博，張淑潔，逯瑞婷

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，西安 710061;2.長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安 710061)

0 引言

近年來,隨著交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展,隧道交通也在快速發(fā)展，目前我國已成為世界上隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。據(jù)交通部和鐵道部公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),我國現(xiàn)有公路隧道數(shù)量達(dá)到了21 316處,總長度2 199 km(2020年數(shù)據(jù));現(xiàn)有鐵路隧道16 798座,總長度19 630 km ( 2020年數(shù)據(jù))。隨著隧道數(shù)量和里程的不斷增加,在隧道內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)也越來越多。有研究人員研究過公路隧道發(fā)生火災(zāi)的頻率,認(rèn)為公路隧道火災(zāi)頻率為2次/億車公里,也即1 000 m長的隧道4～7年有一次火警,2 000 m長的隧道2～3年有一次火警。作為交通道路上的關(guān)鍵線路和控制性節(jié)點(diǎn),長大隧道在給交通運(yùn)輸業(yè)做出貢獻(xiàn)的同時(shí),隧道內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)也造成了巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。

在隧道火災(zāi)防治上，隧道通風(fēng)子系統(tǒng)做出了極大的貢獻(xiàn)。高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)在隧道日常運(yùn)作時(shí)排出車輛排放的易燃?xì)怏w以及將新鮮空氣送入隧道，因此用于置換氣體的軸流風(fēng)機(jī)在隧道通風(fēng)系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位。由于長期的重載運(yùn)行以及隧道內(nèi)外氣壓差的存在，軸流風(fēng)機(jī)逐漸會(huì)出現(xiàn)故障。早期的軸流風(fēng)機(jī)故障通常表現(xiàn)為振動(dòng)頻率的變化且難以察覺，人工巡查無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。目前對(duì)于風(fēng)機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的健康狀況監(jiān)控能在旋轉(zhuǎn)機(jī)械出現(xiàn)明顯故障或因故障徹底停工后發(fā)出警報(bào)，但此時(shí)需要投入更多的資金和人力去維修軸流風(fēng)機(jī)。因此對(duì)風(fēng)機(jī)的早期機(jī)械故障進(jìn)行診斷，不僅能大大降低風(fēng)機(jī)維護(hù)成本，對(duì)于防止可控故障發(fā)展為重大失控故障、響應(yīng)國家工業(yè)數(shù)字化建設(shè)有著極其重要的意義。

目前，國內(nèi)外已有學(xué)者開展了基于信號(hào)分析的風(fēng)機(jī)故障診斷研究，冷軍發(fā)等[1]通過FFT分析礦井通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)頻譜，診斷出其軸系不對(duì)中的故障；王衛(wèi)東[2]采取了對(duì)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域頻域結(jié)合分析的方法，探查了高爐鼓風(fēng)機(jī)故障類型、部位以及原因；周卓異等[3]通過結(jié)合風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)模型，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)軸系不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡、基座松動(dòng)、葉片損壞4種典型故障的Fourier頻譜特征做出了理論分析預(yù)測(cè)；劉瑤[4]通過深度學(xué)習(xí)方法，采用長短時(shí)記憶模型和殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種深度學(xué)習(xí)方法分別對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行深層特征提取，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)故障分類。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者研究重點(diǎn)可大致分為兩類：一類為對(duì)軸流風(fēng)機(jī)信號(hào)的頻域特征進(jìn)行提取分析；另一類通過對(duì)故障診斷過程中的深度學(xué)習(xí)方法加以改進(jìn)提升。無論基于哪種方法進(jìn)行故障診斷，均需要較強(qiáng)的計(jì)算能力，在數(shù)據(jù)采集端直接進(jìn)行故障診斷受電源和計(jì)算能力的限制，因此振動(dòng)數(shù)據(jù)需傳輸?shù)焦收显\斷專用的上位機(jī)。迄今為止的研究未考慮到風(fēng)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境如隧道中振動(dòng)數(shù)據(jù)如何發(fā)送至故障判別端的問題。在給隧道風(fēng)機(jī)加裝故障檢測(cè)系統(tǒng)的過程中，系統(tǒng)監(jiān)控到的振動(dòng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送給隧道管理中心，通過有線傳輸可保證傳輸帶寬，但長大隧道的復(fù)雜環(huán)境增加了有線傳輸布線的難度，隧道中無線傳輸方式多徑衰落嚴(yán)重，當(dāng)傳輸信噪比惡化時(shí)，需要抗干擾能力強(qiáng)的無線傳輸技術(shù)來保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展掀起了一場(chǎng)通信技術(shù)革命，LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)作為其產(chǎn)物之一，一直受到廣泛關(guān)注，LoRa芯片以其抗多徑能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于多徑衰落嚴(yán)重的信道中。在風(fēng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，振動(dòng)數(shù)據(jù)上傳的越詳細(xì)對(duì)于系統(tǒng)的故障判別越有利，但在惡劣環(huán)境下由于LoRa本身擴(kuò)頻調(diào)制的特點(diǎn)，傳輸信噪比降低時(shí)需要增大調(diào)制的擴(kuò)頻倍數(shù)，因此傳輸速率受到限制，而軸流風(fēng)機(jī)的故障監(jiān)測(cè)需要實(shí)時(shí)將振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送到故障判別端。

為了解決這個(gè)問題，論文對(duì)軸流風(fēng)機(jī)健康狀況監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行研究，提出自適應(yīng)傳輸機(jī)制：將傳感器采集到的完整振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，高速公路隧道環(huán)境多變，在傳輸信噪比較高時(shí)，LoRa擴(kuò)頻倍數(shù)較小，此時(shí)LoRa傳輸帶寬充足，上傳更加詳細(xì)的振動(dòng)數(shù)據(jù)以提高故障判別的準(zhǔn)確率；當(dāng)信道信噪比降低時(shí)，LoRa擴(kuò)頻因子增大使信號(hào)的抗干擾能力增強(qiáng)，此時(shí)需對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性上傳，通過犧牲小部分細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)換取故障檢測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。當(dāng)故障判別端檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，則要求發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)，將完整振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送至故障判別端進(jìn)行分析。

1 自適應(yīng)傳輸機(jī)制模型

自適應(yīng)傳輸模型如圖1所示，加速度傳感器將風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信息后送入數(shù)據(jù)采集卡模塊進(jìn)行處理，采集卡對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行高頻采樣并保存至本地存儲(chǔ)卡，為了減少數(shù)據(jù)傳輸壓力，對(duì)采樣序列進(jìn)行抽取以及非均勻量化編碼。采集卡輸出的二進(jìn)制比特流通過LoRa擴(kuò)頻調(diào)制模塊，先后經(jīng)過糾錯(cuò)編碼機(jī)、交織器和擴(kuò)頻序列產(chǎn)生器，包裝為標(biāo)準(zhǔn)LoRa幀結(jié)構(gòu)后由發(fā)射天線發(fā)送。

圖1 自適應(yīng)傳輸模型圖

隧道中軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間通常為車流量高峰期，此時(shí)隧道車流量大，存在大量噪聲，包括了軸流風(fēng)機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲以及輪胎噪聲等，經(jīng)測(cè)試隧道車輛產(chǎn)生的噪聲與以下因素有關(guān)。

1)隧道中車輛構(gòu)成種類：一般來講，任何車都存在噪聲隨著行駛速度增大而增大的問題，在同樣的行駛速度下，大型車噪聲最大；中型車次之；小型車最小。而軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間所在的車流量高峰期，是以大型車的車流量作為標(biāo)準(zhǔn)的。

2)車流量：噪聲級(jí)隨著車流量增加而增加，并且隧道內(nèi)的噪聲高于隧道外的噪聲。

3)路面結(jié)構(gòu)：輪胎與路面的摩擦噪聲與路面的種類有關(guān)，混凝土路面較瀝青混凝土路面高2 dB，較碎石路面高4 dB。

4)隧道內(nèi)墻壁吸聲系數(shù)：隧道內(nèi)墻壁對(duì)聲波的吸收作用小，是造成洞內(nèi)噪聲污染的一個(gè)重要原因。

此外，還有車輛鳴笛和路堤高度等因素，可以看出隧道中的噪聲成分以及噪聲大小是時(shí)刻變化且不可控的。因此故障判別端在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)恢復(fù)后，需要將解擴(kuò)信號(hào)的信噪比實(shí)時(shí)反饋給發(fā)送端LoRa模塊。

當(dāng)信噪比惡化時(shí)，LoRa芯片能主動(dòng)增大調(diào)制過程中的擴(kuò)頻因子。目前市面上的LoRa芯片傳輸帶寬均在400～1 000 kHz之間，在傳輸帶寬限制下振動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸速率被降低。若不改變數(shù)據(jù)采集參數(shù)會(huì)產(chǎn)生大量振動(dòng)數(shù)據(jù)堆積在數(shù)據(jù)緩存區(qū)無法及時(shí)發(fā)送。而隧道內(nèi)噪聲級(jí)做無規(guī)律變化增加了人為調(diào)整采集卡參數(shù)的難度。因此發(fā)送端LoRa模塊根據(jù)信噪比調(diào)整擴(kuò)頻因子大小，以調(diào)整后的LoRa傳輸速率作為參考標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整抽取因子D與量化編碼位數(shù)n的大小，減少LoRa待發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)緩存，最終使振動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸速率不高于LoRa信息最大傳輸速率，是自適應(yīng)傳輸機(jī)制的主要內(nèi)容。

2 自適應(yīng)傳輸關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于信號(hào)抽取的自適應(yīng)采樣

傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)首先需要在采集卡處進(jìn)行采樣。一般情況下，采用周期為TS的沖激函數(shù)序列P(t)與待采樣模擬序列x(t)相乘的方法，可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采樣過程。該過程如圖2所示，采樣序列頻域上的表現(xiàn)為原頻譜X(ω)的多次頻譜搬移[7]，搬移的角頻率為nωs(n=0,±1,±2,…) 。

圖2 信號(hào)的采樣過程

其中沖激函數(shù)序列的角頻率ωs與序列周期TS關(guān)系如式(1)所示，TS越小，最終得到的采樣序列角頻率的搬移越大，發(fā)生頻譜混疊的概率就越低，對(duì)接收端恢復(fù)信號(hào)越有利。因此在不考慮系統(tǒng)成本和傳輸功耗時(shí)，采樣頻率越大，對(duì)風(fēng)機(jī)故障類型的判別越準(zhǔn)確。

(1)

在模擬故障實(shí)驗(yàn)中對(duì)DTF-5可變翼軸流式通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)頻域進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，軸流風(fēng)機(jī)的故障分為軸承故障、基座松動(dòng)故障、轉(zhuǎn)子不平衡故障以及定轉(zhuǎn)子碰磨故障。在振動(dòng)信號(hào)頻譜低頻部分(0～500 Hz)，故障工況的頻率成分相比于正常工況更加豐富；部分故障工況如軸承故障、定轉(zhuǎn)子碰磨故障等，在高頻部分(500 Hz～2.5 kHz)有明顯的雜亂頻率成分。如圖3所示為軸流風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)子碰磨故障頻譜，頻率達(dá)到2.5 kHz時(shí)振動(dòng)能量基本消失，初采樣頻率Fs可選擇較高的10 kHz用于采集完整的振動(dòng)數(shù)據(jù)。為了減輕LoRa傳輸?shù)膲毫Γ蓸有蛄薪?jīng)本地保存?zhèn)浞莺?，需要進(jìn)行下采樣，即信號(hào)的抽取。

圖3 定轉(zhuǎn)子碰磨故障

信號(hào)抽取是指采樣序列每D個(gè)采樣點(diǎn)只保留下一個(gè)，其他采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)丟棄的過程，其中D是抽取因子，為整數(shù)。信號(hào)抽取的本質(zhì)是采樣，因此抽取過程需遵循奈奎斯特采樣定理，即Fs/D≥2Fh。

由式(2)可知抽取后信號(hào)頻譜延拓周期會(huì)降低為原來的nωs/D(n=0,±1,±2,…)，為防止抽取后頻譜混疊程度加劇，采用周期為ωs，寬度為ωs/D的數(shù)字濾波器濾掉可能發(fā)生混疊的頻譜分量。

LoRa在信道環(huán)境較好時(shí)可上傳較多數(shù)據(jù)，抽取因子D可根據(jù)LoRa傳輸速率進(jìn)行增減，當(dāng)噪聲增大后，抽取因子D的值開始增加，最終達(dá)到Fs/D=2Fh，由于0～500 Hz頻段范圍內(nèi)的頻率成分可直接判斷風(fēng)機(jī)是否出現(xiàn)故障，因此Fh取500 Hz即可。當(dāng)故障判別端檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)故障分頻，立即向接收端發(fā)送重傳申請(qǐng)，此時(shí)發(fā)送端會(huì)將未經(jīng)抽取的振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送至故障判別端，從而判斷故障的具體種類。

2.2 基于非線性規(guī)劃的信號(hào)量化

信號(hào)的量化過程分為均勻量化和非均勻量化，其中均勻量化是指量化區(qū)間等間隔劃分的量化技術(shù)，量化位數(shù)n表示量化需要的編碼位數(shù)，量化間隔Δq與各級(jí)量化電平qi的關(guān)系如式(2)所示。

Δq=(b-a)/2n

qi=a+iΔq,i=0,1,…,2n

(2)

其中:[a,b]為振動(dòng)信號(hào)幅度的取值范圍，均勻量化方法各級(jí)量化輸出電平值xqi為:

(3)

由于風(fēng)機(jī)故障信號(hào)大多表現(xiàn)為小幅度的高次諧波，采用均勻量化不能很好的描述故障信號(hào)特征，因此本文采用非均勻量對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行信源編碼。與均勻量化不同的是，非均勻量化的量化間距是基于信號(hào)分布估計(jì)選擇的，量化間隔計(jì)算具體步驟如下所示：

1)使用非參數(shù)直方圖估計(jì)法對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)幅度的分布情況進(jìn)行估計(jì)擬合得到其分布函數(shù)。非參數(shù)直方圖估計(jì)法將樣本風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)范圍劃分為M個(gè)等距離區(qū)間并統(tǒng)計(jì)落在每個(gè)區(qū)間的樣本個(gè)數(shù)，計(jì)算每個(gè)區(qū)間的概率密度后對(duì)該直方圖進(jìn)行擬合，最終得到風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的概率密度函數(shù)f(x)，軸流風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)擬合曲線如圖4所示。

圖4 擬合風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)概率密度函數(shù)

2)得到量化噪聲eq的關(guān)系式。 量化噪聲eq與信號(hào)的概率密度函數(shù)f(x)相關(guān)，其計(jì)算公式為：

(4)

其中:xq為量化輸出值，非均勻量化下采樣點(diǎn)的量化輸出關(guān)系如式(5)所示:

(5)

由于信號(hào)正負(fù)電平的對(duì)稱關(guān)系，即q-(2n-1-1)=-q2n-1-1，非均勻量化的量化噪聲可推導(dǎo)為：

(q1-q3)h(q2)+…+(q2n-1-2-q2n-1)h(q2n-1-1)+

(q2n-1+q2n-1-1)h(+∞)]

(6)

在量化噪聲eq取最小值的約束下，通過非線性規(guī)劃函數(shù)求出最佳的量化間隔。

通過上方法，無論量化編碼位數(shù)n的取值為多少，均可得到最優(yōu)的量化間隔，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)量化編碼后進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。

3 LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)

LoRa 是諸多LPWAN通信技術(shù)中的一種， 是一種基于擴(kuò)頻的調(diào)制方式，通過擴(kuò)頻把信號(hào)擴(kuò)展到帶寬較寬的噪聲中，獲得擴(kuò)頻增益。香農(nóng)公式是擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)，如式(7)所示為單位時(shí)間內(nèi)信道容量、信號(hào)帶寬和信噪比的關(guān)系，其中C為信道支持的最大傳輸速率或信道容量(b/s)；B為信道帶寬(Hz)；S為平均信號(hào)功率(W)；N為平均噪聲功率(W)；S/N為信噪比(dB)。

C=Blog2(1+S/N)

(7)

考慮到限時(shí)因素，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)頻帶、時(shí)間和信噪比三者互換可用公式表示為:

F1T1log2(1+γ1)=F2T2log2(1+γ2)

(8)

其中:F1和F2分別為系統(tǒng)變化前后的頻帶寬度(Hz)；T1和T2為系統(tǒng)變化前的時(shí)間(s)；γ1和γ2為系統(tǒng)變化前后的信噪比(dB)；用頻帶換取信噪比時(shí)擴(kuò)頻通信最常用的方法，根據(jù)式(9)：

T1=T2

?F1log2(1+γ1)=F2log2(1+γ2)

(9)

當(dāng)λ2?1時(shí)，γ1=γ2F2 /F1，其中F2/F1就是該擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻系數(shù)或稱為擴(kuò)頻因子。式(9)闡述了在傳輸信噪比降低時(shí)，可通過增大擴(kuò)頻倍數(shù)以維持信息最大傳輸速率或信道容量。

根據(jù)擴(kuò)頻的原理，擴(kuò)頻技術(shù)可分為直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻和線性調(diào)頻等，其中LoRa芯片采用的線性調(diào)頻技術(shù)通過改變chirp信號(hào)掃頻的初始頻率來表示不同的信息，LoRa信號(hào)的帶寬為B，碼元周期為TS，載波頻率為fc，chirp信號(hào)可由式(10)來表示。

s(t)=ejφ(t)=ej(2πfct+πB/TSt2)，-Ts/2

(10)

chirp信號(hào)的瞬時(shí)頻率可表示為:

(11)

式(11)表明，chirp信號(hào)的瞬時(shí)頻率始終處于線性變化狀態(tài)。根據(jù)擴(kuò)頻因子SF的大小，一個(gè)碼元符號(hào)被擴(kuò)展為2SF個(gè)碼片，不同的碼片排列順序可表示2SF個(gè)碼元符號(hào)。即1symbol=2SFchips，每個(gè)碼片帶寬為BW/2SFHz。例如當(dāng)SF取7時(shí)，通過128個(gè)碼片代表一個(gè)碼元，系統(tǒng)工作頻率為470 MHz，BW=250 kHz，則相鄰碼片間隔為250 kHz/128=1.95 kHz，其碼片帶寬如表1所示。

表1 碼片帶寬表

由表1可以看出，LoRa調(diào)制的特點(diǎn)在于不同時(shí)間下調(diào)制信號(hào)的載波頻率大小不同，當(dāng)無線信號(hào)在隧道中出現(xiàn)多徑傳播，經(jīng)不同路徑到達(dá)接收端時(shí)的時(shí)間不同時(shí)，在發(fā)送端和接收端時(shí)鐘同步的前提下，接收端有能力過濾掉多徑干擾分量，只解調(diào)主路徑傳播過來的信號(hào)。

根據(jù)碼片與信道帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得出LoRa的碼元符號(hào)傳輸時(shí)間Ts和符號(hào)速率RS與擴(kuò)頻因子的關(guān)系如式(12)所示:

Ts=2SF/BW

Rs=1/Ts=BW/2SF

(12)

LoRa碼元與比特的對(duì)應(yīng)關(guān)系為1symbol=SF bit，因此LoRa傳輸?shù)谋忍芈蕿?

Rb=RS*SF=SF*2SF/BW

(13)

LoRa調(diào)制模塊引入了CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，糾錯(cuò)編碼機(jī)將有效載荷數(shù)據(jù)每4 bit增加1～4位前向糾錯(cuò)編碼(forward error correction，F(xiàn)EC)，前向糾錯(cuò)編碼配置如表2所示，在LoRa中使用的CRC編碼率為1。因此LoRa傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)速率為:

(14)

表2 前向糾錯(cuò)編碼配置表

針對(duì)不同的信道環(huán)境，LoRa芯片的擴(kuò)頻因子SF可選范圍為7～12，在這里我們選擇的LoRa芯片型號(hào)為SX1278，其工作頻率為410～440 MHz，共計(jì)32個(gè)信道，單個(gè)信道帶寬為1 MHz，根據(jù)以上公式可得出表3中不同擴(kuò)頻因子下的有效數(shù)據(jù)傳輸速率。

表3 SX1278芯片不同擴(kuò)頻因子下傳輸速率

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，當(dāng)隧道中環(huán)境惡化時(shí)，接收端將接收信號(hào)的信噪比分析并反饋至LoRa調(diào)制發(fā)送端，根據(jù)不同信噪比下與擴(kuò)頻因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系，LoRa模塊的擴(kuò)頻因子增大至對(duì)應(yīng)的數(shù)值，此時(shí)有效數(shù)據(jù)傳輸速率降低，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)減少。

4 自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及系統(tǒng)搭建

本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為秦嶺終南山公路隧道，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為DTF-5可變翼式軸流風(fēng)機(jī)。

系統(tǒng)幾何位置圖如圖5所示，該隧道的軸流風(fēng)機(jī)放置在位于豎井底部的風(fēng)機(jī)機(jī)房中，軸流風(fēng)機(jī)通電后，將隧道內(nèi)的廢氣排至山頂，并將山頂?shù)男迈r空氣源源不斷地輸送進(jìn)隧道內(nèi)，從而達(dá)到通風(fēng)換氣的效果。軸流風(fēng)機(jī)上的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行無線傳輸時(shí)，路徑最短、耗能最低、傳輸最高效的路徑是沿著豎井進(jìn)行傳輸，但是豎井在物理結(jié)構(gòu)上是一條內(nèi)壁光滑的圓形管道，無線信號(hào)在豎井中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。

圖5 系統(tǒng)幾何位置圖

故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備、中繼基站、客戶端軟件。

數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備安裝在軸流風(fēng)機(jī)外殼上，包括壓電式加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、LoRa無線調(diào)制模塊，負(fù)責(zé)將軸流風(fēng)機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。

由于Lora的傳輸距離為3～5公里，部分長大隧道長度超過了10公里，隧道風(fēng)機(jī)距管理中心有一定距離，因此設(shè)置中繼基站安裝在豎井出口的信號(hào)基站上，用于解決隧道風(fēng)機(jī)與隧道管理所之間的距離超過LoRa最大傳輸距離的問題。

客戶端軟件安裝在隧道管理所監(jiān)控中心電腦上，負(fù)責(zé)將無線傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判別后存儲(chǔ)。

圖6 終南山隧道風(fēng)機(jī)房

如圖6所示為終南山隧道的風(fēng)機(jī)房，在風(fēng)機(jī)房中的軸流風(fēng)機(jī)外殼加裝傳感器、添加了自適應(yīng)傳輸機(jī)制的采集卡以及LoRa透?jìng)髂K，在實(shí)驗(yàn)中為了判斷風(fēng)機(jī)的故障診斷是否正確，分別通過在葉片根部加載重物實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡故障，破壞連接風(fēng)機(jī)葉片與轉(zhuǎn)軸的滾動(dòng)軸承來模擬軸承故障，將風(fēng)機(jī)地腳螺栓擰松來實(shí)現(xiàn)基座松動(dòng)故障，在風(fēng)機(jī)葉片上粘硬塑料片確保塑料片與風(fēng)機(jī)殼發(fā)生摩擦來實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子碰磨故障。

4.2 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

由于LoRa模塊在不同信噪比下傳輸速率為定值，采樣點(diǎn)數(shù)與編碼位數(shù)在當(dāng)前傳輸速率下可有多種取值方式，例如當(dāng)傳輸速率為43.75 kbps時(shí)，抽取因子和編碼位數(shù)取2和8或3和12均滿足無差錯(cuò)傳輸?shù)囊?，因此在終南山隧道中分別測(cè)試不同信噪比時(shí)，幾種模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)組合下客戶端顯示數(shù)據(jù)相對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)的誤碼率，最終得到在不同傳輸速率下采樣點(diǎn)數(shù)與編碼位數(shù)誤碼率最低的組合如表4所示。為了方便后續(xù)流程圖的繪制，為每一種組合增加了序號(hào)。

表4 不同信道環(huán)境下抽取因子與編碼位數(shù)組合

根據(jù)表4所得結(jié)果，自適應(yīng)傳輸機(jī)制過程可用公式(15)表示，其中符號(hào)“┌┐”表示向上取整，“||”表示取絕對(duì)值。式(15)描述的流程為：獲取接收端反饋的SNR值并進(jìn)行上取整計(jì)算，得到序號(hào)i，此時(shí)抽取因子D和編碼位數(shù)n取值為序號(hào)i對(duì)應(yīng)的Di與ni。

i=||SNR/2.5||-2,n=ni,D=Di

(15)

在轉(zhuǎn)子不平衡、軸承故障、基座松動(dòng)或定轉(zhuǎn)子碰磨等風(fēng)機(jī)故障已知的條件下，測(cè)試不同信道環(huán)境下LoRa故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與普通4G故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷結(jié)果，若診斷結(jié)果與風(fēng)機(jī)故障類型相同，認(rèn)為診斷成功，若不相同則認(rèn)為故障診斷失敗，統(tǒng)計(jì)并分析故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)診斷錯(cuò)誤的概率。

測(cè)試結(jié)果如表5所示。當(dāng)信噪比在-5 dB時(shí)，信道環(huán)境相對(duì)較好，Lora可以傳輸完整的振動(dòng)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，這對(duì)于客戶端的故障類型判別是十分有利的；隨著信道環(huán)境逐漸惡化，振動(dòng)數(shù)據(jù)抽取比例增大，由于故障頻譜低頻部分相似度較大，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的缺失逐漸增加了故障分辨的難度，故障診斷正確率開始降低。

表5 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

由表5可以看出，自適應(yīng)傳輸策略使LoRa傳輸風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)成為可能，普通故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于沒有LoRa擴(kuò)頻模塊強(qiáng)大的抗干擾能力，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫婀?jié)節(jié)敗退，在惡劣環(huán)境下丟失大量數(shù)據(jù)。因此采用自適應(yīng)傳輸?shù)腖ora故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能更好的在隧道等惡劣環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本文提出了基于自適應(yīng)傳輸機(jī)制的LoRa故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法在隧道等特殊場(chǎng)景下正常工作，因此在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝LoRa擴(kuò)頻調(diào)制模塊，由于LoRa的窄帶寬特性，在隧道環(huán)境多變的情況下通過自適應(yīng)傳輸機(jī)制根據(jù)信道環(huán)境自行調(diào)整數(shù)據(jù)采集參數(shù)。在經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后，相比于在隧道中安裝普通的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于自適應(yīng)傳輸機(jī)制的LoRa故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較好的傳輸性能得到證實(shí)，系統(tǒng)的可用性較強(qiáng)。