摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)設(shè)計研究?

馬玉飛 何 可 張執(zhí)南

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 上海 200240）

摩擦學(xué)是多學(xué)科交叉融合的一門學(xué)科，涉及機(jī)械、力學(xué)、物理、化學(xué)、材料、聲學(xué)等學(xué)科［1］。由于摩擦學(xué)研究的復(fù)雜度，多數(shù)學(xué)者以摩擦學(xué)試驗研究作為主要研究內(nèi)容。在研究過程中，研究人員通常希望獲取摩擦因數(shù)、磨損率和磨損形貌等能夠直接表征材料的摩擦磨損特性的參量［2］。例如，在船舶海洋領(lǐng)域，為實現(xiàn)船舶水潤滑艉軸承的材料選型，研究人員采取對不同材料的摩擦因數(shù)和磨損率進(jìn)行對比的方式［3］。在摩擦學(xué)試驗過程中，還會產(chǎn)生振動［4］、聲音［5］、熱［6］等衍生信息，而通用摩擦磨損試驗機(jī)一般不具備采集上述信息的功能，加之試驗樣件尺寸小以及摩擦副之間存在相對運動的問題，通常難以實現(xiàn)對磨損率、磨損形貌等的在位測量。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者在研究中將數(shù)據(jù)驅(qū)動方法與摩擦學(xué)相結(jié)合，為摩擦學(xué)行為監(jiān)測和預(yù)測提供新思路［7］。在這一背景下，也衍生出了摩擦信息學(xué)這一新方向［8－9］。例如，有學(xué)者將數(shù)據(jù)驅(qū)動方法應(yīng)用于船舶柴油機(jī)磨損故障識別領(lǐng)域，結(jié)合反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與磨損故障模式識別規(guī)則有效實現(xiàn)了船舶柴油機(jī)的磨損故障分類［10］。同時，也有學(xué)者將K 近鄰（K Nearest Neighbors，KNN）、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）、隨機(jī)森林（Random Forest，RF）等機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于摩擦學(xué)試驗數(shù)據(jù)，以材料屬性和摩擦試驗工況為輸入，以摩擦因數(shù)和磨損率為輸出，實現(xiàn)了對材料摩擦因數(shù)和磨損率的預(yù)測［11］。除此以外，有學(xué)者將高斯過程回歸（Gaussian Process Regression，GPR）算法和長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short－term Memory，LSTM）等應(yīng)用于潤滑條件下的摩擦磨損試驗研究中，實現(xiàn)了對潤滑工況下材料摩擦磨損狀態(tài)的監(jiān)測［12－13］。針對干摩擦條件下的摩擦磨損試驗，有學(xué)者將數(shù)據(jù)驅(qū)動方法應(yīng)用于材料摩擦磨損狀態(tài)的識別與分析，如BENABDALLAH 和AGUILAR［14］采集摩擦磨損試驗過程中的聲發(fā)射信號并建立了其與摩擦因數(shù)和磨損率之間的關(guān)聯(lián)。在現(xiàn)有的研究中，部分研究人員以靜態(tài)的工況條件為輸入進(jìn)行摩擦學(xué)行為的預(yù)測，缺乏對試驗過程中動態(tài)信息的捕捉；部分研究人員考慮到了摩擦過程中的信息與摩擦磨損狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，但采集的信息通常較為單一，難以全面地把握材料的摩擦磨損狀態(tài)，且信息采集平臺多內(nèi)置于自行開發(fā)的摩擦磨損試驗臺［15］，缺乏一定的通用性。因此，為了更為全面而準(zhǔn)確地監(jiān)測材料的摩擦磨損行為及其演變規(guī)律，有必要在通用的摩擦磨損試驗機(jī)上設(shè)計和搭建摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)，從而為摩擦學(xué)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基于通用摩擦磨損試驗機(jī)開發(fā)多源信息采集系統(tǒng)，需要考慮環(huán)境因素對系統(tǒng)設(shè)計的影響，本文作者以Rtec－5000S 多功能摩擦磨損試驗機(jī)為載體，基于環(huán)境設(shè)計理論（Environment－based Design，EBD）進(jìn)行了摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)的設(shè)計，開發(fā)了包括振動信號、聲壓信號和聲音信號等信息采集功能的摩擦過程信息采集系統(tǒng)，通過試驗驗證了該系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有摩擦試驗機(jī)的不足，為摩擦試驗過程中多源信息的采集與處理提供支持。

1 基于EBD 的多源信息采集系統(tǒng)設(shè)計

1.1 EBD 理論框架

EBD 理論是在設(shè)計建模公理化理論基礎(chǔ)之上按照邏輯步驟推導(dǎo)而得的設(shè)計方法論［16－17］。在該理論框架下，設(shè)計問題隱含在產(chǎn)品所處的環(huán)境中，包括3個部分內(nèi)容，分別為產(chǎn)品的預(yù)期工作環(huán)境、環(huán)境對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需求以及環(huán)境對產(chǎn)品性能的需求。在EBD理論模型中，設(shè)計人員以產(chǎn)品所處的環(huán)境為對象，挖掘其所隱含的產(chǎn)品需求，通過概念設(shè)計等方式，逐步完善產(chǎn)品的設(shè)計規(guī)劃。在基于EBD 理論進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的過程中，涉及到環(huán)境分析、沖突識別和解決方案生成這3 個核心步驟，如圖1 所示，設(shè)計人員需要不斷地重復(fù)和迭代這些步驟來生成最終的解決方案［18］。其中，環(huán)境分析旨在找出構(gòu)成產(chǎn)品預(yù)期工作環(huán)境的各個組件以及它們之間所存在的關(guān)聯(lián)。通過綜合考慮客戶需求和可能存在的其他需求，設(shè)計人員能夠構(gòu)建一個較為完整的環(huán)境系統(tǒng)。針對環(huán)境系統(tǒng)的分析可通過遞歸對象模型（Recursive Object Model，ROM）［19］來實現(xiàn)，在完成ROM 圖的構(gòu)建之后，設(shè)計人員可以明確環(huán)境所包含的不同對象之間存在的沖突，在針對某一沖突生成對應(yīng)的解決方案后，更新ROM 圖并重復(fù)前述步驟，即可逐步消除環(huán)境中所存在的沖突而得到最終的解決方案。在EBD 的應(yīng)用流程中，每一個關(guān)鍵沖突的識別都為解決方案的更新提供了基礎(chǔ)動力，當(dāng)環(huán)境系統(tǒng)中不再存在顯著沖突，即意味著當(dāng)前解決方案能夠滿足所有客戶需求以及隱含的其他需求。因此，沖突識別步驟在EBD 使用過程中占據(jù)了重要地位。

圖1 EBD 應(yīng)用流程［18］Fig.1 Application process of EBD［18］

1.2 設(shè)計模型

文中研究的多源信息采集系統(tǒng)以多功能摩擦磨損試驗機(jī)為載體進(jìn)行搭建，其應(yīng)用于基礎(chǔ)摩擦學(xué)測試領(lǐng)域。在環(huán)境分析階段，設(shè)計人員需要明確當(dāng)前基礎(chǔ)摩擦磨損試驗的操作流程以及試驗數(shù)據(jù)的處理流程，從而梳理得到摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能需求。梳理完畢后，基于構(gòu)建的ROM 圖在每一次迭代過程中針對關(guān)鍵沖突點提出相應(yīng)的解決方案，最終完成信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與搭建。遞歸對象模型的詳細(xì)要素定義如表1 所示。

表1 遞歸對象要素定義［19］Table 1 Definition of ROM elements［19］

針對“設(shè)計一個信息采集系統(tǒng)來獲取基礎(chǔ)摩擦試驗中的多源傳感器信息以評估材料摩擦磨損狀態(tài)”這一設(shè)計目標(biāo)，建立如圖2 所示的ROM 圖。其中，“系統(tǒng)”、“信息” 和“狀態(tài)” 這3 個對象在ROM 圖中受到的約束條件最多，可以作為EBD 理論中構(gòu)成環(huán)境的關(guān)鍵部分。通過關(guān)鍵點的質(zhì)詢，可以進(jìn)一步挖掘和明確關(guān)鍵點之間的關(guān)聯(lián)。

圖2 摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)設(shè)計ROM 圖Fig.2 The final ROM of multi－source tribological information acquisition system

1.3 沖突識別與解決方案

基于圖2 中的ROM 圖，可以對環(huán)境中存在的關(guān)鍵沖突進(jìn)行識別和分析，并逐一尋求解決方案來克服每一個沖突。表2 列舉了設(shè)計項目中存在的各個關(guān)鍵沖突。

表2 摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵沖突Table 2 Key conflicts in the design of multi－source tribological information acquisition system

沖突1：摩擦磨損狀態(tài)可監(jiān)測與極端工況之間的沖突

部分摩擦磨損試驗要求在極端工況下進(jìn)行，如空間環(huán)境、高溫、低溫、高濕、腐蝕性環(huán)境，這些試驗通常要求試驗腔體封閉，導(dǎo)致試驗人員無法直接觀測試驗的運行狀況［20］。為獲取摩擦試驗過程中的狀態(tài)信息，有必要綜合利用物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等技術(shù)。

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是一種能夠集成上述工具的新興技術(shù)，它是實現(xiàn)物理與虛擬空間相互融合、共同演化的關(guān)鍵技術(shù)。一方面，數(shù)字孿生可以將物理實體的屬性和當(dāng)前狀態(tài)實時反映到虛擬空間來實現(xiàn)對物理實體的狀態(tài)監(jiān)測［21］。另一方面，數(shù)字孿生也可以通過改變虛擬實體的狀態(tài)來遠(yuǎn)程控制物理實體的狀態(tài)。

文中使用Unity 3D 軟件，基于數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬空間構(gòu)建了Rtec－5000S 多功能摩擦磨損試驗機(jī)的虛擬實體，如圖3 所示。數(shù)字孿生增強(qiáng)的摩擦磨損試驗為研究人員提供了操作界面，研究人員可以查看試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)、了解試驗機(jī)的工作原理。在試驗過程中，部署在試驗機(jī)上的多源傳感器實時采集數(shù)據(jù)，使得研究人員能夠在操作界面上查看試驗機(jī)的實時運行數(shù)據(jù)以及試驗機(jī)的運行狀態(tài)。試驗結(jié)束后，試驗人員可以獲得關(guān)于該組試驗的詳細(xì)報告。

圖3 數(shù)字孿生增強(qiáng)的摩擦磨損試驗Fig.3 Digital twin－enhanced tribological test

沖突2：摩擦學(xué)信息完整性與現(xiàn)有信息單一之間的沖突

摩擦學(xué)行為具有多學(xué)科耦合的特性，摩擦過程中涉及多種現(xiàn)象，如力、熱、電、光和磁等。因而，單一的物理、化學(xué)、材料和力學(xué)信息無法準(zhǔn)確而完整地描述摩擦學(xué)系統(tǒng)的特性。為此，要構(gòu)建較為完備的摩擦學(xué)系統(tǒng)信息單元，首先需要從信息采集的角度考慮。在摩擦學(xué)試驗研究中，與摩擦磨損狀態(tài)直接關(guān)聯(lián)的信息多以隱性形式存在于摩擦學(xué)系統(tǒng)中，如磨損量、磨損深度、磨損率和磨損表面形貌等，它們與摩擦試驗工況、摩擦材料特性等存在密切關(guān)系，是分析和研究摩擦學(xué)系統(tǒng)行為的重要信息來源。這些信息的不易獲取導(dǎo)致難以實現(xiàn)對摩擦磨損狀態(tài)的直接監(jiān)測。利用摩擦信息學(xué)技術(shù)，可以通過建立易獲取的摩擦學(xué)衍生量和難獲取的摩擦學(xué)狀態(tài)量之間的關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)對摩擦磨損狀態(tài)的監(jiān)測。

為保障摩擦學(xué)信息的完整性，文中從硬件和軟件結(jié)合的角度實現(xiàn)摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)的方案設(shè)計。如圖4 所示，硬件方面，信息采集系統(tǒng)基于多功能摩擦磨損試驗機(jī)設(shè)計和搭建，由不同類型的傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和搭載軟件系統(tǒng)的計算機(jī)組成。其中，傳感器包括采集振動信號的加速度傳感器、激光位移傳感器、采集聲壓信號的聲壓傳感器以及采集聲音信號的麥克風(fēng)構(gòu)成，它們部署在試驗機(jī)腔體內(nèi)部。軟件方面，信息采集系統(tǒng)基于LabVIEW 圖形化編程軟件開發(fā)，用于實現(xiàn)對聲壓信號、振動信號和聲音信號的實時采集、實時顯示和后臺存儲。

圖4 摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)方案設(shè)計Fig.4 Scheme design of multi－source tribological information acquisition system

2 應(yīng)用驗證

為評估前文提出的摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)設(shè)計方案，文中基于Rtec－5000S 多功能摩擦磨損試驗機(jī)部署和搭建了摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)。試驗機(jī)內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集和獲取試驗過程中的載荷、摩擦力、摩擦因數(shù)以及上試樣高度等信息，信號采樣頻率為1 000 Hz，利用滑動平均方法將信號采樣頻率降至100 Hz。盡管試驗機(jī)能夠獲取試驗中的部分信息，但這些信號主要局限于力學(xué)和位移信息，缺乏對試驗過程中的摩擦學(xué)衍生量的測量。文中研制的信息采集系統(tǒng)用于采集摩擦磨損過程中的摩擦學(xué)衍生量，如圖5（a）所示，使用KEYENCE LKG80 激光位移傳感器測量上試樣的X方向振動信息，使用2 個壓電式加速度傳感器分別測量上試樣的Y、Z2 個方向的振動信息，使用聲壓傳感器測量試驗過程中的聲壓信息，使用TASCAM DR－05X 立體聲數(shù)字麥克風(fēng)采集試驗過程中的聲音信息。

圖5 摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)Fig.5 Multi－source tribological information acquisition system：（a）hardware system；（b）software framework

采集到的上述信息基于LabVIEW 軟件通過數(shù)據(jù)采集卡獲取并顯示在軟件界面中，圖5（b）所示為摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)的軟件框架，由信號采集模塊、信號管理模塊以及軟件系統(tǒng)的其他模塊構(gòu)成。其中，信號采集模塊可供用戶設(shè)置信號采集的參數(shù)，并按照所設(shè)參數(shù)實時地讀取試驗過程中的振動信號、聲壓信號等；信號管理模塊實現(xiàn)多源信號在軟件界面中的實時動態(tài)展示，并將采集得到的信號實時存儲在用戶指定的文件位置；其他模塊包括程序時間流的控制以及程序報警等。

在完成軟、硬件系統(tǒng)的搭建后，為展示更多元的信息，文中進(jìn)一步將系統(tǒng)集成化，基于Unity 3D 構(gòu)建了Rtec－5000S 多功能摩擦磨損試驗機(jī)的數(shù)字孿生虛擬實體，如圖6 所示，該系統(tǒng)展示了試驗機(jī)的三維模型，用戶可以通過界面交互來執(zhí)行對試驗機(jī)的操作。除此以外，該系統(tǒng)將試驗機(jī)以及當(dāng)前摩擦磨損試驗的材料副、試驗工況等信息集成在界面右側(cè)，方便用戶直觀獲取當(dāng)前試驗的運行條件。在界面的左側(cè)，該系統(tǒng)實時展示了試驗過程中采集得到的多源信息，便于用戶了解當(dāng)前試驗的運行狀態(tài)。

圖6 試驗機(jī)數(shù)字孿生虛擬實體Fig.6 Digital twin virtual entity of the tribometer

在利用信息采集系統(tǒng)獲取到摩擦磨損試驗過程中的原始信息之后，為了便于后續(xù)利用，文中提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理方案，如圖7 所示。由于摩擦試驗過程中存在環(huán)境噪聲，首先將正式試驗過程中的信號與空載試驗中的信號進(jìn)行對比，尋找合適的濾波標(biāo)準(zhǔn)，將采集得到的原始信號進(jìn)行濾波，剔除環(huán)境中存在的高頻噪聲和低頻干擾，保留與摩擦磨損相關(guān)的子波；而后，由于摩擦過程多源信息的采集起始于摩擦試驗正式開始前，終止于摩擦試驗結(jié)束后，因此需要將信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，獲得對應(yīng)于實際摩擦磨損過程的信號，信號的裁剪通過對信號幅值設(shè)定閾值來實現(xiàn)。圖8 展示了原始信號和經(jīng)過濾波、裁剪等預(yù)處理操作后的信號。其中，試驗時長設(shè)置為180 s，該處展示了預(yù)處理后的試驗結(jié)束前60 s 的信號。結(jié)果表明該預(yù)處理流程能夠有效剔除試驗過程中的噪聲影響，保留與摩擦磨損狀態(tài)相關(guān)的信息。

圖7 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.7 Data preprocessing process

圖8 預(yù)處理前后信號對比Fig.8 Comparison of signals before and after preprocessing

以上應(yīng)用驗證結(jié)果表明，構(gòu)建的摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦試驗中多源信號的實時采集和存儲，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的試驗機(jī)數(shù)字孿生虛擬實體能夠為研究者提供更完整的試驗機(jī)信息和試驗過程信息。除此以外，提出的信號預(yù)處理方案能夠為研究者的后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)多源信息采集系統(tǒng)的完整框架搭建。

3 結(jié)語

針對現(xiàn)有的摩擦學(xué)試驗過程中難以直接獲取材料摩擦磨損狀態(tài)信息的問題，提出了摩擦過程多源信息采集系統(tǒng)設(shè)計方案并從軟硬件結(jié)合的角度進(jìn)行了實現(xiàn)，通過實際試驗驗證了信息采集系統(tǒng)對于多個摩擦學(xué)衍生量的采集滿足實時展示和存儲的要求?；谠摲桨笇崿F(xiàn)了針對摩擦學(xué)試驗過程中的振動、聲音、聲壓等多源信息的采集，為后續(xù)開展多源信息融合、多學(xué)科信息關(guān)聯(lián)映射提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時為摩擦學(xué)試驗人員監(jiān)測材料摩擦磨損狀態(tài)提供了可行途徑。該研究可推廣到航空航天、船舶海洋等領(lǐng)域的設(shè)備磨損故障診斷中，為設(shè)備的故障監(jiān)測和預(yù)測提供技術(shù)基礎(chǔ)。