孫文義,馬淑華,顧德英

(東北大學(xué)秦皇島分校 自動(dòng)化工程系,秦皇島066004)

引 言

路燈電纜工作狀況相對(duì)復(fù)雜,通電和斷電交替進(jìn)行,燈具啟動(dòng)時(shí)電流較大。由于燈具老化,正常工作過(guò)程中一些燈會(huì)出現(xiàn)自熄等現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅要求檢測(cè)出電纜的各種故障,而且對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求較高。要達(dá)到一定的監(jiān)測(cè)精度,需要檢測(cè)的信息量較多[1]。

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將來(lái)自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù),在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行自動(dòng)分析、綜合,為完成所需要的決策和估計(jì)而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。它是針對(duì)系統(tǒng)中使用多個(gè)傳感器這一問(wèn)題而展開(kāi)的一種數(shù)據(jù)處理方法,通過(guò)對(duì)多類(lèi)同構(gòu)或異構(gòu)傳感器的冗余信息和互補(bǔ)信息進(jìn)行融合,得到被監(jiān)測(cè)對(duì)象的更加精確的評(píng)估,以便對(duì)事物進(jìn)行正確的判斷和決策。

在設(shè)備診斷領(lǐng)域,由于設(shè)備本身的復(fù)雜性和運(yùn)行環(huán)境的不穩(wěn)定性,單傳感器反映的設(shè)備信息具有不確定性。這種不確定性的存在必然導(dǎo)致故障診斷準(zhǔn)確率降低,甚至出現(xiàn)漏檢和誤診斷現(xiàn)象。多傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展為解決復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的不確定性問(wèn)題,提供了一條新的途徑[2-4]。

對(duì)于路燈電纜防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng),單一傳感器只能獲得部分特定信息,只有采用多傳感器數(shù)據(jù)融合后才能準(zhǔn)確地、完善地反映出整個(gè)系統(tǒng)的信息。對(duì)于路燈電纜故障診斷,由于路燈負(fù)載種類(lèi)差距較大,很難建立統(tǒng)一、確切的數(shù)學(xué)模型。因此,在路燈電纜防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采取模糊數(shù)據(jù)融合故障診斷方法,一定程度上增加了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,改善了路燈電纜防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。

1 模糊數(shù)據(jù)融合故障診斷方法研究

目前,故障診斷的數(shù)據(jù)融合方法主要可分為:貝葉斯定理數(shù)據(jù)融合故障診斷方法、模糊數(shù)據(jù)融合故障診斷方法、D-S證據(jù)理論數(shù)據(jù)融合故障診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合故障診斷方法。

數(shù)據(jù)融合故障診斷在提高診斷準(zhǔn)確率上有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),但也有局限性。貝葉斯方法中先驗(yàn)概率難以確定;模糊故障診斷中,在選擇各傳感器的影響權(quán)重時(shí)含有一定的主觀(guān)因素,如選擇不當(dāng)必將影響診斷準(zhǔn)確性;D-S證據(jù)理論中故障信度函數(shù)的確定也存在人為因素;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合,不僅存在確定故障隸屬度值的困難,而且存在訓(xùn)練樣本難以獲取的問(wèn)題。因此,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)既要考慮到融合方法各自的不足,又要發(fā)揮融合方法的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的診斷系統(tǒng)。

在路燈防盜系統(tǒng)中,傳感器數(shù)目較少,各傳感器權(quán)重以及各傳感器數(shù)據(jù)對(duì)不同故障類(lèi)型的隸屬度都可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取。本文選擇模糊數(shù)據(jù)融合故障診斷方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

路燈電纜防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模糊信息融合故障診斷的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)中,電纜故障診斷的過(guò)程分為:

①信號(hào)采集。通過(guò)傳感器采集電纜運(yùn)行狀態(tài)的特征信號(hào),如電壓、電流、通電狀態(tài)等。

②模糊數(shù)據(jù)融合。將采集的每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,從而構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣,與傳感器權(quán)重向量進(jìn)行合成運(yùn)算,得到合成結(jié)果。

③故障診斷。將融合中心的結(jié)果按照一定的規(guī)則進(jìn)行評(píng)判,最后評(píng)判出系統(tǒng)的故障類(lèi)型。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 模糊數(shù)據(jù)融合故障診斷方法

模糊集的基本思想是把普通集合中的絕對(duì)隸屬關(guān)系靈活化,使元素對(duì)集合的隸屬度從原來(lái)只能取0、1擴(kuò)充到可取[0,1]區(qū)間中的任一數(shù)值,因此很適合于用來(lái)對(duì)傳感器信息的不確定性進(jìn)行描述和處理。在應(yīng)用多傳感器信息進(jìn)行融合時(shí),模糊集理論用隸屬函數(shù)表示各傳感器信息的不確定性,再利用模糊變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

首先,設(shè) A為故障診斷系統(tǒng)可能決策的集合,如被診斷的設(shè)備故障集合;B為傳感器的集合。A和B的關(guān)系矩陣RAB中的元素μij表示由傳感器i推斷決策為j的可能性,X表示各傳感器判斷的可信度,經(jīng)過(guò)模糊變換得到的Y是融合后各決策的可能性。具體來(lái)說(shuō),假設(shè)有 m個(gè)傳感器對(duì)被診斷系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,而系統(tǒng)可能決策有n個(gè),那么

傳感器對(duì)各可能決策的判斷,用定義在A上的隸屬度函數(shù)表示。設(shè)傳感器i對(duì)待診斷系統(tǒng)的判斷結(jié)果為:[μi1/決策1,μi2/決策2,…,μin/決策n],其中(0 ＜μij＜1),即認(rèn)為結(jié)果為決策 j的可能性為 μij,記為向量(μi1,μi2,…,μin),m個(gè)傳感器構(gòu)成AB的關(guān)系矩陣

將各傳感器判斷的可信度用B上的隸屬度X={X1/傳感器1,X2/傳感器2,…,Xm/傳感器m}表示,那么由Y=XRAB進(jìn)行模糊變換,就可得到融合后的診斷結(jié)果Y=(y1,y2,…,yn),即融合后的各故障決策的可能性集合。

最后,對(duì)各故障決策的可能性集合按照一定的權(quán)重進(jìn)行選擇,得出最優(yōu)結(jié)果。對(duì)故障進(jìn)行決策時(shí),采用基于規(guī)則的方法,基本原則有[2]:

①判定的決策目標(biāo)應(yīng)具有最大的隸屬度值。

②判定的決策目標(biāo)的隸屬度值要大于某一閾值,具體數(shù)值要視實(shí)際問(wèn)題而定。

③判定的決策目標(biāo)和其他目標(biāo)的隸屬度值之差要大于某個(gè)門(mén)限。

4 算法實(shí)現(xiàn)

路燈電纜防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制器采用飛思卡爾公司的MC9S08AW60單片機(jī),編程軟件使用CodeWarrior forHC08 v5.1,模糊數(shù)據(jù)融合故障診斷算法流程如圖2所示。首先根據(jù)電纜通電狀態(tài)選擇出所需要的傳感器,對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,建立關(guān)系矩陣,查表取得各傳感器的權(quán)重向量,與建立的關(guān)系矩陣做乘法運(yùn)算,得到診斷隸屬度結(jié)果矩陣,最后根據(jù)故障判斷原則得到系統(tǒng)最終故障結(jié)果。

圖2 算法流程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

下面以路燈防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不通交流電時(shí)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)有電流值、電壓值和通信狀態(tài),因此取傳感器集合為{電壓傳感器,電流傳感器,通信狀態(tài)傳感器}。預(yù)判定的狀態(tài)有4種,取狀態(tài)集合為{電纜正常,電纜短路,通信失敗,電纜剪斷}。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),取傳感器權(quán)值集合{0.2,0.4,0.4}。表1給出了通信狀態(tài)傳感器對(duì)應(yīng)的模糊化表,同樣電壓值和電流值也具有相應(yīng)的模糊化表,這里不一一列舉。

表1 通信狀態(tài)模糊化表

將各傳感器測(cè)得的參數(shù)按照模糊化表得到各子模糊集后,構(gòu)造關(guān)系矩陣R。表2為不同參數(shù)融合后各故障的置信度值,根據(jù)故障判定規(guī)則可以準(zhǔn)確判斷出系統(tǒng)的故障類(lèi)型。路燈在開(kāi)燈時(shí)啟動(dòng)電流很大,所以在路燈啟動(dòng)的一小段時(shí)間內(nèi),如果調(diào)整傳感器的權(quán)重,能得到更好的效果。

表2 故障診斷表

結(jié) 語(yǔ)

將多傳感器模糊數(shù)據(jù)融合技術(shù)的故障診斷方法應(yīng)用于路燈電纜防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,充分利用了來(lái)自不同傳感器的多元信息的互補(bǔ)性,使系統(tǒng)具有更高的故障診斷準(zhǔn)確性。這種方法的不完善之處自于,數(shù)據(jù)的模糊化、傳感器的權(quán)重分配還沒(méi)有形成理論,需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。

[1]孫文義.路燈電纜防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].秦皇島:燕山大學(xué),2009.

[2]朱大奇,劉永安.故障診斷的信息融合方法[J].控制與決策,2007(12):1321-1325.

[3]M a Ping,Du Hailian,Niu Yuguang,et al.Actuator Fault Diagnosis in Control System Based on Data Fusion.Intelligent Control and Automation:Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation,Dalian,2006[C].Piscataway:IEEE,2006(2):5791-5795.

[4]童樹(shù)鴻,沈毅,劉志言.數(shù)據(jù)融合的模糊模型和算法研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(1).