唐剛 李慶中 胡雄

摘要：為解決岸橋起升電動機的狀態(tài)識別和實時監(jiān)測問題，分析起升電動機的大量樣本集，提出基于標(biāo)準(zhǔn)差的模糊C均值（standard deviation-based fuzzy C-means，S-FCM）聚類算法對起升電動機的狀態(tài)進行聚類分析，并構(gòu)建兩種SVM模型。實驗結(jié)果表明：起升電動機振動烈度可以聚類為4類。對兩種SVM模型進行對比和驗證，選出最理想的實時監(jiān)測模型。該方法可以為設(shè)備維護保養(yǎng)提供依據(jù)并且可以實時在線監(jiān)測岸橋起升電動機的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：起升電動機; 模糊C均值（FCM）聚類; 工況分類; 支持向量機（SVM）

中圖分類號：U653.921

文獻標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to solve the problem of state recognition and real-time monitoring of hoisting motors of quay cranes， a large number of samples of hoisting motors are analyzed， and the standard deviation-based fuzzy C-means （S-FCM） clustering algorithm is proposed. The working states of hoisting motors are clustered and two support vector machine （SVM） models are constructed. The experimental results show that the vibration intensity of hoisting motors can be clustered into four categories. The two SVM models are compared and verified to select the optimal real-time monitoring model. The method can provide a basis for equipment maintenance and real-time on-line monitoring of the working states of the quay-crane hoisting motors.

Key words：hoisting motor; fuzzy C-means （FCM） clustering; working condition classification; support vector machine （SVM）

收稿日期：2018-05-28

修回日期：2019-02-26

基金項目：國家自然科學(xué)基金 （31300783）;國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“八六三”計劃）（2013A20411606）;中國博士后科學(xué)基金（2014M561458）;教育部博士點基金 （20123121120004）;上海高校一流學(xué)科——管理科學(xué)與工程資助項目;上海海事大學(xué)科研基金 （20130474）

作者簡介：唐剛（1982—），男，重慶人，副教授，博士，研究方向為人機工程，（E-mail）gangtang@shmtu.edu.cn

*通信聯(lián)系人。（E-mail）huxiong@shmtu.edu.cn

0 引 言

隨著我國港口貿(mào)易量的迅速增加及工業(yè)科技水平的提高，港口起重設(shè)備系統(tǒng)伴隨工業(yè)4.0水平的提高朝著高度集成化、智能化方向發(fā)展，因此對港口起重設(shè)備的某些關(guān)鍵系統(tǒng)部位進行實時在線監(jiān)控和工況狀態(tài)評估顯得尤為重要。21世紀(jì)計算機水平的提高和傳感器技術(shù)不斷完善，對岸橋設(shè)備進行監(jiān)控能夠獲得大量的、多元化的與運行特征參數(shù)有關(guān)的數(shù)據(jù)[1-8]。張冰倩等[9]運用K-均值聚類算法和定量統(tǒng)計分析方法，對岸橋起升電動機的徑向和軸向振動烈度（振動速度的最大均方根值）進行研究，提出了岸橋載荷分類識別方法。王志欣[10]針對岸橋機械狀態(tài)識別中存在的特征向量維數(shù)過高的問題，利用增長神經(jīng)元結(jié)構(gòu)（growing cell structure，GCS）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進行了識別和3D可視化。上述研究對岸橋的機械狀態(tài)或起升電動機的振動狀態(tài)進行了識別，但是沒有一種對岸橋起升電動機每天的工作狀態(tài)進行分類識別的方法。岸橋起升電動機每天的工作量不同，每天的狀態(tài)也不同，因此其特征參數(shù)界限值也千差萬別。

為實現(xiàn)對岸橋起升電動機的長期維護及其工作狀態(tài)的精準(zhǔn)識別，本文將基于標(biāo)準(zhǔn)差的模糊C均值（standard deviation-based fuzzy C-means，簡稱S-FCM）聚類算法應(yīng)用在岸橋起升電動機的狀態(tài)聚類分析中，并利用最優(yōu)參數(shù)構(gòu)建支持向量機（support vector machine，SVM）模型，實現(xiàn)對岸橋起升電動機工作狀態(tài)的精準(zhǔn)識別和實時監(jiān)測，為其維護提供依據(jù)。

1 岸橋起升電動機的特征參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)采集

1.1 特征參數(shù)選擇

機構(gòu)的工作過程可以視為能量的輸入和輸出過程。在機構(gòu)工作過渡階段，傳動系統(tǒng)的動載荷及其變化與電力驅(qū)動的特性有著密切的關(guān)系。

在絕大多數(shù)岸橋中，起升電動機在一個工作循環(huán)內(nèi)經(jīng)常啟動和制動，因此電流并非是常量。當(dāng)啟動和制動時，電流峰值對起升電動機的發(fā)熱和振動具有不可忽略的影響。在起升電動機工作循環(huán)中，停歇時間總是與運動時間交叉出現(xiàn)的。

選取某岸橋起升電動機2010年3月15—21日的數(shù)據(jù)，對電動機的振動烈度、電動機溫度和變速箱溫度進行關(guān)聯(lián)分析。

由圖1可知，起升電動機徑向振動烈度與變速箱溫度有一定的對應(yīng)關(guān)系。變速箱溫度跨度為40 ℃左右，可見其并不僅僅是隨外部天氣的變化而改變的，而且與電動機振動烈度并不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?yīng)關(guān)系，因此根據(jù)變速箱溫度變化劃分工況是不合理的。

由圖2可知，起升電動機的振動次數(shù)與其溫度

之間沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，且與理論上電動機溫度隨著載荷增加而上升的結(jié)論有著明顯的區(qū)別（比如在第5 000次振動時，電動機處于不工作狀態(tài)，但其溫度卻劇烈上升），因此電動機工作狀態(tài)與其溫度之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。

綜上，岸橋工作環(huán)境惡劣，天氣溫度多變，不能簡單地根據(jù)溫度劃分電動機工作狀態(tài)，而其振動烈度數(shù)據(jù)最能反映電動機工作狀態(tài)的變化，因此選擇振動烈度作為特征參數(shù)對岸橋起升電動機工作狀態(tài)進行分類識別。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本文對上海外高橋保稅區(qū)某岸橋的起升電動機工作狀態(tài)進行分類和檢測。該岸橋所使用的健康狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)（condition monitoring & assessing system on network，簡稱NetCMAS）是從2009年開始采集振動信號的，此岸橋也是在這個時間投入使用的，因此系統(tǒng)和設(shè)備在起初都處于健康狀態(tài)。本文利用2009年12月28日至2010年6月23日的正常工作數(shù)據(jù)進行研究。

NetCMAS是由上海海事大學(xué)胡雄教授科研團隊設(shè)計研發(fā)的，是我國首個針對大型岸橋的在線監(jiān)測評價管理系統(tǒng)，已經(jīng)在我國很多大中型港口投入使用，協(xié)助攻克了該領(lǐng)域的眾多關(guān)鍵性技術(shù)難題。該系統(tǒng)對于不同類型的信號采用不同的處理方法，比如對于振動信號，它是一邊采集原始信號一邊將采集的原始信號轉(zhuǎn)換成振動速度有效值的。

2 FCM算法的改進和工況分類

2.1 FCM算法的理論

FCM算法[11-13]本質(zhì)上是通過求特征向量與聚類中心之間的加權(quán)距離最小值對目標(biāo)函數(shù)進行分割的，因此 FCM 算法的目標(biāo)函數(shù)就是加權(quán)距離：

式中：C為預(yù)先設(shè)定的聚類中心的個數(shù);n為樣本特征參數(shù)總數(shù);uij為第j個樣本的特征向量隸屬于第i類的隸屬度，且滿足約束條件0≤uij≤1和Ci=1uij=1;m為根據(jù)不同情況預(yù)先設(shè)定的模糊因子，是控制模糊程度的重要參數(shù)，m>1（當(dāng)m=1時，

FCM算法就退化為硬C均值聚類算法），根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)m=2時分類效果最理想;dij=xj-vi是第j個特征向量xj

到第i個聚類中心vi的歐氏距離。

2.2 S-FCM算法的提出

為對起升電動機的工作狀態(tài)進行劃分，選取半年的振動烈度數(shù)據(jù)，對每天的數(shù)據(jù)進行分類。由于每天的工作量差別比較大，振動烈度劃分的界限值差別也比較大。針對這一問題，提出S-FCM算法，讓每類數(shù)據(jù)在很小的范圍內(nèi)變化，標(biāo)準(zhǔn)差也盡可能小。

分類越多，標(biāo)準(zhǔn)差越大;分類越少，分類效果越不明顯，從而導(dǎo)致決策失誤。在不知道要分成多少類別的情況下，根據(jù)歷史經(jīng)驗分成4個類別?；谄鹕妱訖C振動烈度數(shù)據(jù)樣本構(gòu)建最佳加權(quán)距離J，其中{xj}是有著所屬聚類中心的樣本點序列。標(biāo)準(zhǔn)差表達式為式中，vi為樣本點振動烈度xj對應(yīng)的聚類中心的振動烈度。因為本文選取的特征參數(shù)（即振動烈度）只有1個，所以xj和vi不是向量形式。將計算出的各個樣本的標(biāo)準(zhǔn)差S與閾值T=0.5比較，當(dāng)?shù)趇類與第i+1類中的樣本標(biāo)準(zhǔn)差都小于閾值時，聚類中心vi與vi+1合并為新的聚類中心vl。新的隸屬度矩陣中的元素為新的聚類中心為再根據(jù)式（1）求出加權(quán)距離J。

2.3 工況分類

由圖3可知：振動烈度的變化幅度很大，且沒有規(guī)律;平穩(wěn)時最大極值小于20 mm/s，陡峭時最大極值為63 mm/s;有峰值出現(xiàn)的時間點，前后波動都比較大，峰值并不是突然出現(xiàn)的。

利用S-FCM算法，把岸橋起升電動機兩個月的振動烈度進行劃分，見圖4。每類中振動烈度最大值的波動與其最小值的波動變化趨勢一致，同時增大或同時減小，振動烈度最小值的波動比振動烈度最大值的波動平穩(wěn)。

類別之間的區(qū)別明顯。不同類別之間的振動烈度最大值與最小值之間的差距不同：第一類差距最小;第四類差距最大;從第一類到第四類差距依次增加。第一類中振動烈度最大值、最小值變化幅度最小;第四類中振動烈度最大值、最小值變化幅度最大;從第一類到第四類振動烈度最大值和最小值的變化幅度依次增加。

由表1可知：第一類中振動烈度最大值的平均值約為0.8 mm/s，為干擾工況;第二類、第三類、第四類依次對應(yīng)低工況、中工況和高工況，屬于正常情況下電動機的振動烈度波動范圍。依據(jù)這個分類將訓(xùn)練樣本代入后面的模型進行模型驗證和對比。

3 分類預(yù)測模型

在基于SVM的狀態(tài)分類識別中，由于一些參數(shù)是根據(jù)個人經(jīng)驗或者歷史經(jīng)驗獲取的，所以這種SVM模型并不能精確反映起升電動機的工作狀態(tài)。本文提出基于粒子群優(yōu)化的SVM（particle swarm optimization-based SVM，PSO-SVM）算法和基于遺傳算法的SVM（genetic algorithm-based SVM，GA-SVM）對SVM中參數(shù)進行尋優(yōu)，以此構(gòu)建最優(yōu)的SVM分類模型。

3.1 PSO基本原理和PSO-SVM分類預(yù)測

Kennedy和Eberhat在研究鳥群問題時，針對鳥群進食過程構(gòu)建了一個PSO算法，研究發(fā)現(xiàn)該算法在多維空間中具有很好的尋優(yōu)能力。在PSO算法中，種群中的個體用粒子表示，針對粒子本身及其運動設(shè)計一些參數(shù)。將M（M≥N）維樣本空間中包含一群樣本量為N的隨機粒子作為優(yōu)化問題的初始解。每個粒子位置都用向量表示，個體最佳位置（Pbest）是個體歷史最佳位置，對應(yīng)于單個粒子的歷史進化最優(yōu)解，每次迭代中群體最佳位置對應(yīng)群體最優(yōu)解。單個粒子的個體最佳位置和群體最佳位置在迭代中不斷更新，實現(xiàn)粒子間信息的轉(zhuǎn)換。對于PSO中的每個粒子，算法會根據(jù)由目標(biāo)函數(shù)確定的適應(yīng)度值判斷最終結(jié)果是否理想。

在PSO-SVM算法[14-15]運算過程中，選取粒子群規(guī)模為5，核函數(shù)范圍為[0.01，500]，懲罰因子范圍為[0.01，500]。PSO-SVM算法的迭代過程和分類效果分別見圖5和6。圖6中：分別針對低工況、中工況、高工況等3個類別進行研究;共選取1 800組數(shù)據(jù)代入模型，每個類別對應(yīng)600組數(shù)據(jù);“△”是實際測試集，代表正確;“○”是預(yù)測測試集，代表出現(xiàn)偏差。由圖5和6可知：在第4次迭代時適應(yīng)度值達到最大，PSO-SVM算法精度最終達到92.86%。

3.2 GA基本原理和GA-SVM分類預(yù)測

GA[16-17]是通過模擬自然界生物種群進化過程求解優(yōu)化問題的一類自組織、自適應(yīng)概率搜索算法。該算法不依賴于問題的具體模型，對各類復(fù)雜的優(yōu)化問題都有很強的魯棒性。

GA的基本思想：根據(jù)待求解優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造一個適應(yīng)度函數(shù);按照一定的規(guī)則生成經(jīng)過基因編碼的初始群體，對群體進行評價、選擇、交叉和變異等操作;經(jīng)過多代進化獲得適應(yīng)度最好的一個或幾個最優(yōu)個體的最優(yōu)解。

GA的步驟：制定編碼策略;產(chǎn)生初始種群;設(shè)計適應(yīng)度函數(shù);進行選擇、交叉和變異等遺傳操作;確定停止準(zhǔn)則。

選取GA-SVM算法[8，16]的參數(shù)如下：種群規(guī)模為5，核函數(shù)范圍為[0.01，500]，懲罰因子范圍為[0.01，500]。GA-SVM算法的迭代過程和分類效果分別見圖7和8。由圖7和8可知：樣本進化迅速，第13次迭代后適應(yīng)度值就達到了最大，測試集準(zhǔn)確率高達93.68%。

3.3 實驗結(jié)果

由表2結(jié)果對比可知，PSO-SVM算法和GA-SVM算法的預(yù)測精度都較高，這說明模型建立很成功。分別利用PSO-SVM算法和GA-SVM算法尋找到了最優(yōu)懲罰因子和核函數(shù)，并且GA-SVM算法的耗時較少。

4 結(jié)束語

本文以岸橋起升電動機的振動烈度為研究對象，采用改進的機器學(xué)習(xí)算法對電動機的工況進行研究。為對岸橋起升電動機實際的工作狀態(tài)進行分類，對大量的數(shù)據(jù)進行處理，對岸橋起升電動機振動烈度與其溫度之間的關(guān)系進行分析;利用基于標(biāo)準(zhǔn)差的模糊C均值聚類（S-FCM）算法將岸橋起升電動機的實際數(shù)據(jù)分為4類——干擾工況、低工況、中工況和高工況數(shù)據(jù);構(gòu)建基于粒子群優(yōu)化的SVM（PSO-SVM）和基于遺傳算法的SVM（GA-SVM）算法模型，對其進行對比和驗證。結(jié)果表明，利用S-FCM算法可以實現(xiàn)對岸橋起升電動機工作狀態(tài)的在線實時監(jiān)測，幫助工作人員更好地了解岸橋工況，為岸橋起升電動機的維修提供依據(jù)。

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（編輯 趙勉）