廖伍代，劉宗勝，路向陽(yáng)，王澤程，趙東章

（1.中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，河南新鄭451100；2.鄭州盛川科技有限公司，河南鄭州450000）

工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。工程機(jī)械的工作強(qiáng)度高、環(huán)境惡劣，加速部分機(jī)械部件有磨損，對(duì)機(jī)械零部件的分布潤(rùn)滑顯得尤為重要[1]。考慮到多代理技術(shù)的分布管理特點(diǎn)，多代理技術(shù)發(fā)展應(yīng)用到潤(rùn)滑傳感架構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，將控制器作為支路代理，末端傳感器和執(zhí)行器作為感知層代理，控制器與上位機(jī)信息交互由支路代理通過(guò)CAN 總線轉(zhuǎn)TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信。傳感器和執(zhí)行器則通過(guò)CAN 總線信息進(jìn)行傳輸。

普通潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不能滿足工程機(jī)械的潤(rùn)滑系統(tǒng)控制[2]，針對(duì)工程機(jī)械潤(rùn)滑點(diǎn)多，潤(rùn)滑位置很難人工操作，文中采用多代理技術(shù)設(shè)計(jì)了潤(rùn)滑系統(tǒng)的檢測(cè)架構(gòu)，分布式支路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)架構(gòu)控制與通信更加穩(wěn)定安全。潤(rùn)滑傳感器檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，以光敏傳感器檢測(cè)潤(rùn)滑油脂為目的，第一檢測(cè)是否有潤(rùn)滑油脂通過(guò)，第二檢測(cè)通過(guò)潤(rùn)滑油脂量。設(shè)置每條支路代理（BranchAgent），支路代理（BAgent）與潤(rùn)滑系統(tǒng)交互，為了更好地實(shí)現(xiàn)支路代理之間的協(xié)調(diào)控制，設(shè)計(jì)了傳感器代理來(lái)執(zhí)行各個(gè)支路代理的指令。達(dá)到潤(rùn)滑檢測(cè)以及故障報(bào)警目的，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)。處理器計(jì)算輸出潤(rùn)滑油脂量并顯示，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

1 多代理技術(shù)與模型建立

多代理系統(tǒng)由多個(gè)代理通過(guò)共同合作組成，其基本單元是代理，代理可以與其所在環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。代理由3 個(gè)功能層組成：管理和組織層、協(xié)調(diào)層以及執(zhí)行層[3]。在潤(rùn)滑傳感系統(tǒng)架構(gòu)中采用多代理技術(shù)，各支路代理（BAgent）分布其中，通過(guò)信息交互協(xié)同合作以達(dá)到控制目標(biāo)[4]。支路Agent 具有相對(duì)獨(dú)立的二級(jí)控制器，能夠在中央控制器獲得目標(biāo)定義或質(zhì)詢。在相關(guān)約束條件下，自主調(diào)控傳感器控制潤(rùn)滑輸出量，而不是被指派控制[5]。在支路代理下設(shè)置傳感器代理（SensorAgent)，實(shí)現(xiàn)更好地控制傳感器，其中傳感器包括溫度、紅外或光敏傳感器等。支路Agent 不需要對(duì)整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行全局通信交互，只對(duì)相鄰支路Agent 進(jìn)行交互，具有區(qū)域性感知[6]。支路式多代理模型由支路代理（BAgent）和傳感器代理（SAgent)組成，如圖1所示。

圖1 支路式多代理模型

2 分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)

將多代理技術(shù)應(yīng)用到潤(rùn)滑傳感檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)檢測(cè)，將多代理系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)功能進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，管理和組織層由控制層定義、協(xié)調(diào)層由通信層定義、執(zhí)行層由終端檢測(cè)層定義、檢測(cè)指標(biāo)和檢測(cè)內(nèi)容由控制層定義，通信層傳輸、終端層執(zhí)行，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)單元，并顯示到屏幕上。將支路代理傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，在分布式架構(gòu)中發(fā)揮多代理技術(shù)的分散特性，各Agent 分布其中，通過(guò)信息交互協(xié)同合作以達(dá)到控制目標(biāo)[7]。

在使用普通潤(rùn)滑系統(tǒng)三級(jí)結(jié)構(gòu)中，很難實(shí)現(xiàn)控制潤(rùn)滑系統(tǒng)的打油效率，末端出油處沒(méi)有傳感裝置，也不能檢測(cè)是否出油和輸出油量。多代理技術(shù)的潤(rùn)滑傳感檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式架構(gòu)，與傳感器檢測(cè)形成閉環(huán)。將每條支路的中間控制器作為潤(rùn)滑系統(tǒng)Agent，潤(rùn)滑系統(tǒng)Agent 調(diào)節(jié)各個(gè)支路輸出潤(rùn)滑油脂量。代理是為了實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)的每條支路分布輸出油脂，支路Agent 由中間板控制和接收潤(rùn)滑系統(tǒng)的指令[8]，各支路利用支路Agent 調(diào)節(jié)出油量，并經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)反饋各支路的調(diào)節(jié)情況。

2.1 傳感架構(gòu)框架

架構(gòu)框架設(shè)計(jì)組成：用戶層、控制層、通信層、終端檢測(cè)層，獨(dú)立的存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠。架構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 傳感架構(gòu)框架

用戶層：可對(duì)整個(gè)通用架構(gòu)進(jìn)行啟動(dòng)、暫停、恢復(fù)、停止的操控。同時(shí)，用戶可在該設(shè)計(jì)層進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，使得架構(gòu)功能更加齊全。

控制層：將用戶層定義的功能特性分解到邏輯模塊（傳感器、控制器、執(zhí)行器）中，然后創(chuàng)建基于功能的通信關(guān)系?？刂茖影刂瓢澹▋?nèi)置于中央控制器）、中間板（內(nèi)置于分部控制器）和監(jiān)測(cè)板（內(nèi)置于傳感器），控制板和中間板通過(guò)總線和監(jiān)測(cè)板相連。

通信層：潤(rùn)滑傳感網(wǎng)絡(luò)采用J1939 協(xié)議通信，J1939 是一種能夠支持多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間高速通信的閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，以CAN 總線作為通信網(wǎng)絡(luò)的核心。CAN 協(xié)議的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其廢除了傳統(tǒng)站址編碼的編碼方式，用通信數(shù)據(jù)塊編碼作為編碼方式[9]。該編碼方式的優(yōu)點(diǎn)在于理論上不限制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，只要數(shù)據(jù)塊足夠，就可以無(wú)限設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[10]。

終端檢測(cè)層：采用基于J1939 協(xié)議的CAN 總線結(jié)構(gòu)，完成監(jiān)測(cè)端信號(hào)的上傳，傳感器采用紅外或者光學(xué)系統(tǒng)，時(shí)刻檢測(cè)潤(rùn)滑脂流動(dòng)情況，并將檢測(cè)信號(hào)傳輸給內(nèi)部MCU 控制器內(nèi)，控制器接收并處理后，采用中斷或者輪詢方式送入總線，按照J(rèn)1939 協(xié)議，并在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)情況。

存儲(chǔ)單元：主要記錄每次潤(rùn)滑系統(tǒng)工作的時(shí)間和潤(rùn)滑總量以及系統(tǒng)故障報(bào)警，可作為數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

可裁剪結(jié)構(gòu)是指根據(jù)潤(rùn)滑系統(tǒng)所需支路數(shù)量進(jìn)行自由剪切的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，根據(jù)J1939 協(xié)議規(guī)定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行報(bào)文傳送前，都必須先進(jìn)行地址聲明[11]。以傳感器的數(shù)量設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對(duì)所需每條支路進(jìn)行地址聲明，完成系統(tǒng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信。每條支路都設(shè)一個(gè)Agent，支路與支路之間表示各個(gè)Agent 之間的交互關(guān)系[12]。在Agent 交互組織關(guān)系所形成的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)Agent 節(jié)點(diǎn)只需要與其鄰近節(jié)點(diǎn)的Agent 通過(guò)CAN 通信進(jìn)行交互[13]，不需要去詢問(wèn)中央控制器。

圖3 分布式傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)J1939 協(xié)議以及CAN 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，支持傳感器檢測(cè)支路自由接入和裁剪，根據(jù)車輛構(gòu)造搭建潤(rùn)滑通道結(jié)構(gòu)。這種分布式結(jié)構(gòu)滿足絕大多數(shù)工程機(jī)械，還有一些特種車型。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與可裁剪支路相匹配，通過(guò)J1939 協(xié)議以滿足潤(rùn)滑檢測(cè)通信與數(shù)據(jù)傳輸。這種可裁剪結(jié)構(gòu)使得分布式傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模式靈活智能。

代理活性分析：分布式傳感網(wǎng)絡(luò)控制層通過(guò)CAN 通信與支路代理進(jìn)行串行執(zhí)行，如圖4所示。該模式的活性取決于后續(xù)活動(dòng)之間的關(guān)系。各支路代理的獨(dú)立環(huán)節(jié)與控制層直接通信[14]，相互之間不構(gòu)成一個(gè)整體環(huán)節(jié)部分，則模式的整體活性只與每個(gè)單支路活性中最小的活性持平，并不會(huì)變得更?。幌鄬?duì)于單支順序執(zhí)行模式而言，其在整體上提高了活性[15]。在這種模式下，控制層協(xié)調(diào)各個(gè)支路Agent，使各個(gè)支路更好地控制輸出量的統(tǒng)一。

圖4 傳感網(wǎng)絡(luò)串行執(zhí)行順序

2.3 傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)所需要的支路傳感器數(shù)量配置相同數(shù)量的數(shù)據(jù)塊并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，給傳感檢測(cè)裝置分配地址編號(hào)完成組網(wǎng)[16]。傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的末端打油情況。支路Agent 接收到潤(rùn)滑系統(tǒng)的任務(wù)指令時(shí)，各個(gè)支路需要調(diào)節(jié)輸出油量，再通過(guò)支路Agent 控制傳感器完成油量控制和檢測(cè)，并通過(guò)控制層定義的檢測(cè)指標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)支路代理設(shè)計(jì)使用分?jǐn)?shù)階拉曼效應(yīng)檢測(cè)，傳感器采用光學(xué)系統(tǒng)，時(shí)刻檢測(cè)潤(rùn)滑脂流動(dòng)情況，并將檢測(cè)信號(hào)傳輸至內(nèi)部MCU 控制器，控制器接收并進(jìn)行處理。將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后得到數(shù)組，然后進(jìn)行分?jǐn)?shù)階FFT 操作，轉(zhuǎn)換到頻域，得到變換后的分?jǐn)?shù)階域矩陣，這里包含階次P變化和變換結(jié)果，階次變化描述了信號(hào)頻率變化的范圍，變換結(jié)果得到的是能量的大小，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)門限值矩陣Xp(u0)，判斷頻率變化度，根據(jù)頻率變化情況判斷檢測(cè)結(jié)果。具體方法如下：

信號(hào)x(t)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換為：

將頻率變化度的計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)設(shè)定初始值Xp(u0)進(jìn)行比對(duì)，方程如下：

其中，p1(x)給出了變化的結(jié)果，p2(x)給出了頻率變化的快慢。

檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示，探測(cè)頭采用光敏發(fā)射和接收，兩個(gè)探測(cè)頭之間固定距離為S，潤(rùn)滑油脂經(jīng)過(guò)兩個(gè)探測(cè)頭傳感器記錄數(shù)據(jù)并發(fā)送給處理器，根據(jù)頻率變化就可以計(jì)算在一定時(shí)間內(nèi)輸出的油脂流量。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)

3 架構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)通信測(cè)試

采集架構(gòu)系統(tǒng)CAN 通信信號(hào)，CAN 通信采用110 kHz 波特率，會(huì)出現(xiàn)當(dāng)架構(gòu)系統(tǒng)處于110 kHz 波特率時(shí)無(wú)法正常接收的情況，系統(tǒng)多次發(fā)送，導(dǎo)致總線負(fù)載率提升，當(dāng)架構(gòu)系統(tǒng)波特率切換到250 kHz時(shí)，系統(tǒng)能夠正常通信，從潤(rùn)滑油加注系統(tǒng)電源電路、CAN 總線通信、軟硬件設(shè)計(jì)3 個(gè)方面對(duì)CAN 信號(hào)通信檢測(cè)的影響及通信異常故障進(jìn)行了分析。CAN邏輯分析儀讀取CAN 信號(hào)對(duì)地的檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。圖6（a）中CAN 通信異常，圖6（b）中CAN 信號(hào)恢復(fù)正常通信。

圖6 CAN信號(hào)對(duì)地檢測(cè)

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)與分析

在基于多代理技術(shù)潤(rùn)滑傳感檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)下和普通潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。將參數(shù)分別設(shè)置在常溫（25 ℃）、高溫（50 ℃）、低溫（-20 ℃）3 種情況下進(jìn)行潤(rùn)滑系統(tǒng)油脂輸出，傳感系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)并采集數(shù)據(jù)。測(cè)試指標(biāo)輸出油量為Mg，根據(jù)表1休止時(shí)間參數(shù)，每隔一小時(shí)使用位移傳感器采集并通過(guò)處理器計(jì)算。

表1 潤(rùn)滑系統(tǒng)監(jiān)控裝置技術(shù)參數(shù)

此次測(cè)試采集次數(shù)為20 次。采集結(jié)果輸出油量Mg，進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖并比較分析兩種架構(gòu)在不同工作溫度環(huán)境下潤(rùn)滑系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性。

從普通潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下采集得到圖7，并進(jìn)行分析，常溫下潤(rùn)滑系統(tǒng)出油量波動(dòng)較大，隨著工作時(shí)間的增加出油效率變低；高溫下前段時(shí)間出油多，后期直線下降直至不出油，潤(rùn)滑系統(tǒng)停止工作；低溫下潤(rùn)滑系統(tǒng)幾乎停止工作。

圖7 普通潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 基于多代理技術(shù)的潤(rùn)滑傳感架構(gòu)

從基于多代理技術(shù)的潤(rùn)滑傳感系統(tǒng)架構(gòu)下的數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行分析，常溫下出油量保持相對(duì)平穩(wěn)；高溫下出油量有所下降；低溫下相比常溫輸出油量低，潤(rùn)滑系統(tǒng)保持工作。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析之后，可以得出基于多代理技術(shù)的潤(rùn)滑傳感系統(tǒng)架構(gòu)在極端溫度條件下可以繼續(xù)保持工作。在支路Agent 的調(diào)度下，各個(gè)支路都保持相對(duì)穩(wěn)定的輸出油量，這也驗(yàn)證了支路Agent 代理之間通過(guò)協(xié)調(diào)機(jī)制聯(lián)系起來(lái)，形成自組織機(jī)制，協(xié)作完成特定功能使得基于多代理的潤(rùn)滑系統(tǒng)傳感架構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。

4 結(jié) 論

基于多代理技術(shù)設(shè)計(jì)了潤(rùn)滑系統(tǒng)傳感檢測(cè)架構(gòu)，該架構(gòu)在潤(rùn)滑系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試具有穩(wěn)定性和安全性。文中提出了分布式結(jié)構(gòu)支路Agent，每條支路Agent 之間交互使得潤(rùn)滑系統(tǒng)更加智能，更快速地實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)輸出油量的控制。文中架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)極大程度減少了普通潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下油量的不可控和系統(tǒng)的不穩(wěn)定。