楊桂婷

（邵陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 邵陽 422000）

1 信息融合技術(shù)概述

1.1 定義

通常，對(duì)多個(gè)傳感器所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)規(guī)則完成自動(dòng)分類、整合處理等大數(shù)據(jù)分析任務(wù)，以完成所需要的判斷與預(yù)測(cè)等工作，此技術(shù)便是信息整合技術(shù)。而根據(jù)此概念，可以理解為信息融合的硬件設(shè)備基本為多個(gè)傳感器，但信息融合技術(shù)關(guān)鍵在于對(duì)多源數(shù)據(jù)的處理，而協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理才是大數(shù)據(jù)整合的技術(shù)基石。所以，數(shù)據(jù)整合既可以稱之為數(shù)據(jù)整合，也可以叫做多源信息數(shù)據(jù)整合。從軍事方面來看，通過對(duì)多源信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估、關(guān)聯(lián)、綜合等幾級(jí)多層面的信息處理，可以導(dǎo)致狀態(tài)和威脅比估計(jì)時(shí)的狀態(tài)和判斷更加準(zhǔn)確迅速。此外，信息融合技術(shù)也可被視為探測(cè)將多傳感器所獲取的多源信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)按照特定規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)分析、綜合等工作后，可以自動(dòng)形成人們期望的綜合信息的過程[1]。主要對(duì)多類型、多源、多平臺(tái)傳感器獲取的數(shù)據(jù)、照片、視頻等多樣化信息實(shí)施采集、傳輸、整合、分析、綜合、合成等工作，可以非常迅速地完成各種情報(bào)數(shù)據(jù)的處理以及自動(dòng)圖形標(biāo)繪。

1.2 信息融合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

第一，實(shí)現(xiàn)任務(wù)性能平穩(wěn)。系統(tǒng)的各種感應(yīng)器可以獨(dú)立地提取任務(wù)情況。某一個(gè)感應(yīng)器受到外界影響而不能檢測(cè)任務(wù)時(shí)，不會(huì)干擾其他感應(yīng)器的工作特性。第二，空間分辨率更高。通過幾何方法就可以把多種傳感器信息整合在同一個(gè)傳感器孔徑，這樣就可以達(dá)到比其他獨(dú)立傳感器更大的空間分辨率。第三，對(duì)目標(biāo)信息更加精確。目標(biāo)和事件之間的假設(shè)集合可以因?yàn)槎鄠鞲衅魉@取的目標(biāo)信號(hào)差異大而減少。此外，對(duì)多次或幾個(gè)獨(dú)立檢測(cè)的多個(gè)目標(biāo)空間或時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的信息綜合，使目標(biāo)的可靠性增強(qiáng)，從而提高了檢測(cè)的性能。第四，得到單個(gè)傳感器無法獲取的目標(biāo)信息[2]。傳感器的頻率互補(bǔ)性擴(kuò)大了空間和時(shí)間的覆蓋范圍，增加了空間維度，降低了電子對(duì)隱蔽、欺騙的對(duì)抗措施，并檢測(cè)到氣象和地形干擾造成的盲點(diǎn)。利用多傳感器系統(tǒng)固有的冗余，將有效解決系統(tǒng)的不可靠性問題并改善其允許誤差。

1.3 信息融合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)步驟

信息融合，是在分布式計(jì)算機(jī)中基于從各信息源獲取的信息，形成具備一定智能的意識(shí)決定體系。在分析和處理由多種傳感器送來的信號(hào)時(shí)，通過信息融合有序地進(jìn)行以下工作。

第一，收集信息。根據(jù)問題分析領(lǐng)域，在分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中廣泛收集提取相關(guān)信息元素，實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。第二，信息識(shí)別。識(shí)別提取的信息，排除錯(cuò)誤，保存真實(shí)信息，并確定可靠性。第三，信息處理。有必要對(duì)多個(gè)信息來源提供數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行定量分析，并根據(jù)某些標(biāo)準(zhǔn)將其分為不同的集合。每個(gè)集合中的數(shù)據(jù)都與相同的信息源相關(guān)聯(lián)[3]。第四，融合處理。從來源選擇信息；根據(jù)其他信息來源檢查和修改消息的每個(gè)元素；檢查、分析、補(bǔ)充、綜合、協(xié)調(diào)、修訂和評(píng)估來自不同信息來源的信息；實(shí)時(shí)分析和總結(jié)信息；通過分析判斷綜合信息。第五，創(chuàng)建工作數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫，供各領(lǐng)域?qū)＜夷M使用；在工作信息存儲(chǔ)和信息源之間建立聯(lián)系。

2 信息融合故障診斷的系統(tǒng)框架

信息融合體系架構(gòu)，也是指信息融合系統(tǒng)的總體架構(gòu)、運(yùn)作形式、功能模式，由于目前關(guān)于信息融合技術(shù)中機(jī)電設(shè)備故障信息融合檢測(cè)框架的研究成果相對(duì)較少，通用的體系結(jié)構(gòu)可分成四層：第一層為檢測(cè)層，第二層為時(shí)空層，第三層為屬性層，第四層為符號(hào)層[4]。此外，還把大數(shù)據(jù)融入了整個(gè)體系分成數(shù)據(jù)信息融合級(jí)、特征融合級(jí)、決策融合級(jí)三個(gè)層次，并根據(jù)信息融合期間的I/O特征詳細(xì)地劃分五個(gè)融合過程。融合過程中最底層的融合形式主要是數(shù)據(jù)輸入/數(shù)據(jù)輸出，此步驟主要利用預(yù)處理等方式分析多資料源的原始數(shù)據(jù)，如濾波；數(shù)據(jù)輸入/特征輸出則主要是識(shí)別特征的，獲取方法是通過整合多資料源數(shù)據(jù)，再利用頻譜分析、相關(guān)分析、軸心軌跡數(shù)據(jù)分析等方式獲取機(jī)電設(shè)備的故障特性信息；而特征輸入/特性輸出則是指運(yùn)用數(shù)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)分析和融合方式處理已經(jīng)獲取的特性信息形式；而特征輸入/決策輸出主要是借助已熟知的知識(shí)和現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，對(duì)來自不同資料信息源的特征信息形式加以分析識(shí)別，從而獲取特征融合結(jié)果等；而決策輸入/決策輸出則主要是指對(duì)局部的策略結(jié)果進(jìn)行更廣泛的融入的過程[5]。但在具體的機(jī)電設(shè)備故障診斷過程中，需要根據(jù)不同情況和施工條件進(jìn)行合理的融合診斷步驟，有些融合環(huán)節(jié)可以跳過。

3 基于信息融合技術(shù)的機(jī)電設(shè)備絕緣故障檢查系統(tǒng)

3.1 信息融合的電纜絕緣故障檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)電設(shè)備的絕緣故障發(fā)生的主要部件有電氣元件、電纜電線、控制柜等，本文以機(jī)電設(shè)備電纜電線的絕緣故障檢測(cè)為例進(jìn)行分析。第一，主要通過溫度傳感器、電流傳感器等，對(duì)機(jī)電設(shè)備主要電纜上的信息進(jìn)行收集后，將收集的相關(guān)信號(hào)傳輸?shù)紸RM微處理器，這時(shí)處理器會(huì)分析收集的信號(hào)，并利用GPRS通信模塊將獲得的分析結(jié)果傳輸?shù)胶笈_(tái)。機(jī)電元件的絕緣故障檢測(cè)信息被后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心讀取后，將能夠更加清晰地了解目前機(jī)電設(shè)備電纜的狀態(tài)。本系統(tǒng)采集電纜絕緣故障信號(hào)的電流傳感器選用的是脈沖電流傳感器，脈沖電流傳感器的原理是羅格夫斯基原理，其主要作用是收集當(dāng)前機(jī)電設(shè)備的電纜脈沖的放電信號(hào)。在工廠機(jī)電設(shè)備應(yīng)用中，機(jī)電設(shè)備電纜放電有時(shí)是單氣隙的電纜局部放電，有時(shí)是多氣隙的電纜局部放電。當(dāng)機(jī)電設(shè)備電纜等效為單氣隙的電纜局部放電時(shí)，局部放電過程的電容是Ce當(dāng)作電容氣隙，Ca當(dāng)作絕緣層的電容；當(dāng)機(jī)電設(shè)備電纜等效為多氣隙的電纜局部放電時(shí)，每個(gè)氣隙的放電時(shí)間不一致，且它們之間放電的間隔時(shí)間也不相同，在相同時(shí)間內(nèi)多氣隙放電頻率低，但是放電電荷和單氣隙相比會(huì)明顯增加[6]。第二，在D-S證據(jù)理論的基礎(chǔ)上開發(fā)信息融合技術(shù)的絕緣故障檢測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)不同機(jī)電設(shè)備電纜類型，選擇不同的傳感器進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，將多個(gè)傳感器的不同信息加以綜合處理，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將獲得更有意義的數(shù)據(jù)。檢測(cè)過程分為三個(gè)步驟：1）建設(shè)絕緣模型；2）進(jìn)行信息技術(shù)融合；3）獲得絕緣故障診斷結(jié)果。

3.2 多傳感器信息融合在電機(jī)絕緣故障診斷中的應(yīng)用

單個(gè)參數(shù)和特征是傳統(tǒng)電機(jī)絕緣故障診斷的基礎(chǔ)條件，故障診斷系統(tǒng)主要是對(duì)能夠觀測(cè)的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取，之后結(jié)合這些數(shù)據(jù)來判斷設(shè)備是否存在絕緣故障，而且傳感器的準(zhǔn)確度以及信號(hào)處理的分辨率會(huì)直接影響故障診斷的可信度。但是，電機(jī)絕緣故障的種類比較多，每種故障都會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)參數(shù)，這也使得傳統(tǒng)根據(jù)單個(gè)參數(shù)進(jìn)行故障檢查方式的精確度大大地降低，進(jìn)而導(dǎo)致無法對(duì)部分故障定位以及定位故障的狀態(tài)平臺(tái)進(jìn)行量化和定性分析。此外，由于產(chǎn)生絕緣故障的因素在時(shí)域分析方面往往存在著混雜性、更高的能量變化特性，因此往往出現(xiàn)幾個(gè)故障對(duì)應(yīng)同一種檢查結(jié)果的情況，而且結(jié)果的嚴(yán)重程度往往具有較大差別，假如沒有具體分析就簡單地處理，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)絕緣故障的誤差值增加，所以說，傳統(tǒng)的電機(jī)絕緣故障檢測(cè)方法存在較大的局限性[7-9]。因此，為了能夠提高電機(jī)絕緣故障診斷的準(zhǔn)確性，將信息融合技術(shù)融入，并建立完善的信息融合電機(jī)絕緣檢查系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的不足和不確定因素進(jìn)行彌補(bǔ)。在實(shí)際操作時(shí)，可以在傳感器的大數(shù)據(jù)層、特征層、決策層之間進(jìn)行整合，并且根據(jù)不同層次必須全面考慮成本效益與綜合效果的均衡情況來選取融合層，并且各個(gè)混合層的集成方式也都有所不同。數(shù)據(jù)層可以使用數(shù)量形式算法對(duì)模型中的不確定性進(jìn)行估算，同時(shí)也可以對(duì)電機(jī)絕緣狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，例如卡爾曼濾波。另外，可以使用模式分類和識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)特征層的融合，如貝葉斯估計(jì)、證據(jù)推理等。將信息融合技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)絕緣故障檢測(cè)中，可以擴(kuò)大電機(jī)絕緣故障監(jiān)測(cè)范圍，使監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)一步擴(kuò)大，可以面向?qū)ο筮M(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而增加監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)途徑，這樣就能夠使故障診斷處理過程中的激勵(lì)與反饋關(guān)系不斷擴(kuò)大，有利于更好地區(qū)分電機(jī)絕緣故障原因。使用很多的檢測(cè)對(duì)象，對(duì)原有的故障特征進(jìn)行趨同故障源并給出更有效的依據(jù)，最后達(dá)成電機(jī)絕緣故障的分離和定位。同時(shí)通過多個(gè)不同的觀測(cè)器可以得到各個(gè)時(shí)空的測(cè)試結(jié)果，這樣能夠促進(jìn)故障辨別能力的不斷提升，從而保障電機(jī)絕緣故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 基于信息融合技術(shù)的故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)

信息融合技術(shù)充分發(fā)揮了多傳感器的各種信息融合處理功能，完成系統(tǒng)的信息檢測(cè)、突變系統(tǒng)的信息檢測(cè)以及告警，所以，它較以往的故障診斷技術(shù)擁有較高的準(zhǔn)確性和可靠性[10-11]。信息融合技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科綜合應(yīng)用的技術(shù)，它將高等數(shù)學(xué)、模式識(shí)別、證據(jù)推理、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、粗集理論、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種學(xué)科進(jìn)行融合疊加，從而形成一個(gè)全新的探索領(lǐng)域，該領(lǐng)域隨著技術(shù)的革新也在不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。未來基于信息融合技術(shù)的故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

第一，信息被隱含在狀態(tài)測(cè)量中的情況是故障檢測(cè)中常見的情況，但是量測(cè)不是一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致信息不全面，從而使故障識(shí)別的速度降低、精準(zhǔn)度下降。如果采用對(duì)狀態(tài)/數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算，就能解決以上問題，通過將數(shù)據(jù)級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)三個(gè)功能層級(jí)的融合結(jié)果，演變?yōu)榫C合診斷系統(tǒng)的相關(guān)信息并加以綜合處理，就能夠達(dá)到將不同方法綜合集成的目的。

第二，在多傳感器數(shù)據(jù)融合計(jì)算理論中，不同型號(hào)的傳感器數(shù)據(jù)采集的速度有快慢的區(qū)別，不同類型的傳感器都有不同的延時(shí)響應(yīng)，那么數(shù)據(jù)傳達(dá)就會(huì)有相應(yīng)的延時(shí)，這就造成同時(shí)異步多傳感器狀態(tài)/參數(shù)的融合計(jì)算復(fù)雜且不精準(zhǔn)。如何解決實(shí)踐中的異步問題是未來探索的重點(diǎn)方向[12]。

第三，通過增加融合系統(tǒng)的容錯(cuò)能力或穩(wěn)健性，使與融合系統(tǒng)有沖突的信號(hào)或由傳感器故障而引起的錯(cuò)誤信息仍然可以作出適當(dāng)?shù)奶幚?，并給出正確的反饋。

第四，增強(qiáng)融合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器增加，數(shù)據(jù)采集量劇增，那么傳送給信息融合故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)果量也大幅增加，勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)不能及時(shí)處理相關(guān)信息，那么如何提高實(shí)時(shí)性就成為亟待解決的問題。

第五，評(píng)估信息融合故障診斷系統(tǒng)的性能。高效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，同時(shí)建立最優(yōu)的模型對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行全面有效的評(píng)估，有效地從多個(gè)方案中快速比較出最合理的方案。

5 結(jié)論

機(jī)電設(shè)備在各個(gè)行業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用，一旦機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)故障會(huì)影響生產(chǎn)經(jīng)營的發(fā)展，而在機(jī)電故障中絕緣故障最為常見，而且形成原因比較多。為了準(zhǔn)確有效地檢查出絕緣故障的具體情況，可以將信息融合技術(shù)應(yīng)用到檢測(cè)系統(tǒng)中，構(gòu)建一種準(zhǔn)確便捷的機(jī)電設(shè)備絕緣故障檢查系統(tǒng)，從而提高機(jī)電檢測(cè)維修的效率。