孫思琦，崔英英，梁雅博，張淑潔，逯瑞婷

(1.中國電子科技集團公司 第二十研究所，西安 710061;2.長安大學 信息工程學院，西安 710061)

0 引言

近年來,隨著交通運輸業(yè)的高速發(fā)展,隧道交通也在快速發(fā)展，目前我國已成為世界上隧道最多、最復雜、發(fā)展最快的國家。據(jù)交通部和鐵道部公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國現(xiàn)有公路隧道數(shù)量達到了21 316處,總長度2 199 km(2020年數(shù)據(jù));現(xiàn)有鐵路隧道16 798座,總長度19 630 km ( 2020年數(shù)據(jù))。隨著隧道數(shù)量和里程的不斷增加,在隧道內發(fā)生的火災也越來越多。有研究人員研究過公路隧道發(fā)生火災的頻率,認為公路隧道火災頻率為2次/億車公里,也即1 000 m長的隧道4～7年有一次火警,2 000 m長的隧道2～3年有一次火警。作為交通道路上的關鍵線路和控制性節(jié)點,長大隧道在給交通運輸業(yè)做出貢獻的同時,隧道內發(fā)生的火災也造成了巨大的社會影響和經濟損失。

在隧道火災防治上，隧道通風子系統(tǒng)做出了極大的貢獻。高速公路隧道通風系統(tǒng)負責在隧道日常運作時排出車輛排放的易燃氣體以及將新鮮空氣送入隧道，因此用于置換氣體的軸流風機在隧道通風系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位。由于長期的重載運行以及隧道內外氣壓差的存在，軸流風機逐漸會出現(xiàn)故障。早期的軸流風機故障通常表現(xiàn)為振動頻率的變化且難以察覺，人工巡查無法及時發(fā)現(xiàn)故障。目前對于風機等大型旋轉機械的健康狀況監(jiān)控能在旋轉機械出現(xiàn)明顯故障或因故障徹底停工后發(fā)出警報，但此時需要投入更多的資金和人力去維修軸流風機。因此對風機的早期機械故障進行診斷，不僅能大大降低風機維護成本，對于防止可控故障發(fā)展為重大失控故障、響應國家工業(yè)數(shù)字化建設有著極其重要的意義。

目前，國內外已有學者開展了基于信號分析的風機故障診斷研究，冷軍發(fā)等[1]通過FFT分析礦井通風機的振動信號頻譜，診斷出其軸系不對中的故障；王衛(wèi)東[2]采取了對振動信號時域頻域結合分析的方法，探查了高爐鼓風機故障類型、部位以及原因；周卓異等[3]通過結合風機噪聲信號模型，對軸流風機軸系不對中、轉子不平衡、基座松動、葉片損壞4種典型故障的Fourier頻譜特征做出了理論分析預測；劉瑤[4]通過深度學習方法，采用長短時記憶模型和殘差神經網絡兩種深度學習方法分別對風機振動信號進行深層特征提取，實現(xiàn)風機故障分類。

迄今為止，國內外學者研究重點可大致分為兩類：一類為對軸流風機信號的頻域特征進行提取分析；另一類通過對故障診斷過程中的深度學習方法加以改進提升。無論基于哪種方法進行故障診斷，均需要較強的計算能力，在數(shù)據(jù)采集端直接進行故障診斷受電源和計算能力的限制，因此振動數(shù)據(jù)需傳輸?shù)焦收显\斷專用的上位機。迄今為止的研究未考慮到風機實際工作環(huán)境如隧道中振動數(shù)據(jù)如何發(fā)送至故障判別端的問題。在給隧道風機加裝故障檢測系統(tǒng)的過程中，系統(tǒng)監(jiān)控到的振動數(shù)據(jù)需要發(fā)送給隧道管理中心，通過有線傳輸可保證傳輸帶寬，但長大隧道的復雜環(huán)境增加了有線傳輸布線的難度，隧道中無線傳輸方式多徑衰落嚴重，當傳輸信噪比惡化時，需要抗干擾能力強的無線傳輸技術來保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

物聯(lián)網行業(yè)的發(fā)展掀起了一場通信技術革命，LoRa擴頻調制技術作為其產物之一，一直受到廣泛關注，LoRa芯片以其抗多徑能力強的優(yōu)點被廣泛用于多徑衰落嚴重的信道中。在風機故障監(jiān)測系統(tǒng)中，振動數(shù)據(jù)上傳的越詳細對于系統(tǒng)的故障判別越有利，但在惡劣環(huán)境下由于LoRa本身擴頻調制的特點，傳輸信噪比降低時需要增大調制的擴頻倍數(shù)，因此傳輸速率受到限制，而軸流風機的故障監(jiān)測需要實時將振動數(shù)據(jù)發(fā)送到故障判別端。

為了解決這個問題，論文對軸流風機健康狀況監(jiān)測中的數(shù)據(jù)傳輸過程進行研究，提出自適應傳輸機制：將傳感器采集到的完整振動數(shù)據(jù)進行備份，高速公路隧道環(huán)境多變，在傳輸信噪比較高時，LoRa擴頻倍數(shù)較小，此時LoRa傳輸帶寬充足，上傳更加詳細的振動數(shù)據(jù)以提高故障判別的準確率；當信道信噪比降低時，LoRa擴頻因子增大使信號的抗干擾能力增強，此時需對振動數(shù)據(jù)進行選擇性上傳，通過犧牲小部分細節(jié)數(shù)據(jù)換取故障檢測系統(tǒng)的正常運作。當故障判別端檢測到異常數(shù)據(jù)時，則要求發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)，將完整振動數(shù)據(jù)發(fā)送至故障判別端進行分析。

1 自適應傳輸機制模型

自適應傳輸模型如圖1所示，加速度傳感器將風機振動信號轉換為電流信息后送入數(shù)據(jù)采集卡模塊進行處理，采集卡對電流信號進行高頻采樣并保存至本地存儲卡，為了減少數(shù)據(jù)傳輸壓力，對采樣序列進行抽取以及非均勻量化編碼。采集卡輸出的二進制比特流通過LoRa擴頻調制模塊，先后經過糾錯編碼機、交織器和擴頻序列產生器，包裝為標準LoRa幀結構后由發(fā)射天線發(fā)送。

圖1 自適應傳輸模型圖

隧道中軸流風機的運行時間通常為車流量高峰期，此時隧道車流量大，存在大量噪聲，包括了軸流風機自身產生的噪聲、汽車發(fā)動機噪聲以及輪胎噪聲等，經測試隧道車輛產生的噪聲與以下因素有關。

1)隧道中車輛構成種類：一般來講，任何車都存在噪聲隨著行駛速度增大而增大的問題，在同樣的行駛速度下，大型車噪聲最大；中型車次之；小型車最小。而軸流風機運行時間所在的車流量高峰期，是以大型車的車流量作為標準的。

2)車流量：噪聲級隨著車流量增加而增加，并且隧道內的噪聲高于隧道外的噪聲。

3)路面結構：輪胎與路面的摩擦噪聲與路面的種類有關，混凝土路面較瀝青混凝土路面高2 dB，較碎石路面高4 dB。

4)隧道內墻壁吸聲系數(shù)：隧道內墻壁對聲波的吸收作用小，是造成洞內噪聲污染的一個重要原因。

此外，還有車輛鳴笛和路堤高度等因素，可以看出隧道中的噪聲成分以及噪聲大小是時刻變化且不可控的。因此故障判別端在對接收信號進行解擴恢復后，需要將解擴信號的信噪比實時反饋給發(fā)送端LoRa模塊。

當信噪比惡化時，LoRa芯片能主動增大調制過程中的擴頻因子。目前市面上的LoRa芯片傳輸帶寬均在400～1 000 kHz之間，在傳輸帶寬限制下振動數(shù)據(jù)的傳輸速率被降低。若不改變數(shù)據(jù)采集參數(shù)會產生大量振動數(shù)據(jù)堆積在數(shù)據(jù)緩存區(qū)無法及時發(fā)送。而隧道內噪聲級做無規(guī)律變化增加了人為調整采集卡參數(shù)的難度。因此發(fā)送端LoRa模塊根據(jù)信噪比調整擴頻因子大小，以調整后的LoRa傳輸速率作為參考標準，調整抽取因子D與量化編碼位數(shù)n的大小，減少LoRa待發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)緩存，最終使振動數(shù)據(jù)的傳輸速率不高于LoRa信息最大傳輸速率，是自適應傳輸機制的主要內容。

2 自適應傳輸關鍵技術

2.1 基于信號抽取的自適應采樣

傳感器采集到的振動信號首先需要在采集卡處進行采樣。一般情況下，采用周期為TS的沖激函數(shù)序列P(t)與待采樣模擬序列x(t)相乘的方法，可以實現(xiàn)振動信號的采樣過程。該過程如圖2所示，采樣序列頻域上的表現(xiàn)為原頻譜X(ω)的多次頻譜搬移[7]，搬移的角頻率為nωs(n=0,±1,±2,…) 。

圖2 信號的采樣過程

其中沖激函數(shù)序列的角頻率ωs與序列周期TS關系如式(1)所示，TS越小，最終得到的采樣序列角頻率的搬移越大，發(fā)生頻譜混疊的概率就越低，對接收端恢復信號越有利。因此在不考慮系統(tǒng)成本和傳輸功耗時，采樣頻率越大，對風機故障類型的判別越準確。

(1)

在模擬故障實驗中對DTF-5可變翼軸流式通風機的振動信號頻域進行分析后發(fā)現(xiàn)，軸流風機的故障分為軸承故障、基座松動故障、轉子不平衡故障以及定轉子碰磨故障。在振動信號頻譜低頻部分(0～500 Hz)，故障工況的頻率成分相比于正常工況更加豐富；部分故障工況如軸承故障、定轉子碰磨故障等，在高頻部分(500 Hz～2.5 kHz)有明顯的雜亂頻率成分。如圖3所示為軸流風機定轉子碰磨故障頻譜，頻率達到2.5 kHz時振動能量基本消失，初采樣頻率Fs可選擇較高的10 kHz用于采集完整的振動數(shù)據(jù)。為了減輕LoRa傳輸?shù)膲毫Γ蓸有蛄薪洷镜乇４鎮(zhèn)浞莺?，需要進行下采樣，即信號的抽取。

圖3 定轉子碰磨故障

信號抽取是指采樣序列每D個采樣點只保留下一個，其他采樣點數(shù)據(jù)丟棄的過程，其中D是抽取因子，為整數(shù)。信號抽取的本質是采樣，因此抽取過程需遵循奈奎斯特采樣定理，即Fs/D≥2Fh。

由式(2)可知抽取后信號頻譜延拓周期會降低為原來的nωs/D(n=0,±1,±2,…)，為防止抽取后頻譜混疊程度加劇，采用周期為ωs，寬度為ωs/D的數(shù)字濾波器濾掉可能發(fā)生混疊的頻譜分量。

LoRa在信道環(huán)境較好時可上傳較多數(shù)據(jù)，抽取因子D可根據(jù)LoRa傳輸速率進行增減，當噪聲增大后，抽取因子D的值開始增加，最終達到Fs/D=2Fh，由于0～500 Hz頻段范圍內的頻率成分可直接判斷風機是否出現(xiàn)故障，因此Fh取500 Hz即可。當故障判別端檢測到振動信號出現(xiàn)故障分頻，立即向接收端發(fā)送重傳申請，此時發(fā)送端會將未經抽取的振動數(shù)據(jù)發(fā)送至故障判別端，從而判斷故障的具體種類。

2.2 基于非線性規(guī)劃的信號量化

信號的量化過程分為均勻量化和非均勻量化，其中均勻量化是指量化區(qū)間等間隔劃分的量化技術，量化位數(shù)n表示量化需要的編碼位數(shù)，量化間隔Δq與各級量化電平qi的關系如式(2)所示。

Δq=(b-a)/2n

qi=a+iΔq,i=0,1,…,2n

(2)

其中:[a,b]為振動信號幅度的取值范圍，均勻量化方法各級量化輸出電平值xqi為:

(3)

由于風機故障信號大多表現(xiàn)為小幅度的高次諧波，采用均勻量化不能很好的描述故障信號特征，因此本文采用非均勻量對振動數(shù)據(jù)進行信源編碼。與均勻量化不同的是，非均勻量化的量化間距是基于信號分布估計選擇的，量化間隔計算具體步驟如下所示：

1)使用非參數(shù)直方圖估計法對風機振動信號幅度的分布情況進行估計擬合得到其分布函數(shù)。非參數(shù)直方圖估計法將樣本風機振動信號范圍劃分為M個等距離區(qū)間并統(tǒng)計落在每個區(qū)間的樣本個數(shù)，計算每個區(qū)間的概率密度后對該直方圖進行擬合，最終得到風機振動信號的概率密度函數(shù)f(x)，軸流風機振動信號擬合曲線如圖4所示。

圖4 擬合風機振動信號概率密度函數(shù)

2)得到量化噪聲eq的關系式。 量化噪聲eq與信號的概率密度函數(shù)f(x)相關，其計算公式為：

(4)

其中:xq為量化輸出值，非均勻量化下采樣點的量化輸出關系如式(5)所示:

(5)

由于信號正負電平的對稱關系，即q-(2n-1-1)=-q2n-1-1，非均勻量化的量化噪聲可推導為：

(q1-q3)h(q2)+…+(q2n-1-2-q2n-1)h(q2n-1-1)+

(q2n-1+q2n-1-1)h(+∞)]

(6)

在量化噪聲eq取最小值的約束下，通過非線性規(guī)劃函數(shù)求出最佳的量化間隔。

通過上方法，無論量化編碼位數(shù)n的取值為多少，均可得到最優(yōu)的量化間隔，振動信號經量化編碼后進行擴頻調制。

3 LoRa擴頻調制技術

LoRa 是諸多LPWAN通信技術中的一種， 是一種基于擴頻的調制方式，通過擴頻把信號擴展到帶寬較寬的噪聲中，獲得擴頻增益。香農公式是擴頻通信的理論基礎，如式(7)所示為單位時間內信道容量、信號帶寬和信噪比的關系，其中C為信道支持的最大傳輸速率或信道容量(b/s)；B為信道帶寬(Hz)；S為平均信號功率(W)；N為平均噪聲功率(W)；S/N為信噪比(dB)。

C=Blog2(1+S/N)

(7)

考慮到限時因素，在一個系統(tǒng)內頻帶、時間和信噪比三者互換可用公式表示為:

F1T1log2(1+γ1)=F2T2log2(1+γ2)

(8)

其中:F1和F2分別為系統(tǒng)變化前后的頻帶寬度(Hz)；T1和T2為系統(tǒng)變化前的時間(s)；γ1和γ2為系統(tǒng)變化前后的信噪比(dB)；用頻帶換取信噪比時擴頻通信最常用的方法，根據(jù)式(9)：

T1=T2

?F1log2(1+γ1)=F2log2(1+γ2)

(9)

當λ2?1時，γ1=γ2F2 /F1，其中F2/F1就是該擴頻系統(tǒng)的擴頻系數(shù)或稱為擴頻因子。式(9)闡述了在傳輸信噪比降低時，可通過增大擴頻倍數(shù)以維持信息最大傳輸速率或信道容量。

根據(jù)擴頻的原理，擴頻技術可分為直接序列擴頻、跳頻擴頻和線性調頻等，其中LoRa芯片采用的線性調頻技術通過改變chirp信號掃頻的初始頻率來表示不同的信息，LoRa信號的帶寬為B，碼元周期為TS，載波頻率為fc，chirp信號可由式(10)來表示。

s(t)=ejφ(t)=ej(2πfct+πB/TSt2)，-Ts/2

(10)

chirp信號的瞬時頻率可表示為:

(11)

式(11)表明，chirp信號的瞬時頻率始終處于線性變化狀態(tài)。根據(jù)擴頻因子SF的大小，一個碼元符號被擴展為2SF個碼片，不同的碼片排列順序可表示2SF個碼元符號。即1symbol=2SFchips，每個碼片帶寬為BW/2SFHz。例如當SF取7時，通過128個碼片代表一個碼元，系統(tǒng)工作頻率為470 MHz，BW=250 kHz，則相鄰碼片間隔為250 kHz/128=1.95 kHz，其碼片帶寬如表1所示。

表1 碼片帶寬表

由表1可以看出，LoRa調制的特點在于不同時間下調制信號的載波頻率大小不同，當無線信號在隧道中出現(xiàn)多徑傳播，經不同路徑到達接收端時的時間不同時，在發(fā)送端和接收端時鐘同步的前提下，接收端有能力過濾掉多徑干擾分量，只解調主路徑傳播過來的信號。

根據(jù)碼片與信道帶寬的對應關系可得出LoRa的碼元符號傳輸時間Ts和符號速率RS與擴頻因子的關系如式(12)所示:

Ts=2SF/BW

Rs=1/Ts=BW/2SF

(12)

LoRa碼元與比特的對應關系為1symbol=SF bit，因此LoRa傳輸?shù)谋忍芈蕿?

Rb=RS*SF=SF*2SF/BW

(13)

LoRa調制模塊引入了CRC循環(huán)冗余校驗，糾錯編碼機將有效載荷數(shù)據(jù)每4 bit增加1～4位前向糾錯編碼(forward error correction，F(xiàn)EC)，前向糾錯編碼配置如表2所示，在LoRa中使用的CRC編碼率為1。因此LoRa傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)速率為:

(14)

表2 前向糾錯編碼配置表

針對不同的信道環(huán)境，LoRa芯片的擴頻因子SF可選范圍為7～12，在這里我們選擇的LoRa芯片型號為SX1278，其工作頻率為410～440 MHz，共計32個信道，單個信道帶寬為1 MHz，根據(jù)以上公式可得出表3中不同擴頻因子下的有效數(shù)據(jù)傳輸速率。

表3 SX1278芯片不同擴頻因子下傳輸速率

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，當隧道中環(huán)境惡化時，接收端將接收信號的信噪比分析并反饋至LoRa調制發(fā)送端，根據(jù)不同信噪比下與擴頻因子的對應關系，LoRa模塊的擴頻因子增大至對應的數(shù)值，此時有效數(shù)據(jù)傳輸速率降低，單位時間內傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)減少。

4 自適應傳輸系統(tǒng)性能測試

4.1 試驗場地及系統(tǒng)搭建

本次實驗場地為秦嶺終南山公路隧道，實驗對象為DTF-5可變翼式軸流風機。

系統(tǒng)幾何位置圖如圖5所示，該隧道的軸流風機放置在位于豎井底部的風機機房中，軸流風機通電后，將隧道內的廢氣排至山頂，并將山頂?shù)男迈r空氣源源不斷地輸送進隧道內，從而達到通風換氣的效果。軸流風機上的故障監(jiān)測系統(tǒng)進行無線傳輸時，路徑最短、耗能最低、傳輸最高效的路徑是沿著豎井進行傳輸，但是豎井在物理結構上是一條內壁光滑的圓形管道，無線信號在豎井中傳輸時，會產生嚴重的多徑效應。

圖5 系統(tǒng)幾何位置圖

故障監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與處理設備、中繼基站、客戶端軟件。

數(shù)據(jù)采集與處理設備安裝在軸流風機外殼上，包括壓電式加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、LoRa無線調制模塊，負責將軸流風機的振動數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。

由于Lora的傳輸距離為3～5公里，部分長大隧道長度超過了10公里，隧道風機距管理中心有一定距離，因此設置中繼基站安裝在豎井出口的信號基站上，用于解決隧道風機與隧道管理所之間的距離超過LoRa最大傳輸距離的問題。

客戶端軟件安裝在隧道管理所監(jiān)控中心電腦上，負責將無線傳輸過來的數(shù)據(jù)進行故障判別后存儲。

圖6 終南山隧道風機房

如圖6所示為終南山隧道的風機房，在風機房中的軸流風機外殼加裝傳感器、添加了自適應傳輸機制的采集卡以及LoRa透傳模塊，在實驗中為了判斷風機的故障診斷是否正確，分別通過在葉片根部加載重物實現(xiàn)轉子不平衡故障，破壞連接風機葉片與轉軸的滾動軸承來模擬軸承故障，將風機地腳螺栓擰松來實現(xiàn)基座松動故障，在風機葉片上粘硬塑料片確保塑料片與風機殼發(fā)生摩擦來實現(xiàn)定轉子碰磨故障。

4.2 故障監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

由于LoRa模塊在不同信噪比下傳輸速率為定值，采樣點數(shù)與編碼位數(shù)在當前傳輸速率下可有多種取值方式，例如當傳輸速率為43.75 kbps時，抽取因子和編碼位數(shù)取2和8或3和12均滿足無差錯傳輸?shù)囊螅虼嗽诮K南山隧道中分別測試不同信噪比時，幾種模數(shù)轉換參數(shù)組合下客戶端顯示數(shù)據(jù)相對于發(fā)送數(shù)據(jù)的誤碼率，最終得到在不同傳輸速率下采樣點數(shù)與編碼位數(shù)誤碼率最低的組合如表4所示。為了方便后續(xù)流程圖的繪制，為每一種組合增加了序號。

表4 不同信道環(huán)境下抽取因子與編碼位數(shù)組合

根據(jù)表4所得結果，自適應傳輸機制過程可用公式(15)表示，其中符號“┌┐”表示向上取整，“||”表示取絕對值。式(15)描述的流程為：獲取接收端反饋的SNR值并進行上取整計算，得到序號i，此時抽取因子D和編碼位數(shù)n取值為序號i對應的Di與ni。

i=||SNR/2.5||-2,n=ni,D=Di

(15)

在轉子不平衡、軸承故障、基座松動或定轉子碰磨等風機故障已知的條件下，測試不同信道環(huán)境下LoRa故障監(jiān)測系統(tǒng)與普通4G故障監(jiān)測系統(tǒng)的故障診斷結果，若診斷結果與風機故障類型相同，認為診斷成功，若不相同則認為故障診斷失敗，統(tǒng)計并分析故障監(jiān)測系統(tǒng)診斷錯誤的概率。

測試結果如表5所示。當信噪比在-5 dB時，信道環(huán)境相對較好，Lora可以傳輸完整的振動數(shù)據(jù)細節(jié)，這對于客戶端的故障類型判別是十分有利的；隨著信道環(huán)境逐漸惡化，振動數(shù)據(jù)抽取比例增大，由于故障頻譜低頻部分相似度較大，細節(jié)數(shù)據(jù)的缺失逐漸增加了故障分辨的難度，故障診斷正確率開始降低。

表5 故障監(jiān)測系統(tǒng)測試結果

由表5可以看出，自適應傳輸策略使LoRa傳輸風機振動數(shù)據(jù)成為可能，普通故障監(jiān)測系統(tǒng)由于沒有LoRa擴頻模塊強大的抗干擾能力，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫婀?jié)節(jié)敗退，在惡劣環(huán)境下丟失大量數(shù)據(jù)。因此采用自適應傳輸?shù)腖ora故障監(jiān)測系統(tǒng)能更好的在隧道等惡劣環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)。

5 結束語

本文提出了基于自適應傳輸機制的LoRa故障監(jiān)測系統(tǒng)，傳統(tǒng)的故障監(jiān)測系統(tǒng)無法在隧道等特殊場景下正常工作，因此在原有系統(tǒng)的基礎上加裝LoRa擴頻調制模塊，由于LoRa的窄帶寬特性，在隧道環(huán)境多變的情況下通過自適應傳輸機制根據(jù)信道環(huán)境自行調整數(shù)據(jù)采集參數(shù)。在經過多次實驗后，相比于在隧道中安裝普通的故障監(jiān)測系統(tǒng)，基于自適應傳輸機制的LoRa故障監(jiān)測系統(tǒng)較好的傳輸性能得到證實，系統(tǒng)的可用性較強。