摘 要：為達(dá)到優(yōu)化快速欄桿機(jī)故障辨識(shí)效果、降低辨識(shí)誤判率、提高辨識(shí)準(zhǔn)確性的目的，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了快速欄桿機(jī)故障自適應(yīng)辨識(shí)方法。建立物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，安裝傳感器，實(shí)時(shí)采集并傳輸快速欄桿機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；對(duì)采集的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放與標(biāo)簽編碼處理，提高數(shù)據(jù)可用性；明確欄桿機(jī)可能發(fā)生的故障類型及特征，采用主成分分析方法，提取能夠反映快速欄桿機(jī)運(yùn)行故障的特征；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)快速欄桿機(jī)故障自適應(yīng)辨識(shí)算法，辨識(shí)欄桿機(jī)是否存在故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，快速欄桿機(jī)的辨識(shí)誤判率最高不超過0.39%，辨識(shí)準(zhǔn)確性得到了顯著提高。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；快速欄桿機(jī)；故障自適應(yīng)辨識(shí)；主成分分析；CART決策算法；數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

快速欄桿機(jī)作為一種常見的自動(dòng)化設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、隧道等場(chǎng)所的人行道或車行道的欄桿控制[1]。它能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)欄桿的升降操作，并具有防撞功能，能夠有效減輕交通壓力和保障交通安全[2]。然而，快速欄桿機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到多種因素的影響，如天氣、交通流量等，在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，導(dǎo)致快速欄桿機(jī)性能下降或失效，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)安全事故。因此，對(duì)快速欄桿機(jī)故障進(jìn)行準(zhǔn)確辨識(shí)和診斷，對(duì)保證欄桿機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及交通安全具有重要意義。傳統(tǒng)的快速欄桿機(jī)故障診斷方法主要依賴于人工巡檢和定期維護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性，不僅辨識(shí)準(zhǔn)確率不高，效率低下，而且難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為快速欄桿機(jī)的故障辨識(shí)提供了新的解決方案。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一種高效、準(zhǔn)確的快速欄桿機(jī)故障自適應(yīng)辨識(shí)方法。通過在快速欄桿機(jī)上安裝各種傳感器，可以實(shí)時(shí)收集設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后把采集到的數(shù)據(jù)傳送到云端，供分析和處理[4]。通過對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析，能夠及時(shí)診斷出快速欄桿機(jī)的異常運(yùn)行工況，并正確辨識(shí)出故障類型，分析故障原因，為欄桿機(jī)的安全可靠運(yùn)行及設(shè)備后續(xù)維護(hù)、維修提供有力

支持。

1 快速欄桿機(jī)故障自適應(yīng)辨識(shí)方法

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集快速欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。采集的數(shù)據(jù)包括欄桿機(jī)的開啟/關(guān)閉狀態(tài)、欄桿機(jī)的速度、欄桿機(jī)的電力參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等[5]。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1所示，為數(shù)據(jù)采集與傳輸提供有力的支持。

從圖1中可以看出，本文所構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)由3層組成。其中，感知層主要負(fù)責(zé)采集與識(shí)別快速欄桿機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)物理信息，通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)一定的自適應(yīng)控制功能；網(wǎng)絡(luò)層起到了連接作用，進(jìn)行快速欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的雙向傳遞；應(yīng)用層能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用中用戶與設(shè)備之間的信息交互[6]。傳感器選擇光敏傳感器、電流互感器、電壓傳感器與開關(guān)傳感器[7]，實(shí)時(shí)捕獲欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，上傳至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行故障自適應(yīng)辨識(shí)。

1.2 快速欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在上述基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集完畢后，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)能夠有效地反映欄桿機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況及特征，避免因數(shù)據(jù)不可靠而對(duì)后續(xù)故障自適應(yīng)辨識(shí)結(jié)果造成干擾。首先，檢查運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的完整性，去除不符合要求或異常的數(shù)據(jù)。其次，將數(shù)據(jù)字符串類型轉(zhuǎn)換為數(shù)值類型，根據(jù)分析需求，重新組織數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)[8]。將重組后的數(shù)據(jù)縮放到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，縮放公式表示為：

（1）

式中：x表示欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)原始數(shù)據(jù)；μ表示運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)平均值；σ表示運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。數(shù)據(jù)縮放完畢后，使用標(biāo)簽編碼對(duì)分類變量進(jìn)行編碼，將快速欄桿機(jī)開啟狀態(tài)編碼為0，將關(guān)閉狀態(tài)編碼為1，便于后續(xù)故障的特征提取[9]。

1.3 提取快速欄桿機(jī)故障特征

快速欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理完畢后，從預(yù)處理后的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)中提取能夠反映快速欄桿機(jī)運(yùn)行故障的各項(xiàng)特征?？焖贆跅U機(jī)故障類型及特征見表1。

本文采用主成分分析方法，通過線性變換的方式將原始快速欄桿機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為若干個(gè)主成分，這些主成分能夠多維度反映運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的主要特征[10]，公式如下所示：

（2）

式中：X表示轉(zhuǎn)換后的主成分矩陣；Z表示由縮放完畢后的原始數(shù)據(jù)z組成的矩陣；W表示線性變換矩陣。

1.4 設(shè)計(jì)故障自適應(yīng)辨識(shí)算法

快速欄桿機(jī)故障特征提取完畢后，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)快速欄桿機(jī)故障自適應(yīng)辨識(shí)算法，辨識(shí)欄桿機(jī)是否存在故障。本文選擇CART決策樹算法[11]，與其他決策樹算法相比，該算法在處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的非線性問題上更為高效。設(shè)定當(dāng)前快速欄桿機(jī)樣本集合X，其共包含l種特征。利用基尼比G（X）來度量數(shù)據(jù)集合的純度，公式如下所示：

（3）

式中：pk表示第k類樣本所占的比例。通過該公式得出的基尼比能夠有效反映在數(shù)據(jù)集合中隨機(jī)抽取樣本的故障類別標(biāo)記不一致的概率，G（X）值越小，則數(shù)據(jù)集的純度相對(duì)越高。其次，定義數(shù)據(jù)集中任意屬性的基尼指數(shù)，在候選屬性集合中，選擇基尼指數(shù)最小的屬性，將其作為故障自適應(yīng)辨識(shí)最優(yōu)劃分屬性。結(jié)合上述提取的故障特征與最優(yōu)劃分屬性，確定故障自適應(yīng)辨識(shí)最優(yōu)特征的最優(yōu)二值劃分點(diǎn)[12]。將訓(xùn)練集根據(jù)特征的不同，分配到兩個(gè)不同的子節(jié)點(diǎn)中，對(duì)兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不斷地遞歸處理，直至滿足分類樹停止迭代的條件。生成CART決策樹后，根據(jù)決策樹的輸出結(jié)果，初步辨識(shí)欄桿機(jī)是否存在故障。

在此基礎(chǔ)上，采集快速欄桿機(jī)正常工作時(shí)的歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)記錄，對(duì)快速欄桿機(jī)正常工作時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化做出客觀分析，掌握欄桿機(jī)的運(yùn)行規(guī)律?；跈跅U機(jī)正常工作時(shí)的數(shù)據(jù)值與運(yùn)行規(guī)律，分別設(shè)定各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)的閾值。對(duì)于每次接收到的命令，快速欄桿機(jī)都會(huì)記錄其運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過設(shè)計(jì)的判斷算法，檢查欄桿機(jī)各項(xiàng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)是否超出或低于設(shè)定的閾值。若任意一項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)不滿足閾值要求，則判定欄桿機(jī)存在故障；若所有運(yùn)行數(shù)據(jù)均滿足閾值要求，則判定欄桿機(jī)不存在故障，從而輸出最終的辨識(shí)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)快速欄桿機(jī)故障自適應(yīng)辨識(shí)目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇了150臺(tái)快速欄桿機(jī)作為此次實(shí)驗(yàn)研究的樣本設(shè)備。這些設(shè)備均安裝在城市的交通路口（具有代表性的交通流量和工況條件）。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，這些快速欄桿機(jī)均由同一家制造商生產(chǎn)，型號(hào)相同。

在實(shí)驗(yàn)期間，為每臺(tái)快速欄桿機(jī)配備了多種傳感器，可以對(duì)各欄桿機(jī)的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集每臺(tái)快速欄桿機(jī)的具體運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。采集的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、欄桿位置、電流、運(yùn)行時(shí)間、故障代碼等?？焖贆跅U機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz，其持續(xù)監(jiān)測(cè)了150臺(tái)設(shè)備在一個(gè)月內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，為了模擬快速欄桿機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的故障情況，對(duì)快速欄桿機(jī)進(jìn)行了人為故障設(shè)置，樣本設(shè)備故障模擬情況見表2。

2.2 結(jié)果分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇將快速欄桿機(jī)故障辨識(shí)誤判率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。將本文提出的方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]方法分別設(shè)置為對(duì)照組1與對(duì)照組2。快速欄桿機(jī)故障辨識(shí)誤判率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

通過表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的故障自適應(yīng)辨識(shí)方法表現(xiàn)出了更好的性能，6種不同故障類型的快速欄桿機(jī)辨識(shí)誤判率明顯低于另外2個(gè)對(duì)照組，誤判率最高不超過0.39%。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明，本文提出的自適應(yīng)辨識(shí)方法具有更高的可行性與有效性，能夠準(zhǔn)確地辨識(shí)出快速欄桿機(jī)的各類故障。

3 結(jié) 語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)快速欄桿機(jī)提出了一種故障自適應(yīng)辨識(shí)方法，并通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出方法對(duì)故障辨識(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性。在未來的研究中，人們可以進(jìn)一步優(yōu)化快速欄桿機(jī)故障數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)技術(shù)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，為故障辨識(shí)提供更加準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：蔣建濤（1987—），男，甘肅蘭州人，工程師，研究方向?yàn)楦咚俟窓C(jī)電維護(hù)。

收稿日期：2024-01-30 修回日期：2024-03-07