磨削技術(shù)
數(shù)控機(jī)床故障診斷的信息融合技術(shù) |
| 發(fā)布時(shí)間：2020/9/2 |
| 數(shù)控機(jī)床故障診斷的信息融合技術(shù) 一、信息融合技術(shù)的發(fā)展 隨著傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種面向復(fù)雜應(yīng)用背景的多傳感器信息系統(tǒng)也隨之大量涌現(xiàn)。在這些系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式是多種多樣的，信息容量以及對(duì)處理速度的要求已大大超出人腦的信息綜合處理能力，單純依靠提高傳感器本身的精度和容量來(lái)改善系統(tǒng)性能是比較困難的，而且單一傳感器的誤報(bào)和失效也往往導(dǎo)致系統(tǒng)的失敗。因此，需要一種手段來(lái)利用多個(gè)不必非常精確的傳感器信息，得出對(duì)環(huán)境或?qū)ο筇卣鞯娜妗⒄_認(rèn)識(shí)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。信息融合便是在這一情況下應(yīng)運(yùn)而生的。它實(shí)際上是一種多源信息的綜合技術(shù)，通過(guò)對(duì)來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和智能化合成，獲得被測(cè)對(duì)象及其性質(zhì)的最佳一致估計(jì)，從而產(chǎn)生比單一信息源更精確、更完全的估計(jì)和決策。 1．信息融合技術(shù)的起源與優(yōu)點(diǎn) (1)信息融合技術(shù)的起源 1959年Kolmogolov提出了一條關(guān)于信息集成的定理：對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，將多個(gè)單維信息集合成多維信息，其信息量必然會(huì)比任何一個(gè)單維信息的信息量大；Richardson從理論上證明了增加傳感器，原系統(tǒng)的性能不會(huì)降低。1973年，美國(guó)研究機(jī)構(gòu)在國(guó)防部的資助下開(kāi)始了聲納信號(hào)理解系統(tǒng)的研究，信息融合技術(shù)在這一系統(tǒng)中得到了最早的體現(xiàn)。在現(xiàn)有已公開(kāi)的文獻(xiàn)資料中，多傳感器信息融合一詞最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末，這個(gè)問(wèn)題一提出，多傳感器信息融合技術(shù)就被世界上先進(jìn)的軍事大國(guó)所重視，并將其列為軍事高技術(shù)研究和發(fā)展領(lǐng)域中的一個(gè)重要專(zhuān)題。美國(guó)國(guó)防部從軍事應(yīng)用的角度將信息融合定義為這樣一個(gè)過(guò)程，即把來(lái)自多傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合(Association)、相關(guān)(Correlation)和組合(Combination)，以獲得精確的位置估計(jì)(Position Estimation)和身份估計(jì)(Identity Estimation)，以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況和威脅及其重要程度進(jìn)行適時(shí)的完整評(píng)價(jià)。根據(jù)國(guó)外近些年來(lái)的研究成果，信息融合比較確切的定義可概括為：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干傳感器的觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息融合技術(shù)得到了迅速發(fā)展。 (2)信息融合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)信息融合技術(shù)是協(xié)同利用多源信息，以獲得對(duì)同一事物或目標(biāo)的更客觀、更本質(zhì)認(rèn)識(shí)的信息綜合處理技術(shù)。其中“融合”是指采集并集成各種信息源、多媒體和多格式信息，從而生成完整、準(zhǔn)確、及時(shí)和有效的綜合信息。它比直接從各信息源得到的信息更簡(jiǎn)潔、更少冗余、更有用途。從目前來(lái)看，無(wú)論是軍用系統(tǒng)，還是民用系統(tǒng)，都趨向于采用信息融合來(lái)進(jìn)行信息綜合處理。因?yàn)樾畔⑷诤暇哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：①可擴(kuò)展系統(tǒng)的空間覆蓋范圍；②可擴(kuò)展系統(tǒng)的時(shí)間覆蓋范圍；③可增加系統(tǒng)的信息利用率；④可提高合成信息的可信度和精度；⑤可改進(jìn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)／識(shí)別；⑥可降低系統(tǒng)的投資。 2．信思融合技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)信息融合技術(shù)的研究起步較早。早在1973年，美國(guó)的有關(guān)機(jī)構(gòu)就在國(guó)防部的資助下，開(kāi)展了聲納信號(hào)理解系統(tǒng)的研究。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和傳感器投資的大量增加，使得在軍事系統(tǒng)中所使用的傳感器數(shù)量急劇增加，因而要求傳感器處理更多的信息和數(shù)據(jù)，更加強(qiáng)調(diào)其速度和實(shí)時(shí)性。美國(guó)三軍政府組織——實(shí)驗(yàn)室理事聯(lián)席會(huì)下面的C3I技術(shù)委員會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)了解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，并于1984年成立了數(shù)據(jù)融合專(zhuān)家組(Data Fusion SubanM，DFS)，專(zhuān)門(mén)指導(dǎo)、組織并協(xié)調(diào)有關(guān)這一國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)性研究。但在當(dāng)時(shí)，信息融合并不像現(xiàn)在這樣受到人們普遍的重視，研究中所使用的概念和定義也很不統(tǒng)一。1988年，美國(guó)國(guó)防部將多傳感器信息融合技術(shù)列為20世紀(jì)90年代重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。從1992年起，每年都投資1億美元用于多傳感器融合技術(shù)的研究。國(guó)際上還專(zhuān)門(mén)出版有關(guān)期刊并召開(kāi)專(zhuān)題年會(huì)，來(lái)統(tǒng)一信息融合的定義，提高人們對(duì)信息融合廣闊應(yīng)用前景的認(rèn)識(shí)。1988年，成立了國(guó)際信息融合學(xué)會(huì)(International Society of Information Fusion，ISIF)，總部設(shè)在美國(guó)，每年舉行一次信息融合國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)。此時(shí)，多傳感器信息融合技術(shù)開(kāi)始由零星的分散研究轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域。 中國(guó)對(duì)信息融合技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，20世紀(jì)80年代初，人們開(kāi)始從事多目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究，到了20世紀(jì)80年代末期，才出現(xiàn)了關(guān)于信息融合技術(shù)研究的報(bào)告。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，國(guó)內(nèi)對(duì)信息融合這一領(lǐng)域的研究才逐漸形成高潮，一些高校和研究所開(kāi)始從事這一技術(shù)的研究工作，并出現(xiàn)了一些理論研究成果應(yīng)用于工程實(shí)際的報(bào)道。一些院所對(duì)多傳感器識(shí)別、定位等同類(lèi)信息融合的系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)，但都還處于初級(jí)階段。預(yù)計(jì)21世紀(jì)初將會(huì)有一批多傳感器信息融合系統(tǒng)投入使用。 對(duì)于信息融合技術(shù)更為詳細(xì)的論述，請(qǐng)讀者參閱相關(guān)的著作、文獻(xiàn)。 二、基于信息融合技術(shù)的數(shù)控機(jī)床故障診斷 黃宗元、仲梁維發(fā)表的《利用GPRS和D-S理論的數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)》的論文，結(jié)合GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決了以往對(duì)數(shù)控平面磨床管理相對(duì)松散、管理人員投入較大等問(wèn)題。同時(shí)從多傳感器信息融合出發(fā)，提出了在目標(biāo)識(shí)別中多傳感器信息的融合，同時(shí)運(yùn)用多傳感器信息融合和D—S證據(jù)理論診斷技術(shù)改變了傳統(tǒng)的制造設(shè)備診斷方法，經(jīng)過(guò)多故障特征信息融合后，診斷結(jié)論的可信度明顯提高，不確定性明顯減小，因此所提出的基于D-S證據(jù)理論的故障診斷方法是有效的，這樣大大提高了診斷和維修設(shè)備的效率，降低了設(shè)備維護(hù)成本，從而能夠及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行維修。 張愛(ài)瑜、趙曉光、張磊發(fā)表的《融合多傳感器信息的數(shù)控機(jī)床故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》論文，針對(duì)不同類(lèi)型數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、控制方式不同，故障類(lèi)型各有特點(diǎn)的現(xiàn)狀，建立了一種通用的數(shù)控機(jī)床故障監(jiān)測(cè)和診斷專(zhuān)家系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許用戶采用人機(jī)交互的方式建立故障樹(shù)，將故障樹(shù)知識(shí)表示成產(chǎn)生式規(guī)則形式的專(zhuān)家知識(shí)，在這種知識(shí)表示方式的基礎(chǔ)上，融合了多種傳感器信息，實(shí)現(xiàn)了正反向混合推理的推理機(jī)制。經(jīng)過(guò)在機(jī)床上實(shí)驗(yàn)，專(zhuān)家系統(tǒng)能夠利用多種傳感器信息診斷出故障原因并給出維修方案，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，然而系統(tǒng)也存在著一些問(wèn)題，推理機(jī)的效率以及自我學(xué)習(xí)機(jī)制等問(wèn)題仍有待于進(jìn)一步的研究。 曹建福、曹雯、張家良、衛(wèi)軍胡發(fā)表的《基于非線性特征融合的高速裝備故障診斷方法》論文，針對(duì)高速數(shù)控裝備的復(fù)雜非線性特性，基于改進(jìn)證據(jù)理論和非線性特征提出了一種新的故障診斷方法。分析了高速運(yùn)行狀態(tài)下數(shù)控裝備的故障特性，提取出一組反映系統(tǒng)非線性特性變化的故障特征向量。給出了基于證據(jù)理論的多類(lèi)型故障識(shí)別模型，并利用模式之間的相似度獲取各個(gè)證據(jù)的mass函數(shù)。為解決沖突情況下的多個(gè)證據(jù)合成問(wèn)題，提出一種基于平均信任度的動(dòng)態(tài)參數(shù)沖突證據(jù)合成方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在證據(jù)存在沖突的情況下，該方法識(shí)別率高，適合于具有非線性特性的高速裝備故障診斷。 付振華、丁杰雄、張信、鄧夢(mèng)《多傳感器融合在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的應(yīng)用研究》論文，提出將基于典型樣本的信度函數(shù)分配方法和改進(jìn)的D-S證據(jù)組合規(guī)則相結(jié)合的混合D-S證據(jù)理論算法，并將其應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床的故障診斷中。此方法先依據(jù)對(duì)主軸、刀架、床身的振動(dòng)情況的測(cè)量值，計(jì)算出該3種證據(jù)在各目標(biāo)故障模式下的信度密度值，接著對(duì)其進(jìn)行歸一化處理得到信度函數(shù)分配，最后利用改進(jìn)的D-S證據(jù)合成規(guī)則對(duì)各傳感器證據(jù)進(jìn)行組合，進(jìn)而對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)際故障做出合理的判斷。計(jì)算實(shí)例表明，多傳感器數(shù)據(jù)融合可以大幅度降低系統(tǒng)的不確定性，獲得比單一傳感器更高的分辨力，有效地提高了數(shù)控機(jī)床故障模式的識(shí)別能力，提高了機(jī)床故障診斷精度，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。 |
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