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改善系統(tǒng)性能是比較困難的，而且單一傳感器的誤報和失效也往往導(dǎo)致系統(tǒng)的失敗。因此，需要一種手段來利用多個不必非常精確的傳感器信息，得出對環(huán)境或?qū)ο筇卣鞯娜妗⒄_認(rèn)識，以提高整個系統(tǒng)的魯棒性。信息融合便是在這一情況下應(yīng)運而生的。它實際上是一種多源信息的綜合技術(shù)，通過對來自不同傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和智能化合成，獲得被測對象及其性質(zhì)的最佳一致估計，從而產(chǎn)生比單一信息源更精確、更完全的估計和決策。 1．信息融合技術(shù)的起源與優(yōu)點 (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：對于一個系統(tǒng)，將多個單維信息集合成多維信息，其信息量必然會比任何一個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)的性能不會降低。1973年，美國研究機(jī)構(gòu)在國防部的資助下開始了聲納信號理解系統(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，這個問題一提出，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)域中的一個重要專題。美國國防部從軍事應(yīng)用的角度將信息融合定義為這樣一個過程，即把來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(Position Estimation)和身份估計(Identity Estimation)，以及對戰(zhàn)場情況和威脅及其重要程度進(jìn)行適時的完整評價。根據(jù)國外近些年來的研究成果，信息融合比較確切的定義可概括為：利用計算機(jī)技術(shù)對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息在一定準(zhǔn)則下加以自動分析、綜合以完成所需的決策和估計任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過程。20世紀(jì)80年代以來，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)點信息融合技術(shù)是協(xié)同利用多源信息，以獲得對同一事物或目標(biāo)的更客觀、更本質(zhì)認(rèn)識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、及時和有效的綜合信息。它比直接從各信息源得到的信息更簡潔、更少冗余、更有用途。從目前來看，無論是軍用系統(tǒng)，還是民用系統(tǒng)，都趨向于采用信息融合來進(jìn)行信息綜合處理。因為信息融合具有如下優(yōu)點：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)對目標(biāo)的檢測／識別；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 國外對信息融合技術(shù)的研究起步較早。早在1973年，美國的有關(guān)機(jī)構(gòu)就在國防部的資助下，開展了聲納信號理解系統(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)其速度和實時性。美國三軍政府組織——實驗室理事聯(lián)席會下面的C3I技術(shù)委員會及時發(fā)現(xiàn)了解決這一問題的關(guān)鍵，并于1984年成立了數(shù)據(jù)融合專家組(Data Fusion SubanM，DFS)，專門指導(dǎo)、組織并協(xié)調(diào)有關(guān)這一國防關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)性研究。但在當(dāng)時，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，美國國防部將多傳感器信息融合技術(shù)列為20世紀(jì)90年代重點研究開發(fā)的20項關(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。國際上還專門出版有關(guān)期刊并召開專題年會，來統(tǒng)一信息融合的定義，提高人們對信息融合廣闊應(yīng)用前景的認(rèn)識。1988年，成立了國際信息融合學(xué)會(International Society of Information Fusion，ISIF)，總部設(shè)在美國，每年舉行一次信息融合國際學(xué)術(shù)大會。此時，多傳感器信息融合技術(shù)開始由零星的分散研究轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€獨立的研究領(lǐng)域。 中國對信息融合技術(shù)的研究起步相對較晚，20世紀(jì)80年代初，人們開始從事多目標(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)研究的報告。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，國內(nèi)對信息融合這一領(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)用于工程實際的報道。一些院所對多傳感器識別、定位等同類信息融合的系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開發(fā)，但都還處于初級階段。預(yù)計21世紀(jì)初將會有一批多傳感器信息融合系統(tǒng)投入使用。 對于信息融合技術(shù)更為詳細(xì)的論述，請讀者參閱相關(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)計和實現(xiàn)了對數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決了以往對數(shù)控平面磨床管理相對松散、管理人員投入較大等問題。同時從多傳感器信息融合出發(fā)，提出了在目標(biāo)識別中多傳感器信息的融合，同時運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，從而能夠及時對故障進(jìn)行維修。 張愛瑜、趙曉光、張磊發(fā)表的《融合多傳感器信息的數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)開發(fā)》論文，針對不同類型數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、控制方式不同，故障類型各有特點的現(xiàn)狀，建立了一種通用的數(shù)控機(jī)床故障監(jiān)測和診斷專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許用戶采用人機(jī)交互的方式建立故障樹，將故障樹知識表示成產(chǎn)生式規(guī)則形式的專家知識，在這種知識表示方式的基礎(chǔ)上，融合了多種傳感器信息，實現(xiàn)了正反向混合推理的推理機(jī)制。經(jīng)過在機(jī)床上實驗，專家系統(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，實現(xiàn)了預(yù)期效果，然而系統(tǒng)也存在著一些問題，推理機(jī)的效率以及自我學(xué)習(xí)機(jī)制等問題仍有待于進(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)理論的多類型故障識別模型，并利用模式之間的相似度獲取各個證據(jù)的mass函數(shù)。為解決沖突情況下的多個證據(jù)合成問題，提出一種基于平均信任度的動態(tài)參數(shù)沖突證據(jù)合成方法。仿真實驗結(jié)果表明，在證據(jù)存在沖突的情況下，該方法識別率高，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《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)對主軸、刀架、床身的振動情況的測量值，計算出該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)則對各傳感器證據(jù)進(jìn)行組合，進(jìn)而對數(shù)控機(jī)床實際故障做出合理的判斷。計算實例表明，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)用價值。 |
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