基于邊緣計(jì)算的化工設(shè)備噪音污染監(jiān)控應(yīng)用

徐東 黃海艇 劉典勇 蘇道靜

摘要：邊緣計(jì)算能夠?qū)崟r(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，還具有很好的擴(kuò)展性能、安全性能、位置感知性能，是符合現(xiàn)代需要和要求的一種計(jì)算方式?；C(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的噪音污染存在很大的安全隱患，為了對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將邊緣計(jì)算引入其中用于對噪音進(jìn)行監(jiān)控，目的在于通過對噪音污染的監(jiān)控更好的發(fā)現(xiàn)化工機(jī)械設(shè)備的是否存在問題。文章通過數(shù)學(xué)建模的方式，基于邊緣計(jì)算對化工機(jī)械設(shè)備噪音污染進(jìn)行監(jiān)控，與普通的噪音污染監(jiān)控對比。通過仿真實(shí)驗(yàn)，得出基于邊緣計(jì)算的噪音污染監(jiān)控有更好的識別噪音作用，而且噪音污染監(jiān)控誤差與普通噪音污染監(jiān)控相比降低了五倍。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算;化工機(jī)械設(shè)備;噪音污染;監(jiān)控

中圖分類號：TQ053;R126.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0063-04

化工機(jī)械設(shè)備在工作時(shí)會畫過聲音來傳遞某些信息，比如，機(jī)械設(shè)備存在安全隱患了，其在工作運(yùn)行時(shí)就會傳出某種特別的聲音，但是由于化工機(jī)械設(shè)備的工作環(huán)境比較特殊，存在比較多的噪音污染，往往都會將化工機(jī)械設(shè)備給我們傳遞的安全隱患的聲音所掩蓋住，從而不能通過聲音的方式及時(shí)的發(fā)現(xiàn)化工機(jī)械設(shè)備的問題，就會造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失。邊緣計(jì)算是一種新的計(jì)算模式，能夠運(yùn)用于很多的場合環(huán)境，從而達(dá)到監(jiān)控的作用。本文為了能夠?qū)⑦@種噪音污染減小甚至消除，將邊緣計(jì)算運(yùn)用于化工機(jī)械設(shè)備噪音污染監(jiān)控中，研究化工機(jī)械設(shè)備噪音污染的監(jiān)控應(yīng)用。

1邊緣計(jì)算的簡介

1.1邊緣計(jì)算的含義

邊緣計(jì)算存在很多種不同的定義方式，相對有權(quán)威的定義是施巍松等人將邊緣計(jì)算定義為邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模式，邊緣計(jì)算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務(wù)，上行數(shù)據(jù)表示萬物互聯(lián)服務(wù)。丁春濤等人通過總結(jié)其他學(xué)者對邊緣計(jì)算的定義，給出了自己的定義方式，即邊緣計(jì)算是一種新型計(jì)算模式，符合現(xiàn)代發(fā)展要求，通過在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，為應(yīng)用提供融合網(wǎng)絡(luò)、存儲和計(jì)算等資源。而且邊緣計(jì)算還有另一種作用，其也是一種使能技術(shù)，通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)提供這些資源，滿足行業(yè)在敏捷聯(lián)接、安全與隱私保護(hù)、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、數(shù)據(jù)優(yōu)化等方面的關(guān)鍵需求，即邊緣計(jì)算在現(xiàn)代行業(yè)中能夠發(fā)揮比較大的作用。

邊緣計(jì)算也有其體系構(gòu)架，它屬于云和終端設(shè)備中間的一部分，即是在云和終端設(shè)備之間將邊緣設(shè)備引入其中，從而發(fā)揮更大的作用。所以邊緣計(jì)算的體系構(gòu)造包含著3個(gè)部分，這3個(gè)部分分別為云層、邊緣層、終端層，該體系構(gòu)造看似簡單，但是中間經(jīng)過了非常過的程序，如圖1所示。

1.2邊緣計(jì)算的優(yōu)勢

邊緣計(jì)算是在終端用戶和云之間所引入的一個(gè)部份，所以它具有的功能和優(yōu)勢都會比較明顯，由于它的優(yōu)勢所在，所以被廣泛應(yīng)用與不同的場景，比如在醫(yī)療保健、海洋監(jiān)測、車輛互聯(lián)、視頻監(jiān)控等場景都會有所應(yīng)用，本文為了提高化工機(jī)械設(shè)備噪音污染監(jiān)控能力，將邊緣計(jì)算應(yīng)用于化工機(jī)械設(shè)備噪音中。

邊緣計(jì)算能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。將計(jì)算任務(wù)放到網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行處理分析，不僅加強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸陸能，還能實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，也分擔(dān)了一部分云計(jì)算的任務(wù)。

邊緣計(jì)算具有較高的安全性能，能夠保護(hù)隱私數(shù)據(jù)。因?yàn)閷?shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)是在設(shè)備上進(jìn)行，而不是在云中心進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)上傳到云中心中進(jìn)行處理就會存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，就算邊緣計(jì)算所用的設(shè)備出現(xiàn)問題，就只是對本地收集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)性而不會影響到大量其他的數(shù)據(jù)。

邊緣計(jì)算能夠具有對位置進(jìn)行感知，還能減少流量，因?yàn)椴挥脤⑹占降臄?shù)據(jù)上傳到云中心，只用在本地就可以進(jìn)行計(jì)算，所以就減少了網(wǎng)絡(luò)的流量。邊緣數(shù)據(jù)還具有可擴(kuò)展性，而且其擴(kuò)展路徑相對的非常便宜，只用邊緣數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備就可以將邊緣計(jì)算的能力擴(kuò)展，還有可以降低擴(kuò)展的成本費(fèi)用。

2基于邊緣計(jì)算的化工機(jī)械設(shè)備噪音污染監(jiān)控模型建立

2.1發(fā)現(xiàn)問題

化工機(jī)械設(shè)備常常發(fā)出非常大的噪音污染，該噪音不僅會影響到工作人員的心理和身體健康，還會對化工機(jī)械設(shè)備造成很大的傷害，最重要的是當(dāng)噪音過大時(shí)，機(jī)械設(shè)備存在某些問題時(shí)，會通過一定的聲音進(jìn)行放映出來，從而相關(guān)的工作人員可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題，但是由于化工機(jī)械設(shè)備的噪音過于強(qiáng)大，將需要聽到的噪音所遮蓋住，從而無法讓工作人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的問題，就會造成更大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。所以需要對化工機(jī)械設(shè)備噪音污染進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為了達(dá)到更好的監(jiān)控效果，于是引入的邊緣計(jì)算。

2.2分析問題

邊緣計(jì)算因其能對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，而且可擴(kuò)展性較強(qiáng)，還能有極好的感知位置作用，被用于化工機(jī)械設(shè)備的聲音智能檢控中可以起到很好的作用。本文是基于邊緣計(jì)算下，通過建立噪音監(jiān)控模型，該模型能夠?qū)υ胍暨M(jìn)行排除，保留有效聲音。

對聲音信號進(jìn)行識別時(shí)，一般情況下有3個(gè)特征可以識別，分別為聲音的短時(shí)能量、MEL頻率倒譜參數(shù)和短時(shí)過零率，當(dāng)然還有其他的特征參數(shù)。短時(shí)能量就是獲取的一幀的聲音其能量的大小，每幀的聲音其能量是有所不同的，所以可以用來對聲音信號進(jìn)行識別;MEL頻率倒譜參數(shù)就是通過入耳所獲取的聲音，這種所傳達(dá)的高音或低音沒有跟聲音頻率成線性關(guān)系;短時(shí)過零率就是一幀的音波穿過橫坐標(biāo)的次數(shù)。

在化工機(jī)械設(shè)備上進(jìn)行安裝聲音傳感器，就可以對噪音污染進(jìn)行收集、監(jiān)控，并且對噪音實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。對其進(jìn)行監(jiān)控的目的在于通過聲音了解化工機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，然而在監(jiān)測過程中化工機(jī)械設(shè)備傳出的噪音太大，干擾了重要的聲音傳達(dá)，所以在對噪音信號進(jìn)行處理時(shí)將其無用的噪音消除掉，不然就會影響化工機(jī)械設(shè)備的判斷結(jié)果，消除掉無用的噪音后就可以提高化工機(jī)械設(shè)備的判斷準(zhǔn)確率。

2.3模型建立

l：濾波器的編號

c（l）：中心頻率

h（l-1）：上限頻率

o（l+1）：下限頻率

通過聲音傳感器監(jiān)測到的聲音第一步就是去除無關(guān)噪音處理，使用的方法就是小波分析法，從而得出反應(yīng)化工機(jī)械設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)的有用噪音。第二部就是對該噪音進(jìn)行加窗處理，即對信號進(jìn)行處理。矩形窗和漢明窗是常用的窗，由于漢明窗可以很好的展現(xiàn)出噪音信號的頻率特征，所以本文通過漢明窗進(jìn)行信號處理。第三步即最后就是對噪音進(jìn)行倒譜分析，為的是能夠求得MEL頻率倒譜參數(shù)。

3仿真實(shí)驗(yàn)

通過仿真試驗(yàn)可以驗(yàn)證基于邊緣計(jì)算的化工機(jī)械設(shè)備噪音污染監(jiān)控的效果。本文選用非線性函數(shù)y=2x₁²+3x₂²作為測試函數(shù)，一共設(shè)置為2000組的數(shù)據(jù)。圖2和圖3分別代表著普通的噪音檢測和基于邊緣計(jì)算的噪音檢測，從圖中可以看出，普通的噪音檢測其效果不好，容易存在較大的誤差，誤差絕對值的和是1.2046，而基于邊緣計(jì)算的噪音檢測其效果明顯變好，通過對噪音的監(jiān)控，更能發(fā)現(xiàn)化工機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生噪音所反映的問題，其誤差絕對值之和為0.2403，比普通的檢測提高了無倍多。所以，基于邊緣計(jì)算的噪音污染監(jiān)控更能發(fā)現(xiàn)化工機(jī)械設(shè)備的問題，從而能夠達(dá)到很好的監(jiān)控效果。

通過仿真實(shí)驗(yàn)可知，基于邊緣計(jì)算的噪音污染監(jiān)控能夠有效的對化工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，所以將其運(yùn)用于實(shí)際的化工機(jī)械設(shè)備噪音檢測中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測?，F(xiàn)將對其在實(shí)際的運(yùn)用中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，看是否能夠達(dá)到滿意的效果。

在化工機(jī)械設(shè)備上進(jìn)行采集原始噪音，每天進(jìn)行采集，一共持續(xù)2個(gè)月，然后得到了260組的聲音，最后對這260組的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，同樣的通過2種方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一種是普通的噪音污染監(jiān)控，另一種是基于邊緣計(jì)算的噪音污染監(jiān)控，對數(shù)據(jù)處理完之后再與實(shí)際的情況做對比。最后的出的結(jié)果如圖4和圖5，圖4代表著普通的噪音監(jiān)控結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的比較，圖5代表著基于邊緣計(jì)算的噪音監(jiān)控結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的比較。通過對圖4和圖5的比較，基于邊緣計(jì)算的噪音污染監(jiān)控誤差比普通的噪音污染監(jiān)控要小得多，而且基于邊緣檢測的對噪音的識別率是70.3，而普通的噪音識別率是61.6，說明基于邊緣計(jì)算的噪音污染監(jiān)控更能反映出化工機(jī)械設(shè)備的噪音，其識別效率更高，對噪音污染的監(jiān)控更能放映出化工機(jī)械設(shè)備是否存在問題。

4結(jié)語

噪音污染對化工機(jī)械設(shè)備的危害比較大，本文將邊緣計(jì)算引入到對噪音污染的監(jiān)控之中，通過數(shù)學(xué)建模的方法基于邊緣計(jì)算的噪音污染監(jiān)控的效果更加明顯，能夠?qū)⒒C(jī)械設(shè)備多余的噪音進(jìn)行凈化，留下所需的噪音，對化工機(jī)械設(shè)備是否出現(xiàn)問題進(jìn)行判斷，用于反映機(jī)械設(shè)備的使用狀況。通過仿真實(shí)驗(yàn)可知，與普通的噪音監(jiān)控相比，基于邊緣計(jì)算的噪音污染控制，其噪音識別效果更加優(yōu)異，而且其監(jiān)控誤差以5倍的數(shù)量遞減，足以說明基于邊緣計(jì)算的噪音污染控制更加有利于化工機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。在將來的研究中，還可以繼續(xù)對噪音污染監(jiān)控進(jìn)行研究，使其效果更加的明顯，本文的效果雖然有一定的改善，但是并沒有達(dá)到一個(gè)最好的效果，所以還需要繼續(xù)對其進(jìn)行研究。