基于信息融合技術(shù)的礦井通風(fēng)故障診斷

楊 勇

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金辛達(dá)煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤礦主通風(fēng)機(jī)對煤礦的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。故障診斷是維護(hù)風(fēng)機(jī)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的可靠方法。目前，針對風(fēng)機(jī)的故障診斷方法有幾種，其中一項是對風(fēng)機(jī)軸承的溫度進(jìn)行監(jiān)測，另一項是對振動信號進(jìn)行頻譜分析。傳統(tǒng)的故障特征提取和識別方法都是人工實(shí)現(xiàn)的，存在一定的局限性，診斷水平取決于技術(shù)人員的知識和經(jīng)驗(yàn)。為了解決這一問題，研究者們提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等多種智能故障診斷技術(shù)[1-2]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展、計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用，提出了設(shè)備的故障診斷和預(yù)測檢修技術(shù)。目前故障診斷和預(yù)測技術(shù)主要是傳感器技術(shù)、電子信息技術(shù)的融合，成為一種新興的技術(shù)檢測手段[3-4]。故障檢測為設(shè)備管理人員提供充沛的時間來完成故障的處理，從而提高了設(shè)備的運(yùn)行開機(jī)率與可靠性，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。煤礦通風(fēng)設(shè)備是保證煤礦井下瓦斯、煤塵等易燃、易爆有害因素處于安全范圍內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備，其發(fā)生故障或檢修過程會對井下安全生產(chǎn)造成巨大影響，因此，對通風(fēng)設(shè)備的故障診斷研究成為了一大課題。

上述方法的常見問題是，它們的診斷結(jié)論只是基于一種信號，如振動信號或定子電流信號。但主風(fēng)機(jī)的故障原因復(fù)雜多樣，當(dāng)只使用一個信號時，它是不確定和不可靠的。利用D-S 證據(jù)理論技術(shù)綜合利用多故障特征信息，可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性，降低故障診斷的不確定性。

D-S 證據(jù)理論（D-S evidence theory）又稱證據(jù)理論（theory of evidence），由 Dempster 于 1967 年提出。Shafer 進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。D-S 證據(jù)理論對不確定信息的處理能力很強(qiáng)。因此，它在多目標(biāo)識別和多傳感器數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

本文提出了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)分析的主風(fēng)機(jī)故障診斷方法。采集定子電流信號、軸向振動信號和徑向振動信號。利用小波分析對這些信號進(jìn)行故障特征提取。根據(jù)各信息的故障羽度，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到初步結(jié)論。采用D-S 證據(jù)理論實(shí)現(xiàn)信息融合，得到最終結(jié)論。

1 理論基礎(chǔ)

本節(jié)簡要介紹證據(jù)理論的基本概念。

設(shè)U 是一個有限的非空集，稱為識別框架（簡稱“框架”）。映射: 2U→[0，1]是一個（非歸一化的）置信函數(shù)，當(dāng)且僅當(dāng)存在一個基本信念分配m：2U→[0，1]，使：

這些子集A，使得m（A）＞0 稱為焦點(diǎn)元素。直觀地說，m（A）的值代表了支持A 發(fā)生而不能支持其他更具體事件這一事實(shí)的部分（由于缺乏信息）。

將兩個證據(jù)體m1和m2結(jié)合D-S 證據(jù)理論可得到如下結(jié)果：

其中

式（2）、式（3）是 D-S 證據(jù)理論的核心，可以將幾個單獨(dú)的證據(jù)組合在一起。K 通常被解釋為不同來源之間沖突的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于信息融合技術(shù)的礦井通風(fēng)機(jī)故障診斷

2.1 故障特征提取

在礦井通風(fēng)機(jī)人工智能故障診斷領(lǐng)域中，對典型故障特征的提取具有重要意義。

當(dāng)主風(fēng)扇故障時，各子頻段的能量會發(fā)生變化。每個子集的頻帶能量包含了診斷的全部信息。當(dāng)主風(fēng)機(jī)在不同工況下工作時，需要對某些子頻段的能量進(jìn)行增強(qiáng)或減弱。因此，將原始信號通過小波包變換（WPT）得到的每個子集頻帶的能量作為特征因子。

能量特征因子可以通過以下過程構(gòu)建。

1）對原始信號在j 層進(jìn)行分解，得到2j 個子集。小波包分析的三級樹形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 小波包分析的三層樹形結(jié)構(gòu)

2）計算每個子集的能量 E（j，k）和原始信號 E 的總能量：

式中：N 為分析信號的數(shù)據(jù)長度；Ej，k[i]為第 j 級的 k個子集序列的 WPT 系數(shù)；k 為 0～2j-1的子集個數(shù)，可以用不考慮符號的二進(jìn)制碼表示，其長度為j。

3）構(gòu)造能量特征因子T。第j 層上的k 個子序列的能量歸一化特征因子e（j，k）可以構(gòu)造為：

定義三級樹結(jié)構(gòu)的特征因子 T 為 T=[e30，e31，e32，e33，e34，e35，e36，e37]，提取特征因子 T 作為故障特征值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，從而得到初步結(jié)論。

2.2 位置診斷

在提取出斷層羽狀結(jié)構(gòu)后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)斷層羽狀結(jié)構(gòu)的識別。我們使用了多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)識別一種類型的信號。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為T，輸出為初步診斷結(jié)論。采用D-S 證據(jù)理論作為全局診斷，得到統(tǒng)一的診斷結(jié)果。這個結(jié)論是由一種信號得出的，所以這是局部診斷。

徑向基函數(shù)（radial basis function RBF）網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)動力學(xué)建模、模式識別和預(yù)測等方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用。RBF 網(wǎng)絡(luò)建模的一個基本問題是實(shí)現(xiàn)一個模型結(jié)構(gòu)簡潔、具有良好泛化性能的網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的RBF 網(wǎng)絡(luò)相比，資源分配網(wǎng)絡(luò)（Resource allocation Network，RAN）可以對RBF 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分配，并建立更簡潔的模型結(jié)構(gòu)。RAN 是一個兩層網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，該網(wǎng)絡(luò)由n 個輸入和m 個輸出組成。

圖2 RAN 結(jié)構(gòu)

第一層由只響應(yīng)輸入值空間的局部區(qū)域的單元組成。第二層匯聚了這些單元的輸出，并創(chuàng)建了近似整個空間的輸入輸出映射的函數(shù)。

利用RAN 實(shí)現(xiàn)故障特征識別，輸出是一個錯誤代碼。在視圖通常主要故障類型的風(fēng)扇是轉(zhuǎn)子不平衡，轉(zhuǎn)子不對中，和葉片故障不平衡，輸出代碼的定義是（0 0 1），（0 1 0），（1 0 0）。這個輸出是一個主要的結(jié)論，應(yīng)該融合與其他網(wǎng)絡(luò)的主要結(jié)論。

3 案例分析

實(shí)驗(yàn)采集了轉(zhuǎn)子不平衡、軸向不對中和葉片故障三種典型運(yùn)行狀態(tài)下的定子電流信號、軸向振動信號和徑向振動信號。采樣頻率為5 000 Hz。故障類型定義為{F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3}。通過小波包變換得到60 組特征值，其中40 組用于訓(xùn)練RAN，其余20 組用于測試。各故障類型的特征值如表1 所示。局部診斷后，使用D-S證據(jù)理論作為全局診斷，得到最終結(jié)果。最終的故障診斷結(jié)論如表2 所示。

表1 每種故障類型的特征值

從表2 中可以看出，在各證據(jù)的組合作用下，故障對象的基本概率分配明顯增加。從每個故障診斷網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果來看，每個故障診斷系統(tǒng)的結(jié)果都是不確定性的。融合后的診斷結(jié)果與實(shí)際故障吻合，表明本文提出的多信息結(jié)合D-S 證據(jù)理論的方法能夠提高診斷精度，降低診斷的不確定性。

表2 單證據(jù)和多證據(jù)的基礎(chǔ)概率分配

4 結(jié)語

為了利用多故障特征信息提高故障診斷的準(zhǔn)確性，本文研究了一種基于信息融合的故障診斷方法。引入D-S 理論實(shí)現(xiàn)多信息融合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用多傳感器信號時，故障診斷方法的可靠性更準(zhǔn)確，確定性更合理。結(jié)果表明，該方法能顯著提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。