明子涵，張展彬

(四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 信息中心，成都 610051)

0 引言

機(jī)電類特種設(shè)備已在多種環(huán)境中被廣泛使用，常見的如商場的扶梯、客運(yùn)索道、壓力容器氣瓶、大型游樂設(shè)施等，均是涉及生命安全且危險(xiǎn)性較大的設(shè)備[1]。機(jī)電類特種設(shè)備的啟動裝置是控制特種設(shè)備正常運(yùn)行，保證設(shè)備運(yùn)行安全的重要裝置，若啟動裝置發(fā)生了故障，則特種設(shè)備無法安全運(yùn)行，致使發(fā)生各種危險(xiǎn)[2]。對機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置的故障進(jìn)行檢測，可以有效提高啟動裝置的穩(wěn)定性，確保特種設(shè)備安全運(yùn)行[3]。當(dāng)前我國特種設(shè)備啟動裝置故障檢測水平較低，急需開發(fā)一種機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)，為故障檢測提供幫助[4]。已有相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者設(shè)計(jì)出一些故障檢測系統(tǒng)，具有一定的有效性。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)采用直流接地的方法，設(shè)計(jì)出機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測精度較高，但檢測效率較低，且CPU使用率較大。為解決上述問題，提出改進(jìn)的機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。先對系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行改進(jìn)，充分分析骨架理論，對故障檢測指標(biāo)進(jìn)行提取，計(jì)算故障檢測頻率，實(shí)現(xiàn)軟件部分的故障檢測功能，完成機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)檢測精度高，檢測效率高，CPU使用率低。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究，先依據(jù)故障檢測系統(tǒng)的功能需求對機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)處理傳送單元是組成硬件最重要的兩個(gè)部分。設(shè)計(jì)故障檢測指示單元有效提高系統(tǒng)的檢測精度。數(shù)據(jù)處理傳送單元的優(yōu)化是提高系統(tǒng)故障檢測速率的有效途徑。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如下：

1.1 故障檢測指示單元

根據(jù)故障檢測系統(tǒng)硬件需求，將故障檢測指示單元?jiǎng)澐譃?個(gè)子模塊，分別是電流采集模塊、電流突變檢測模塊，斷電檢測模塊和報(bào)警模塊。

電流采集模塊是通過架空在線纜上的感應(yīng)線圈進(jìn)行交流電的采集[6]。采集過程中，需要對電流進(jìn)行整流處理，將整流處理后的電流進(jìn)行濾波，而后才能被其他檢測模塊所使用。采用兩個(gè)簡單二極管設(shè)計(jì)故障檢測指示單元整流電流采集電路，電流采集電路如圖1所示。

圖1 電流采集電路設(shè)計(jì)圖

將兩個(gè)二極管和電阻并聯(lián)接在感應(yīng)線圈上，設(shè)定切斷線圈導(dǎo)通狀態(tài)，確保二極管將電磁釋放的所有高壓吸收，并消除開關(guān)電弧，感應(yīng)線圈通過此過程采集到交流電，全橋電路在電流整流后得到兩路相同直流電輸出，作為電流突變檢測模塊和斷電檢測模塊的輸入。

電流突變檢測模塊是針對產(chǎn)生突變電流的情況下對故障進(jìn)行檢測。三相短路或是兩相短路使出現(xiàn)的故障，會產(chǎn)生大量的突變電流。為了在突變電流下實(shí)施故障準(zhǔn)確檢測，需現(xiàn)將突變電流整流，整流后，優(yōu)化處理多級微分電路，獲得尖銳的脈沖信號，使用二極管，當(dāng)產(chǎn)生突變電流時(shí)，選用低電平電壓定位故障檢測點(diǎn)，對檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測。

斷電檢測模塊采用電阻和二極管組成的回路，在架空線路沒有電流通過時(shí)，對故障點(diǎn)進(jìn)行檢測。

報(bào)警模塊主要用于對故障檢測點(diǎn)的故障信息做出報(bào)警提示。采用燈光閃爍的而形式，提示給遠(yuǎn)程巡檢人員故障信息。

1.2 數(shù)據(jù)處理傳送單元

數(shù)據(jù)處理傳送單元主要由無線射頻收發(fā)模塊，雙模通信模塊，電源模塊及核心控制模塊組成。

無線射頻收發(fā)模塊采用RFID技術(shù)，即無線射頻識別技術(shù)，對故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)處理傳送單元之間的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行接收和發(fā)送。

雙模通信模塊采用RDSS射頻收發(fā)芯片構(gòu)建，其中還集成了功放芯片。通過這兩種芯片及其他芯片配合協(xié)調(diào)，可有效實(shí)現(xiàn)RDSS收發(fā)信號，調(diào)制及解調(diào)等功能。該模塊能夠兼容本地串口，進(jìn)行串口參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)對故障檢測點(diǎn)的定位。

電源模塊的供電電壓要求保持在4.2 V，無線射頻收發(fā)模塊要求電源電壓采用直流，且保持2.9～3.6 V之間[7]，因此改進(jìn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理傳輸單元的電源模塊選用LM2575電壓調(diào)整芯片，以滿足電源供電電壓的需求。供電過程中，將可充蓄電池的電壓調(diào)整到4.2 V，在固定輸出電壓，從而設(shè)計(jì)出穩(wěn)定供電電源。

核心控制模塊等同于系統(tǒng)硬件的大腦，可保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和低功耗性。采用PIC16F883組建核心控制模塊。給出核心控制電路如圖2所示。

圖2 核心控制電路圖

綜上所述，分別對故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)處理傳送單元進(jìn)行優(yōu)化，完成機(jī)電類特種設(shè)別啟動裝置故障檢測系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于骨架理論故障檢測指標(biāo)的提取

骨架被稱作中軸線，為物體最大內(nèi)接圓圓心軌跡，將和節(jié)點(diǎn)p之間距離低于k跳的全部節(jié)點(diǎn)稱作節(jié)點(diǎn)p的k跳鄰居。

在物理學(xué)中，散度是空間不同點(diǎn)矢量場發(fā)散強(qiáng)弱程度的體現(xiàn)，為場的有源性。F點(diǎn)的散度可描述成：

?VFdS

(1)

其中:F用于描述矢量場；V用于描述閉合曲面S圍成空間占整個(gè)空間的體積。

骨架是在連續(xù)域的基礎(chǔ)上提出的，故障檢測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)處于離散狀態(tài)[8]，因此為了得到離散域的骨架，需再次對散度進(jìn)行定義，依據(jù)連續(xù)域的散度，給出離散域的散度概念。

定義1:針對某點(diǎn)p，其散度是：

(2)

其中:F(p)用于描述節(jié)點(diǎn)p轉(zhuǎn)發(fā)故障數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)；R(p)用于描述節(jié)點(diǎn)p接收故障數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)；Nr(p)用于描述節(jié)點(diǎn)p的r跳鄰居；λ(Nr(p))用于描述Nr(p)個(gè)數(shù)。

節(jié)點(diǎn)p的散度為節(jié)點(diǎn)p的r跳鄰居轉(zhuǎn)發(fā)的故障數(shù)據(jù)包總和與接收故障數(shù)據(jù)包總和之差的均值。

定義2:散度是負(fù)的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)被稱作骨架節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)隨機(jī)性會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)分布不均勻，為了達(dá)到更高的魯棒性，在divp<δ的情況下，可按照實(shí)際狀態(tài)完成修正[5]。

定義3:針對骨架節(jié)點(diǎn)p的k鄰居節(jié)點(diǎn)中某兩個(gè)骨架節(jié)點(diǎn)p1和p2，p1至p2在k鄰居的跳數(shù)距離和p1至p2沿骨架傳輸?shù)奶鴶?shù)距離之比被稱作骨架節(jié)點(diǎn)p的骨架曲率[9]，也就是：

C(p)=lk_net/lk_sk

(3)

其中:lk_net用于描述p1至p2在k鄰居的跳數(shù)距離；lk_sk用于描述p1至p2沿骨架傳輸?shù)奶鴶?shù)距離。

機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置中，依據(jù)節(jié)點(diǎn)與骨架點(diǎn)之間的距離對J2EE層進(jìn)行劃分，將與某骨架點(diǎn)距離最短的全部點(diǎn)劃分成一層[5]。

定義4:節(jié)點(diǎn)p與骨架線之間的跳數(shù)距離與節(jié)點(diǎn)p與邊界之間的跳數(shù)距離之比被稱作故障檢測指標(biāo)，對故障檢測指標(biāo)的提起用如下表達(dá)式：

I(p)=lps/lpb

(4)

其中:lps用于描述節(jié)點(diǎn)p與骨架線之間的跳數(shù)距離；lpb用于描述骨架節(jié)點(diǎn)p與距離最短邊界的跳數(shù)距離。

利用上述公式，基于骨架理論，準(zhǔn)確提取出機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置的故障檢測指標(biāo)。

2.2 故障檢測頻率的計(jì)算

特種設(shè)備啟動裝置故障檢測頻率為故障檢測的重要條件，用戶在一定程度上會依據(jù)故障檢測頻率，將一段時(shí)間內(nèi)檢測次數(shù)較少的故障從一級檢測轉(zhuǎn)移至二級檢測[9]。然而由于每天的故障檢測次數(shù)都在不斷變化，因此，每天的檢測頻率均不相同。若依據(jù)最近一段時(shí)間的故障檢測頻率對檢測方式進(jìn)行判斷，則系統(tǒng)記錄故障數(shù)量規(guī)模將很大，增加檢測開銷。所以本節(jié)僅允許用戶選擇三種頻率：最近一個(gè)月、一個(gè)季度及一年的故障檢測頻率。

所以在對特征設(shè)備管理故障進(jìn)行檢測的過程中，需對故障檢測頻率進(jìn)行特別分析。

用A-n描述此刻起之前第n天任意特征啟動設(shè)備故障的檢測次數(shù)。Ao用于描述當(dāng)天故障檢測次數(shù)，則在沒有添加當(dāng)天統(tǒng)計(jì)故障的情況下，n天中故障總檢測次數(shù)S可描述成：

(5)

添加當(dāng)天統(tǒng)計(jì)故障后，n天內(nèi)故障檢測次數(shù)S′可描述成：

(6)

分析上式可知，為了對一年內(nèi)故障檢測次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需對這段時(shí)間內(nèi)每天的故障檢測次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算開銷大。選用一個(gè)近似公式求解頻率值。假設(shè)針對某特種設(shè)備管理故障，往前第n天訪問量為過去n天的均值，則有：

(7)

(8)

則針對所有特種設(shè)備管理故障，僅需統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)檢測次數(shù)之和，以及當(dāng)天故障檢測量即可獲取相應(yīng)故障的檢測頻率值，大大降低了計(jì)算開銷。

2.3 故障檢測的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置不同壽命周期階段的消耗統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行故障檢測，結(jié)合庫存安全量，獲取跟隨實(shí)際需求曲線的設(shè)備啟動裝置故障檢測結(jié)果。

假設(shè)某特種設(shè)備啟動裝置在某個(gè)月的故障信號用C1進(jìn)行描述，實(shí)際故障用C2進(jìn)行描述，當(dāng)月預(yù)期故障用C3進(jìn)行描述。該設(shè)備目前市場價(jià)格用T進(jìn)行描述，大規(guī)模故障用P1進(jìn)行描述，單位故障檢測耗能用P2進(jìn)行描述，單位故障檢測效率用P3進(jìn)行描述，占用啟動裝置能耗用I進(jìn)行描述，則故障檢測模型建立過程可描述如下：

1)故障檢測數(shù)據(jù)庫存當(dāng)月實(shí)際已經(jīng)檢測的故障數(shù)據(jù)量F1=C2-C3；

2)在|F1-C1|≤T的情況下，設(shè)備啟動裝置實(shí)際故障既定區(qū)間進(jìn)行檢測。

3)在|C1-F1|>T的情況下，設(shè)備啟動裝置實(shí)際故障檢測結(jié)果低于故障檢測系統(tǒng)檢測設(shè)定值，系統(tǒng)將出現(xiàn)預(yù)警，依據(jù)故障檢測模型檢測表達(dá)式為F2=(C1+T-F1)/T；

4)在F1-C1>T的情況下，設(shè)備實(shí)際故障數(shù)據(jù)量高于系統(tǒng)設(shè)定故障數(shù)據(jù)量，需進(jìn)行進(jìn)一步判斷確定庫存決策；

5)超儲配件的額外庫存所需花銷為F3=(F1-C1-T)°P3°I,轉(zhuǎn)讓配件折舊花銷可描述成F4=(P1-P2)°T；在F3>F4的情況下，系統(tǒng)會提交庫存故障檢測結(jié)果對比請求；否則，系統(tǒng)將保持現(xiàn)狀。

通過故障檢測模型，檢測特種設(shè)備啟動裝置的故障。

根據(jù)以上步驟，先對硬件部分進(jìn)行改進(jìn)，依據(jù)骨架理論，對故障檢測指標(biāo)進(jìn)行提取，計(jì)算故障檢測頻率，通過故障檢測的實(shí)現(xiàn)，完成軟件部分的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的性能，需對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的測試。實(shí)驗(yàn)通過matlab組建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分別對CPU使用率、故障檢測精度、故障檢測效率三個(gè)方面進(jìn)行測試。具體描述如下：

3.1 系統(tǒng)CPU使用率測試

在設(shè)計(jì)的機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)中，將故障檢測數(shù)據(jù)量從1K升高至128M，分別采用傳統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行CPU使用率測試，測得兩種系統(tǒng)的CPU使用率結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種不同系統(tǒng)CPU使用率對比結(jié)果

觀察圖3可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對啟動裝置進(jìn)行故障檢測，其CPU使用率隨著故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模的增大而增大，且增大幅度越來越大。當(dāng)故障數(shù)據(jù)為128M時(shí)，CPU使用率達(dá)到了85%，會導(dǎo)致CPU出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，致使故障檢測速率慢。采用改進(jìn)系統(tǒng)對啟動裝置進(jìn)行故障檢測，其CPU使用率隨故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模增大的幅度較小，當(dāng)故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模為128M時(shí)，CPU使用率只有22%。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的CPU使用率，改進(jìn)系統(tǒng)的CPU使用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改進(jìn)系統(tǒng)的CPU使用率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，改進(jìn)系統(tǒng)的CPU使用率更低，系統(tǒng)運(yùn)行效果更好，驗(yàn)證了改進(jìn)系統(tǒng)的可行性。

3.2 系統(tǒng)故障檢測精度測試

故障檢測精度是所設(shè)計(jì)的機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)性能檢測的最重要指標(biāo)。檢測精度的高低直接影響故障檢測系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。分別對改進(jìn)系統(tǒng)、哈希系統(tǒng)和SISR系統(tǒng)的故障檢測精度進(jìn)行測試，測得三種不同系統(tǒng)的故障檢測精度對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種不同系統(tǒng)故障檢測精度對比結(jié)果

分析圖4得知，采用哈希系統(tǒng)對啟動裝置進(jìn)行故障檢測，其故障檢測精度曲線波動較大，平均檢測精度值約為40%，當(dāng)故障檢測數(shù)據(jù)為250M時(shí)，出現(xiàn)最大檢測精度為55%。采用SISR系統(tǒng)對啟動裝置進(jìn)行故障檢測，其故障檢測精度曲線波動相較于哈希系統(tǒng)更大，平均檢測精度值約為35%，當(dāng)故障檢測數(shù)據(jù)為150M時(shí)，出現(xiàn)最大檢測精度為58%。采用改進(jìn)系統(tǒng)對啟動裝置進(jìn)行故障檢測，其故障檢測精度曲線波動較小，基本保持在90%左右，且隨著故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模的增大呈上升趨勢。對比哈希系統(tǒng)、SISR系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)系統(tǒng)的平均故障檢測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于哈希系統(tǒng)和SISR系統(tǒng)的平均故障檢測精度。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)系統(tǒng)的故障檢測精度更高，說明了改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)用性。

3.3 系統(tǒng)故障檢測效率測試

本節(jié)在EVEN模式、ODD模式、FOLD模式下，通過平均每秒事務(wù)數(shù)、平均事務(wù)響應(yīng)時(shí)間、CPU使用率和內(nèi)存使用率對系統(tǒng)自身硬件性能進(jìn)行評價(jià)。三種系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果用表1進(jìn)行描述。

故障檢測效率是驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)有效性的重要指標(biāo)。故障信號的響應(yīng)時(shí)間能夠充分反映出故障檢測效率，分別在EVEN模式、ODD模式、FOLD模式下，對改進(jìn)系統(tǒng)、哈希系統(tǒng)和SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測試，得到3種不同系統(tǒng)在3種模式下的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間對比結(jié)果如表1所示。

表1 3種系統(tǒng)3種模式下平均故障信號響應(yīng)時(shí)間對比

由圖5可知，在EVEN模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為69.21ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為71.25ms，改進(jìn)系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為56.22ms。在ODD模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為72.39ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為76.22ms，改進(jìn)系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為47.21ms。在FOLD模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為67.12ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為82.71ms，改進(jìn)系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間為51.38ms。對比三種模式下，三種系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間，哈希系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間比SISR系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間短，而改進(jìn)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這兩種系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，改進(jìn)系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時(shí)間更

短，故障檢測實(shí)時(shí)性更好，故障檢測效率更高，驗(yàn)證了改進(jìn)系統(tǒng)的有效性。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)具有檢測精度高、CPU使用率低、檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性和可行性。

4 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)檢測精度低、效率低、內(nèi)存占用率高等問題，提出設(shè)計(jì)一種機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)。改進(jìn)硬件部分的故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)傳輸處理單元；以骨架理論為依據(jù)，對故障檢測指標(biāo)進(jìn)行提取，計(jì)算故障檢測頻率，實(shí)現(xiàn)軟件部分的故障檢測功能，完成機(jī)電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)檢測精度高，CPU使用率低，且效率高。但在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，仍需深入研究，改進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性，以滿足故障檢測系統(tǒng)的需求。

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