建立基于多傳感器信息融合的專家系統的推土機診斷架構

●陳星寧

一、引言

推土機作為工程建設一種不可缺少的工具裝置，因為其作業效率高而被廣泛使用，是一種方便多用的工程機械。但是在使用過程中，經常會出現多種故障導致使用出現安全隱患，在調研過程中發現，推土機故障的很大部分是由于動力裝置的故障引起，因此加強對推土機動力裝置的故障診斷研究，可以提早發現故障產生的表象和原因，便于使用者對推土機及時排除故障和安全隱患，充分發揮推土機的最大效能，避免推土機機械費用上的損失和消耗，同時提前對故障進行預判可以減少意外發生，對高質量、快速完成工期以及促進效益的提高有著十分重要的現實意義。目前我國相關公司，對推土機的使用維修仍然采用傳統的維修保養模式，如果繼續使用這種模式不做改變，推土機在經過長時間使用后，推土機裝載的動力系統要暫停進行保養，這樣會大大影響作業，造成不必要的經濟財產損失；加之推土機在運行過程中出現故障，在非保養期內不能及時發現并得到處理，使推土機機械狀態下滑，難以保障穩定的工作輸出效率，故障進一步發展還有可能影響裝載系統機械結構以及運行的安全。

基于這些方面的原因，對推土機建立相應的完善故障診斷架構，以多傳感器信息融合為基本思路，實現對于推土機故障的診斷與預判。

二、推土機系統故障診斷中進行多源信息融合的必要性和有效性

在以往的故障診斷模式中，推土機系統的故障診斷方式仍然離不開傳統的經驗法、邏輯法和依賴設備儀器等進行檢驗等。可是經驗法的掌握絕非易事，相關工作檢測人員群體小，檢測不及時、人員到位慢等情況時有發生，使用起來會對實際施工造成很大影響；其余方法也因為對設備的依賴性較強，會導致大量的財力消耗，實際上會給工程帶來很大的財務困擾，難以在實際操作中廣泛應用。

（一）多源信息融合的必要性

任何機械系統故障的診斷，都是一個系統性復雜性工程，對于故障的診斷需要多方面信息的確認，否則容易因為一方面信息的缺失造成最終診斷的失敗。由于傳統的故障診斷多為單方面信息源的簡單整合，并且在推土機更新換代時，推土機動力裝置的結構和信息傳遞過程也越來越復雜，對于不同的信息源來說，單一的判斷標準難以滿足準確定位故障的需求，加之相關動力裝置的故障又具有隱蔽性、變換性和誘發因素的多元性，這就對故障診斷系統提出了更高的要求。如何快速準確地根據故障特征判斷出故障所在，進而對故障進行快速處理解決，避免影響正常使用和發生重大事故，是一個意義十分重大的課題。

在進行故障診斷時，多源信息的融合不僅是判斷出故障所在的重要前提，沒有多方面信息的相互印證，難以實現故障的有效判斷，多元的信息源是對故障進行判斷的起點。

（二）多源信息融合的有效性

在基于多傳感器的基礎上，多源信息融合的專家系統推土機診斷架構具有較高的可靠性，通過不同方面層次的信息源進行相互印證，構建了較為完整的推土機狀態監測和故障診斷系統，從科學的層面對故障進行全面系統的解釋和分析，具有較高的信服力和可行性，利用獨特的多傳感器信息融合診斷技術，在故障診斷上具有獨特優勢。不僅是在理論研究上取得了相關的突破，建立了完備的理論框架結構，同時又以推土機狀態監測和故障診斷為平臺，進行實際操作與調試，取得了良好的實踐反響，在此基礎上也為同類型機械的故障診斷提供了具有較強可復制的經驗模式和思路，具有較強的示范推廣意義和價值。

三、多傳感器信息融合專家系統的推土機診斷架構基本思路

（一）多傳感器信息融合技術原理

多傳感器信息融合的專家系統的診斷架構相關思路，實質上是對人腦綜合處理各種信息源的一種功能性模擬。在多傳感器系統中，各種傳感器所傳達的信息具有不同的特征，這些特征在進行故障診斷時會體現出不同的作用和方向，只有對這些信息進行融合和對比分析才能得出最后的故障診斷結果。多傳感器信息融合能夠有效地對各種信息源進行智能聚合與分析利用，將多個傳感器在空間和時間上的不同層次、不同區域的信息進行優化重組以達到信息整合的目的，利用大數據進行分析來得到判斷結果的描述。①

（二）相關理論及系統的運用

主要是專家診斷故障系統、粗糙集理論、D- S 證據等理論的應用。

首先建立推土機故障診斷系統的標準模式庫，標準模式庫中包含正常模式和信號能檢測到的故障模式全集等。接下來對高速采樣得到的信號提取相關的特征，離散化以后輸入到粗糙集的KRS 表中，并找出對故障敏感的特征名稱。對標準模式庫中的信號進行特征約簡和規則提取之后，將處理的結果通過某種方式寫入專家規則庫。

對于待檢模式庫中的低速巡檢信號通過模糊化處理，得出相關隸屬度關系，而對于待檢模式庫中高速采樣得到的信號，對相關特征進行提取之后，通過模式識別得到待檢模式與標準模式中的故障模式和正常模式的模糊差異度，最后通過D- S7 證據理論的信度融合，對待檢模式進行模式判別，將得到的故障結論寫入模式庫和專家規則庫。

系統信息融合采用的方法是模糊診斷理論、粗糙集和D- S 證據理論，這種融合結構不僅能夠有效利用各種信息源，實現信息來源的多元化、智能化，而且原理簡單便于操作，適合于幾乎所有施工監測人員使用。②但是在實際進行試驗和多傳感器信息源的收集整理分析時，由于現實狀態與理論的差異性的切實存在，使得故障診斷難以達到一個較為理想的狀態，本診斷方案理論也僅僅限于理論層面初步的原理性驗證，在實踐層面仍然需要進一步發展。

四、信息融合理論的引入對于推土機動力系統故障診斷中問題的解決

（一）信息模糊

在原有推土機診斷系統中，信息來源不明確，這就會造成在診斷信息源尚未確定的情況下，或者信息源模糊的情況下貿然對推土機故障進行判斷，不僅有可能造成推土機機械的進一步損壞，更可能耽誤使用，造成更大范圍內的經濟損失，影響項目進展和工作效益。

（二）信息冗余

在舊有診斷系統中，信息的來源不明確，診斷人員或者使用儀器設備對于信息的搜集過于集中和多余，造成大量重復或者對于故障診斷判斷無用的信息，延緩了對于推土機的故障診斷與維修進程，耽誤推土機使用維修，造成了不必要的麻煩。

（三）信息互補

在現有多傳感器信息融合的專家系統的推土機診斷架構中，多方面信息相互融合印照，充分調動不同方面的故障診斷依據進行處理與分析，在信息源上實現了良好的信息互補，信息結構更加完整清晰，是對故障進行診斷的良好信息前提。

五、在建立多傳感器信息融合專家系統的診斷架構時需要注意的問題

（一）不能改變原有影響因素

在進行安裝和測試時，盡可能避免對推土機產生額外的附加影響，不能改變原有流場和溫度場，以免影響故障診斷的精確性，同時要求故障檢測設備必須具有強大的抗干擾能力，保證系統在整個檢測過程中的穩定運行與可靠耐用。

（二）要適應推土機現有運行模式

在推土機逐步改造升級的同時，相關的檢測和故障排查設備也要與時俱進，進一步適應推土機內部更加復雜的結構和高速的運轉頻率，保持運行過程的高精度、高穩定性、高采樣率。

（三）體系化特征要明顯

在基于多傳感器信息融合的專家系統的診斷架構上，必須要有穩定的平臺和體系支撐，建立完整可靠的可擴展體系結構，對于軟件要采用模塊化設計以便在檢測其他機型時只需更換部分硬件，適應不同機型的診斷要求。

六、總結

在建立基于多傳感器信息融合的專家診斷系統的推土機診斷架構時，要注重多方面信息的融合與整合，以解決信息模糊、冗余等問題并實現信息互補，同時也要注重系統運行的可靠性與穩定性，盡可能減少外界對于故障診斷的干擾，把推土機故障診斷架構的作用最大化。

注釋：

①任鳳娟. 多傳感器信息融合技術在液壓系統故障診斷中的應用. 液壓氣動與密封，2019（07）

②周國憲，伍星，劉韜.基于多傳感器的神經網絡和D- S 證據理論在故障診斷中的應用.測試技術學報，2017（04）