建立基于多传感器信息融合的专家系统的推土机诊断架构

●陈星宁

一、引言

推土机作为工程建设一种不可缺少的工具装置，因为其作业效率高而被广泛使用，是一种方便多用的工程机械。但是在使用过程中，经常会出现多种故障导致使用出现安全隐患，在调研过程中发现，推土机故障的很大部分是由于动力装置的故障引起，因此加强对推土机动力装置的故障诊断研究，可以提早发现故障产生的表象和原因，便于使用者对推土机及时排除故障和安全隐患，充分发挥推土机的最大效能，避免推土机机械费用上的损失和消耗，同时提前对故障进行预判可以减少意外发生，对高质量、快速完成工期以及促进效益的提高有着十分重要的现实意义。目前我国相关公司，对推土机的使用维修仍然采用传统的维修保养模式，如果继续使用这种模式不做改变，推土机在经过长时间使用后，推土机装载的动力系统要暂停进行保养，这样会大大影响作业，造成不必要的经济财产损失；加之推土机在运行过程中出现故障，在非保养期内不能及时发现并得到处理，使推土机机械状态下滑，难以保障稳定的工作输出效率，故障进一步发展还有可能影响装载系统机械结构以及运行的安全。

基于这些方面的原因，对推土机建立相应的完善故障诊断架构，以多传感器信息融合为基本思路，实现对于推土机故障的诊断与预判。

二、推土机系统故障诊断中进行多源信息融合的必要性和有效性

在以往的故障诊断模式中，推土机系统的故障诊断方式仍然离不开传统的经验法、逻辑法和依赖设备仪器等进行检验等。可是经验法的掌握绝非易事，相关工作检测人员群体小，检测不及时、人员到位慢等情况时有发生，使用起来会对实际施工造成很大影响；其余方法也因为对设备的依赖性较强，会导致大量的财力消耗，实际上会给工程带来很大的财务困扰，难以在实际操作中广泛应用。

（一）多源信息融合的必要性

任何机械系统故障的诊断，都是一个系统性复杂性工程，对于故障的诊断需要多方面信息的确认，否则容易因为一方面信息的缺失造成最终诊断的失败。由于传统的故障诊断多为单方面信息源的简单整合，并且在推土机更新换代时，推土机动力装置的结构和信息传递过程也越来越复杂，对于不同的信息源来说，单一的判断标准难以满足准确定位故障的需求，加之相关动力装置的故障又具有隐蔽性、变换性和诱发因素的多元性，这就对故障诊断系统提出了更高的要求。如何快速准确地根据故障特征判断出故障所在，进而对故障进行快速处理解决，避免影响正常使用和发生重大事故，是一个意义十分重大的课题。

在进行故障诊断时，多源信息的融合不仅是判断出故障所在的重要前提，没有多方面信息的相互印证，难以实现故障的有效判断，多元的信息源是对故障进行判断的起点。

（二）多源信息融合的有效性

在基于多传感器的基础上，多源信息融合的专家系统推土机诊断架构具有较高的可靠性，通过不同方面层次的信息源进行相互印证，构建了较为完整的推土机状态监测和故障诊断系统，从科学的层面对故障进行全面系统的解释和分析，具有较高的信服力和可行性，利用独特的多传感器信息融合诊断技术，在故障诊断上具有独特优势。不仅是在理论研究上取得了相关的突破，建立了完备的理论框架结构，同时又以推土机状态监测和故障诊断为平台，进行实际操作与调试，取得了良好的实践反响，在此基础上也为同类型机械的故障诊断提供了具有较强可复制的经验模式和思路，具有较强的示范推广意义和价值。

三、多传感器信息融合专家系统的推土机诊断架构基本思路

（一）多传感器信息融合技术原理

多传感器信息融合的专家系统的诊断架构相关思路，实质上是对人脑综合处理各种信息源的一种功能性模拟。在多传感器系统中，各种传感器所传达的信息具有不同的特征，这些特征在进行故障诊断时会体现出不同的作用和方向，只有对这些信息进行融合和对比分析才能得出最后的故障诊断结果。多传感器信息融合能够有效地对各种信息源进行智能聚合与分析利用，将多个传感器在空间和时间上的不同层次、不同区域的信息进行优化重组以达到信息整合的目的，利用大数据进行分析来得到判断结果的描述。①

（二）相关理论及系统的运用

主要是专家诊断故障系统、粗糙集理论、D- S 证据等理论的应用。

首先建立推土机故障诊断系统的标准模式库，标准模式库中包含正常模式和信号能检测到的故障模式全集等。接下来对高速采样得到的信号提取相关的特征，离散化以后输入到粗糙集的KRS 表中，并找出对故障敏感的特征名称。对标准模式库中的信号进行特征约简和规则提取之后，将处理的结果通过某种方式写入专家规则库。

对于待检模式库中的低速巡检信号通过模糊化处理，得出相关隶属度关系，而对于待检模式库中高速采样得到的信号，对相关特征进行提取之后，通过模式识别得到待检模式与标准模式中的故障模式和正常模式的模糊差异度，最后通过D- S7 证据理论的信度融合，对待检模式进行模式判别，将得到的故障结论写入模式库和专家规则库。

系统信息融合采用的方法是模糊诊断理论、粗糙集和D- S 证据理论，这种融合结构不仅能够有效利用各种信息源，实现信息来源的多元化、智能化，而且原理简单便于操作，适合于几乎所有施工监测人员使用。②但是在实际进行试验和多传感器信息源的收集整理分析时，由于现实状态与理论的差异性的切实存在，使得故障诊断难以达到一个较为理想的状态，本诊断方案理论也仅仅限于理论层面初步的原理性验证，在实践层面仍然需要进一步发展。

四、信息融合理论的引入对于推土机动力系统故障诊断中问题的解决

（一）信息模糊

在原有推土机诊断系统中，信息来源不明确，这就会造成在诊断信息源尚未确定的情况下，或者信息源模糊的情况下贸然对推土机故障进行判断，不仅有可能造成推土机机械的进一步损坏，更可能耽误使用，造成更大范围内的经济损失，影响项目进展和工作效益。

（二）信息冗余

在旧有诊断系统中，信息的来源不明确，诊断人员或者使用仪器设备对于信息的搜集过于集中和多余，造成大量重复或者对于故障诊断判断无用的信息，延缓了对于推土机的故障诊断与维修进程，耽误推土机使用维修，造成了不必要的麻烦。

（三）信息互补

在现有多传感器信息融合的专家系统的推土机诊断架构中，多方面信息相互融合印照，充分调动不同方面的故障诊断依据进行处理与分析，在信息源上实现了良好的信息互补，信息结构更加完整清晰，是对故障进行诊断的良好信息前提。

五、在建立多传感器信息融合专家系统的诊断架构时需要注意的问题

（一）不能改变原有影响因素

在进行安装和测试时，尽可能避免对推土机产生额外的附加影响，不能改变原有流场和温度场，以免影响故障诊断的精确性，同时要求故障检测设备必须具有强大的抗干扰能力，保证系统在整个检测过程中的稳定运行与可靠耐用。

（二）要适应推土机现有运行模式

在推土机逐步改造升级的同时，相关的检测和故障排查设备也要与时俱进，进一步适应推土机内部更加复杂的结构和高速的运转频率，保持运行过程的高精度、高稳定性、高采样率。

（三）体系化特征要明显

在基于多传感器信息融合的专家系统的诊断架构上，必须要有稳定的平台和体系支撑，建立完整可靠的可扩展体系结构，对于软件要采用模块化设计以便在检测其他机型时只需更换部分硬件，适应不同机型的诊断要求。

六、总结

在建立基于多传感器信息融合的专家诊断系统的推土机诊断架构时，要注重多方面信息的融合与整合，以解决信息模糊、冗余等问题并实现信息互补，同时也要注重系统运行的可靠性与稳定性，尽可能减少外界对于故障诊断的干扰，把推土机故障诊断架构的作用最大化。

注释：

①任凤娟. 多传感器信息融合技术在液压系统故障诊断中的应用. 液压气动与密封，2019（07）

②周国宪，伍星，刘韬.基于多传感器的神经网络和D- S 证据理论在故障诊断中的应用.测试技术学报，2017（04）