基于信息融合技术的机电设备绝缘故障检查系统研究*

2022-11-23杨桂婷

南方农机 2022年17期

杨桂婷

（邵阳职业技术学院，湖南邵阳 422000）

1 信息融合技术概述

1.1 定义

通常，对多个传感器所获取的相关数据利用计算机技术，根据相应规则完成自动分类、整合处理等大数据分析任务，以完成所需要的判断与预测等工作，此技术便是信息整合技术。而根据此概念，可以理解为信息融合的硬件设备基本为多个传感器，但信息融合技术关键在于对多源数据的处理，而协调优化和综合处理才是大数据整合的技术基石。所以，数据整合既可以称之为数据整合，也可以叫做多源信息数据整合。从军事方面来看，通过对多源信息和数据进行监测、评估、关联、综合等几级多层面的信息处理，可以导致状态和威胁比估计时的状态和判断更加准确迅速。此外，信息融合技术也可被视为探测将多传感器所获取的多源信号，利用计算机信息技术按照特定规律进行自动分析、综合等工作后，可以自动形成人们期望的综合信息的过程[1]。主要对多类型、多源、多平台传感器获取的数据、照片、视频等多样化信息实施采集、传输、整合、分析、综合、合成等工作，可以非常迅速地完成各种情报数据的处理以及自动图形标绘。

1.2 信息融合技术的优点

第一，实现任务性能平稳。系统的各种感应器可以独立地提取任务情况。某一个感应器受到外界影响而不能检测任务时，不会干扰其他感应器的工作特性。第二，空间分辨率更高。通过几何方法就可以把多种传感器信息整合在同一个传感器孔径，这样就可以达到比其他独立传感器更大的空间分辨率。第三，对目标信息更加精确。目标和事件之间的假设集合可以因为多传感器所获取的目标信号差异大而减少。此外，对多次或几个独立检测的多个目标空间或时间能够实现更有效的信息综合，使目标的可靠性增强，从而提高了检测的性能。第四，得到单个传感器无法获取的目标信息[2]。传感器的频率互补性扩大了空间和时间的覆盖范围，增加了空间维度，降低了电子对隐蔽、欺骗的对抗措施，并检测到气象和地形干扰造成的盲点。利用多传感器系统固有的冗余，将有效解决系统的不可靠性问题并改善其允许误差。

1.3 信息融合技术的实现步骤

信息融合，是在分布式计算机中基于从各信息源获取的信息，形成具备一定智能的意识决定体系。在分析和处理由多种传感器送来的信号时，通过信息融合有序地进行以下工作。

第一，收集信息。根据问题分析领域，在分布式网络数据库中广泛收集提取相关信息元素，实现格式转换。第二，信息识别。识别提取的信息，排除错误，保存真实信息，并确定可靠性。第三，信息处理。有必要对多个信息来源提供数据的相关性进行定量分析，并根据某些标准将其分为不同的集合。每个集合中的数据都与相同的信息源相关联[3]。第四，融合处理。从来源选择信息；根据其他信息来源检查和修改消息的每个元素；检查、分析、补充、综合、协调、修订和评估来自不同信息来源的信息；实时分析和总结信息；通过分析判断综合信息。第五，创建工作数据库。建立数据库，供各领域专家模拟使用；在工作信息存储和信息源之间建立联系。

2 信息融合故障诊断的系统框架

信息融合体系架构，也是指信息融合系统的总体架构、运作形式、功能模式，由于目前关于信息融合技术中机电设备故障信息融合检测框架的研究成果相对较少，通用的体系结构可分成四层：第一层为检测层，第二层为时空层，第三层为属性层，第四层为符号层[4]。此外，还把大数据融入了整个体系分成数据信息融合级、特征融合级、决策融合级三个层次，并根据信息融合期间的I/O特征详细地划分五个融合过程。融合过程中最底层的融合形式主要是数据输入/数据输出，此步骤主要利用预处理等方式分析多资料源的原始数据，如滤波；数据输入/特征输出则主要是识别特征的，获取方法是通过整合多资料源数据，再利用频谱分析、相关分析、轴心轨迹数据分析等方式获取机电设备的故障特性信息；而特征输入/特性输出则是指运用数量和质量数据分析和融合方式处理已经获取的特性信息形式；而特征输入/决策输出主要是借助已熟知的知识和现有经验，对来自不同资料信息源的特征信息形式加以分析识别，从而获取特征融合结果等；而决策输入/决策输出则主要是指对局部的策略结果进行更广泛的融入的过程[5]。但在具体的机电设备故障诊断过程中，需要根据不同情况和施工条件进行合理的融合诊断步骤，有些融合环节可以跳过。

3 基于信息融合技术的机电设备绝缘故障检查系统

3.1 信息融合的电缆绝缘故障检测系统

机电设备的绝缘故障发生的主要部件有电气元件、电缆电线、控制柜等，本文以机电设备电缆电线的绝缘故障检测为例进行分析。第一，主要通过温度传感器、电流传感器等，对机电设备主要电缆上的信息进行收集后，将收集的相关信号传输到ARM微处理器，这时处理器会分析收集的信号，并利用GPRS通信模块将获得的分析结果传输到后台。机电元件的绝缘故障检测信息被后台监测中心读取后，将能够更加清晰地了解目前机电设备电缆的状态。本系统采集电缆绝缘故障信号的电流传感器选用的是脉冲电流传感器，脉冲电流传感器的原理是罗格夫斯基原理，其主要作用是收集当前机电设备的电缆脉冲的放电信号。在工厂机电设备应用中，机电设备电缆放电有时是单气隙的电缆局部放电，有时是多气隙的电缆局部放电。当机电设备电缆等效为单气隙的电缆局部放电时，局部放电过程的电容是Ce当作电容气隙，Ca当作绝缘层的电容；当机电设备电缆等效为多气隙的电缆局部放电时，每个气隙的放电时间不一致，且它们之间放电的间隔时间也不相同，在相同时间内多气隙放电频率低，但是放电电荷和单气隙相比会明显增加[6]。第二，在D-S证据理论的基础上开发信息融合技术的绝缘故障检测系统。根据不同机电设备电缆类型，选择不同的传感器进行相关的数据采集，将多个传感器的不同信息加以综合处理，通过数据融合技术将获得更有意义的数据。检测过程分为三个步骤：1）建设绝缘模型；2）进行信息技术融合；3）获得绝缘故障诊断结果。

3.2 多传感器信息融合在电机绝缘故障诊断中的应用

单个参数和特征是传统电机绝缘故障诊断的基础条件，故障诊断系统主要是对能够观测的数据特征进行提取，之后结合这些数据来判断设备是否存在绝缘故障，而且传感器的准确度以及信号处理的分辨率会直接影响故障诊断的可信度。但是，电机绝缘故障的种类比较多，每种故障都会对应多个参数，这也使得传统根据单个参数进行故障检查方式的精确度大大地降低，进而导致无法对部分故障定位以及定位故障的状态平台进行量化和定性分析。此外，由于产生绝缘故障的因素在时域分析方面往往存在着混杂性、更高的能量变化特性，因此往往出现几个故障对应同一种检查结果的情况，而且结果的严重程度往往具有较大差别，假如没有具体分析就简单地处理，会导致电机绝缘故障的误差值增加，所以说，传统的电机绝缘故障检测方法存在较大的局限性[7-9]。因此，为了能够提高电机绝缘故障诊断的准确性，将信息融合技术融入，并建立完善的信息融合电机绝缘检查系统，针对传统检测系统的不足和不确定因素进行弥补。在实际操作时，可以在传感器的大数据层、特征层、决策层之间进行整合，并且根据不同层次必须全面考虑成本效益与综合效果的均衡情况来选取融合层，并且各个混合层的集成方式也都有所不同。数据层可以使用数量形式算法对模型中的不确定性进行估算，同时也可以对电机绝缘状态进行预测，例如卡尔曼滤波。另外，可以使用模式分类和识别的方法实现特征层的融合，如贝叶斯估计、证据推理等。将信息融合技术应用于电机绝缘故障检测中，可以扩大电机绝缘故障监测范围，使监测对象进一步扩大，可以面向对象进行监测，从而增加监控网络和检测途径，这样就能够使故障诊断处理过程中的激励与反馈关系不断扩大，有利于更好地区分电机绝缘故障原因。使用很多的检测对象，对原有的故障特征进行趋同故障源并给出更有效的依据，最后达成电机绝缘故障的分离和定位。同时通过多个不同的观测器可以得到各个时空的测试结果，这样能够促进故障辨别能力的不断提升，从而保障电机绝缘故障检测的准确性。

4 基于信息融合技术的故障诊断的发展趋势

信息融合技术充分发挥了多传感器的各种信息融合处理功能，完成系统的信息检测、突变系统的信息检测以及告警，所以，它较以往的故障诊断技术拥有较高的准确性和可靠性[10-11]。信息融合技术是一个复杂的多学科综合应用的技术，它将高等数学、模式识别、证据推理、信号处理、计算机科学、粗集理论、人工智能、神经网络等多种学科进行融合叠加，从而形成一个全新的探索领域，该领域随着技术的革新也在不断创新和进步。未来基于信息融合技术的故障诊断的发展趋势主要体现在以下几点。

第一，信息被隐含在状态测量中的情况是故障检测中常见的情况，但是量测不是一个稳定状态，这样会导致信息不全面，从而使故障识别的速度降低、精准度下降。如果采用对状态/数据的综合计算，就能解决以上问题，通过将数据级、特征级和决策级三个功能层级的融合结果，演变为综合诊断系统的相关信息并加以综合处理，就能够达到将不同方法综合集成的目的。

第二，在多传感器数据融合计算理论中，不同型号的传感器数据采集的速度有快慢的区别，不同类型的传感器都有不同的延时响应，那么数据传达就会有相应的延时，这就造成同时异步多传感器状态/参数的融合计算复杂且不精准。如何解决实践中的异步问题是未来探索的重点方向[12]。

第三，通过增加融合系统的容错能力或稳健性，使与融合系统有冲突的信号或由传感器故障而引起的错误信息仍然可以作出适当的处理，并给出正确的反馈。

第四，增强融合系统的实时性。当监测系统的传感器增加，数据采集量剧增，那么传送给信息融合故障诊断系统的数据结果量也大幅增加，势必会造成系统不能及时处理相关信息，那么如何提高实时性就成为亟待解决的问题。

第五，评估信息融合故障诊断系统的性能。高效地对系统进行多方案设计，同时建立最优的模型对系统性能进行全面有效的评估，有效地从多个方案中快速比较出最合理的方案。