煤矿带式输送机健康诊断方法.pdf
第45卷 第2期 2 0 1 9年2月 工矿自动化 In d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n Vo l . 4 5N o . 2 F e b. 2 0 1 9 文章编号1 6 7 1-25 1 X(2 0 1 9)0 2-00 7 5-04 D O I1 0. 1 3 2 7 2/ j . i s s n. 1 6 7 1-25 1 x. 2 0 1 8 0 8 0 0 1 2 煤矿带式输送机健康诊断方法 祁瑞敏1, 王新2 ( 1. 郑州工业应用技术学院 机电工程学院,河南 郑州 4 5 1 1 5 0; 2. 河南理工大学 物理与电子信息学院,河南 焦作 4 5 4 0 0 0) 摘要 针对基于多传感器信息融合的煤矿带式输送机健康诊断方法运用 D- S证 据理论在处理冲突证据 时失效的问题, 提出了一种基于模糊证据理论的带式输送机健康诊断方法。该方法首先利用多种传感器采 集带式输送机信息, 并根据隶属度函数获取基本概率赋值, 从而提取信息特征; 然后通过对冲突证据进行修 正并应用 D- S证 据理论的合成规则, 实现基于模糊证据理论的信息融合; 最后根据决策规则判断带式输送 机运行状态。通过实例验证了该方法的有效性。 关键词 煤矿带式输送机;健康诊断;模糊证据理论;多传感器信息融合;D- S证 据理论;基本概率赋 值;冲突证据 中图分类号T D 6 3 4. 1 文献标志码A 网络出版地址h t t p / /k n s . c n k i . n e t /k c m s/d e t a i l/3 2. 1 6 2 7. T P. 2 0 1 9 0 1 2 4. 1 4 5 4. 0 0 4. h t m l He a l t h d i a g n o s i s m e t h o d o f c o a l m i n e b e l t c o n v e y o r QI R u i m i n 1, WANG X i n 2 ( 1 . C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y o f I n d u s t r i a l T e c h n o l o g y, Z h e n g z h o u 4 5 1 1 5 0,C h i n a;2. S c h o o l o f P h y s i c s a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,J i a o z u o 4 5 4 0 0 0,C h i n a ) A b s t r a c tI n v i e w o f p r o b l e m o f i n v a l i d a t i o n i n d e a l i n g w i t h c o n f l i c t i n g e v i d e n c e o f D-S e v i d e n c e t h e o r y u s e d i n h e a l t h d i a g n o s i s m e t h o d o f c o a l m i n e b e l t c o n v e y o r b a s e d o n m u l t i-se n s o r i n f o r m a t i o n f u s i o n,a h e a l t h d i a g n o s i s m e t h o d o f c o a l m i n e b e l t c o n v e y o r b a s e d o n f u z z y e v i d e n c e t h e o r y w a s p r o p o s e d . F i r s t l y, i n f o r m a t i o n o f b e l t c o n v e y o r a r e c o l l e c t e d b y u s e o f m u l t i-se n s o r,a n d b a s i c p r o b a b i l i t y a s s i g n m e n t s a r e o b t a i n e d a c c o r d i n g t o m e m b e r s h i p f u n c t i o n,s o a s t o e x t r a c t i n f o r m a t i o n f e a t u r e . T h e n i n f o r m a t i o n f u s i o n b a s e d o n f u z z y e v i d e n c e t h e o r y i s r e a l i z e d b y m o d i f y i n g c o n f l i c t i n g e v i d e n c e a n d a p p l y i n g s y n t h e s i s r u l e o f D-S ev i d e n c e t h e o r y .F i n a l l y,r u n n i n g s t a t e o f b e l t c o n v e y o r i s j u d g e d a c c o r d i n g t o d e c i s i o n r u l e . E f f e c t i v e n e s s o f t h e m e t h o d i s v e r i f i e d b y a n e x a m p l e . K e y w o r d sc o a l m i n e b e l t c o n v e y o r;h e a l t h d i a g n o s i s; f u z z y e v i d e n c e t h e o r y ;m u l t i -se n s o r i n f o r m a t i o n f u s i o n;D-S ev i d e n c e t h e o r y;b a s i c p r o b a b i l i t y a s s i g n m e n t;c o n f l i c t i n g ev i d e n c e 收稿日期2 0 1 8-08-06; 修回日期2 0 1 9-01-18; 责任编辑 盛男。 基金项目 河南省科技攻关项目(1 4 2 1 0 2 2 1 0 0 4 8) 。 作者简介 祁瑞敏(1 9 8 4-) , 女, 河南开封人, 讲师, 硕士, 主要研究方向为智能控制与信息处理技术, E-ma i lq r m 2 0 0 7@1 2 6. c o m。 引用格式 祁瑞敏, 王新.煤矿带式输送机健康诊断方法[J].工矿自动化,2 0 1 9,4 5(2) 7 5-78. Q I R u i m i n,WANG X i n. H e a l t h d i a g n o s i s m e t h o d o f c o a l m i n e b e l t c o n v e y o r[J]. I n d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n,2 0 1 9,4 5(2) 7 5-78. 0 引言 带式输送机具有自动化程度高和运输量大等特 点, 目前已成为应用最广泛、 最重要的煤炭运输设 备[ 1]。带式输送机运行环境恶劣、 距离长, 会出现火 灾、 超温、 打滑、 纵向撕裂、 断带等故障, 对煤矿安全 生产造成很大影响[ 2]。因此, 对煤矿带式输送机进 行健康诊断尤为重要。 目前, 多传感器信息融合技术在带式输送机健 康诊断中得到广泛应用, 通过对来自多个传感器的 信息进行多级别、 多方面的处理, 可使信息在准确 性、 可靠性及完备性等方面比单一传感器有明显提 高, 获得对带式输送机运行状态的最佳评估[ 3]。文 献[ 4-5 ] 利用 D - S证 据理论将多个传感器采集的信 息进行融合, 并根据判断规则对带式输送机运行状 态进行判断, 但未考虑当某个传感器出现异常时提 供的信息与其他传感器提供的信息出现冲突, 导致 D- S证 据理论失效的问题。鉴此, 笔者提出了一种 基于模糊证据理论的带式输送机健康诊断方法, 可 降低冲突证据对诊断结果的影响, 提高带式输送机 健康诊断的准确性。 1 方法原理 煤矿带式输送机健康诊断方法流程如图1所 示。首先利用烟雾传感器、 温度传感器、 速度传感 器、 压力传感器、 霍尔传感器分别采集带式输送机烟 雾浓度、 温度、 转速、 压力及张力信号, 再进行特征提 取, 即根据隶属度函数获取对应的基本概率赋值; 然 后利用基于模糊证据理论的信息融合算法对冲突证 据进行修正后实现信息融合; 最后根据决策规则进 行带式输送机健康诊断。 图1 煤矿带式输送机健康诊断方法流程 Fi g . 1 F l o w o f h e a l t h d i a g n o s i s m e t h o d o f c o a l m i n e b e l t c o n v e y o r 1. 1 特征提取 模糊理论的基本思想是将普通集合中的绝对隶 属关系数字化, 使元素对集合的隶属度从原来只能 取{ 0,1} 中的值扩充到可取[0,1] 区间的任意数, 用 于对传感器所获信息进行不确定描述[ 6]。 假设在论域U中的模糊子集M是以隶属度函 数μM为表征的集合, 即由映射μMU∈[0,1] 确定 论域U的模糊子集M [7-8]。 根据模糊理论, 带式输送机健康状态和非健康 状态这2种不确定状态可由隶属度函数表示[ 9-10]。 带式输送机健康状态的隶属度函数 μ1= 1 x≤d1 d2-x d2-d1 d1<x<d2 0x≥d 烅 烄 烆 2 ( 1) 带式输送机非健康状态的隶属度函数 μ2= 0x≤d1 x-d1 d2-d1 d1<x<d2 1 x≥d 烅 烄 烆 2 ( 2) 式中x为传感器测量值;d1,d2分别为带式输送机 处于健康状态、 非健康状态的临界值。 设带式输送机识别框架为Θ=O1,O {} 2 , O1,O2 为识别目标, 其中O1表示健康状态,O2表示非健康 状态。利用隶属度函数可确定第i(i=1,2, ,n,n 为传感器数量) 个传感器对健康状态的支持度, 用基 本概率赋值mi(O1 ) 表 示 mi(O1)=μ1 ( 3) 第i个传感器对非健康状态的支持度可用基本 概率赋值mi(O2 ) 表 示 mi(O2)=μ2 ( 4) 第i个传感器对目标的不确定性( 既不支持健 康状态, 也不支持非健康状态) 可用基本概率赋值 mi(Θ ) 表 示[ 9] mi(Θ)=1-mi(O1)-mi(O2) ( 5) 1. 2 基于模糊证据理论的信息融合 由n个传感器提供n组基本概率赋值, 即可得 到n个证据E1,E2,,En。基于模糊证据理论的信 息融合具体步骤 ( 1)计算证据间的冲突因子kpq ( 表 示证据之间 的差异性) [10-11] kpq=mp(O1)mq(O2)+mp(O2)mq(O1) p,q=1,2, , n,p≠q ( 6) 则n个证据的冲突矩阵为 C= 0k12 k1n k210 k2n kn1kn2 熿 燀 燄 燅 0 nn ( 7) (2)计算证据间的相似度( 表示证据之间的相 似性) dpq=1-kpq ( 8) 则n个证据的相似矩阵 [12-13]为 S= 1 d12 d1n d211 d2n dn1dn2 熿 燀 燄 燅 1 nn ( 9) (3)计算各证据的信任度系数( 表示某证据被 其他证据支持的程度) s u p(Ei)= ∑ n p,q=1,p≠q dpq ( 10) (4)计算各证据的权重( 即对信任度系数进行 归一化处理) [10] 67 工矿自动化 2 0 1 9年第4 5卷 wi=cr d(Ei)= s u p ( Ei) ∑ n p,q=1,p≠q s u p ( Ei) ( 11) (5)计算各证据的信息熵( 即对证据包含的信 息量或不确定性的度量) Hi=-wil n wi ( 12) (6)比较各证据信息熵, 判断信息熵最小的证 据为冲突证据, 并对冲突证据进行修正 m* q ( Oj)=αimq(Oj) m* q ( Θ)=αimq(Θ)+1-α 烅 烄 烆 i j=1,2 ( 13) 式中 αi为修正系数,αi=H mi n Hma x, Hmi n,Hma x分别为证 据信息熵最小值和最大值;m* q ( Oj),m* q ( Θ) 为修正 后的基本概率赋值。 ( 7 )利用 D -S 证据理论合成规则进行信息 融合[ 14] m O ()j= mpO ()jm * qO()j+mpO()jm * q()Θ 1-k′pq Oj≠φ 0 Oj= 烅 烄 烆φ ( 14) 式中m O ()j 为融合后获取的基本概率赋值( 即多传 感器对带式输送机健康状态或非健康状态的支持 度) ;k ′ pq为修 正 后 证 据 间 的 冲 突 因 子,k′pq= mp(O1)m* q ( O2)+mp(O2)m* q ( O1); φ为空集, 不属 于识别框架。 若k′ pq≠1 , 表 示证据间相互支持, 可运用合成规 则进行信息融合; 若k′ pq=1, 表示证据间出现冲突, 导致合成规则失效, 不能直接运用合成规则进行信 息融合。 1. 3 决策规则 若O1,O2满足式(1 5) 中的条件[ 15], 则O 1为诊 断结果, 否则为不确定状态, 即诊断不出健康状态还 是非健康状态。 m(O1)-m(O2)>ε1 m(Θ)<ε2 m(O1)>m(Θ 烅 烄 烆 ) ( 15) 式中ε 1,ε2为预先设定的门限, 本文取ε1=0. 7 5, ε2=0. 2。 2 实例分析 烟雾传感器、 温度传感器、 速度传感器、 测力传 感器、 霍尔传感器所测信号S1S5组成向量S= ( S1 S2 S3 S4 S5), 隶属度函数参数取值见 表1 。 由 某时刻现场传感器测量值得S=(23 3 9 2. 2 2. 3 2 2. 1 8) , 根据式(1) 式(5) 得出测量值 相应的基本概率赋值, 见表2。 表1 隶属度函数参数取值 Ta b l e 1 V a l u e o f m e m b e r s h i p f u n c t i o n p a r a m e t e r 信号类型d1d2 烟雾浓度/ (m gm-3)2 0 4 0 温度/℃ 3 0 4 0 转速/ (ms-1) 2 3 压力/P a 2. 2 5 3 张力/k N 2 3 表2 基本概率赋值 T a b l e 2 B a s i c p r o b a b i l i t y a s s i g n m e n t 信号mi(O1)mi(O2)mi(Θ) S10. 7 2 2 5 0. 0 2 2 5 0. 2 5 5 0 S20. 0 1 0 0 0. 8 1 0 0 0. 1 8 0 0 S30. 6 4 0 0 0. 0 4 0 0 0. 3 2 0 0 S40. 8 2 2 1 0. 0 0 8 7 0. 1 6 9 2 S50. 6 7 2 4 0. 0 3 2 4 0. 2 9 5 2 从表2可看出, 大多数传感器所提供的信息都 支持健康状态, 除霍尔传感器所提供的信息不确定 性较大外, 只有温度传感器提供的信息支持非健康 状态, 说明该传感器所提供的信息与其他传感器所 提供的信息出现冲突, 可能是由于巷道内环境使温 度传感器信号受到干扰, 但其仍包含有用信息。 通过基于模糊证据理论的信息融合算法可得 m(O1)=0 . 9 7 7 7,m(O2)=0 . 0 1 3 1,m(Θ)=0 . 0 0 9 2, 且满足 m(O1)-m(O2)=0. 9 6 4 6>ε1 m(Θ)=0. 0 0 9 2<ε2 m(O1)>m(Θ 烅 烄 烆 ) , 根据决策 规则, 可判断带式输送机处于健康状态, 该诊断结果 与大多数传感器所提供信息的支持度一致。 3 结语 煤矿带式输送机健康诊断方法首先通过多种传 感器实时采集带式输送机信息, 并对信息进行特征 提取, 即根据隶属度函数获取基本概率赋值; 然后通 过对冲突证据进行修正并应用D-S证据理论的合 成规则实现基于模糊证据理论的信息融合; 最后根 据决策规则进行带式输送机健康诊断。实例分析表 明, 该方法可准确诊断带式输送机状态。 参考文献(R e f e r e n c e s) [1] 黄民, 魏任之.矿用钢绳芯带式输送机实时工况监测 与 故 障 诊 断 技 术 [J].煤 炭 学 报,2 0 0 5,3 0( 2) 2 4 5-25 0. 77 2 0 1 9年第2期 祁瑞敏等 煤矿带式输送机健康诊断方法 HUANG M i n,WE I R e n z h i . 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