CN109443770A - 一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统 - Google Patents

一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，该系统包括用于采集机械轴承振动数据的传感器网络感知子系统、用于存储机械轴承振动数据的数据存储子系统和用于分析所述机械轴承振动数据的计算机分析子系统；所述传感器网络感知子系统、计算机分析子系统皆与所述数据存储子系统连接；所述机械轴承振动数据包括待检测轴承在不同工作状态下垂直方向的振动加速度信号；所述系统还包括与计算机分析子系统通信的用户终端，所述计算机分析子系统在所述机械轴承振动数据异常时向用户终端发送提示信息。

Description

一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统
技术领域
本发明涉及轴承振动监测技术领域，具体涉及一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统。
背景技术
轴承作为机械的关键零部件，其工作状态的好坏将直接影响到整台机械的工作状态。轴承故障是导致机械发生故障的主要原因之一，严重时甚至可能导致重大财产损失。因此，有必要对轴承的振动情况进行监测。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，该系统包括用于采集机械轴承振动数据的传感器网络感知子系统、用于存储机械轴承振动数据的数据存储子系统和用于分析所述机械轴承振动数据的计算机分析子系统；所述传感器网络感知子系统、计算机分析子系统皆与所述数据存储子系统连接；所述传感器网络感知子系统包括汇聚节点和多个用于采集所监测位置的机械轴承振动数据的传感器节点，传感器节点部署与设定的监测区域内，以LEACH算法对由汇聚节点和传感器节点构成的无线传感器网络进行分簇，分成的每个簇包括一个簇头；传感器节点采集的机械轴承振动数据发送至所在簇的簇头，簇头将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点；簇头通过调节自身的发送功率来调节自己的发送距离；簇头根据当前剩余能量选择直接或者间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，汇聚节点将机械轴承振动数据传输到数据存储子系统；
所述系统还包括与计算机分析子系统通信的用户终端，所述计算机分析子系统在所述机械轴承振动数据异常时向用户终端发送提示信息。
其中，所述机械轴承振动数据包括待检测轴承在不同工作状态下垂直方向的振动加速度信号。
优选地，所述传感器节点包括传感器和用于将传感器信号转换为对应的机械轴承振动数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
其中，计算机分析子系统对数据存储子系统中的机械轴承振动数据进行分析，包括：对所述机械轴承振动数据进行预处理，所述预处理包括去除数据异常点和数据归一化处理。
进一步地，计算机分析子系统对数据存储子系统中的机械轴承振动数据进行分析，还包括：检测预处理后的机械轴承振动数据是否超出对应的预设阈值范围，并输出检测结果。
本发明的有益效果为：本发明能够智能实时获取机械轴承振动数据，并进行相应的数据分析，便于监测人员及时了解轴承振动信息，并进一步分析轴承状态，对可能发生故障的轴承及时进行检查，减少因轴承故障所造成的损失。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的传感器节点的结构示意框图。
附图标记：
传感器网络感知子系统1、数据存储子系统2、计算机分析子系统3、用户终端4、传感器10、信号适配器20、控制器30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
图1示出了本发明一个示例性实施例的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统的结构示意框图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，该系统包括用于采集机械轴承振动数据的传感器网络感知子系统1、用于存储机械轴承振动数据的数据存储子系统2和用于分析所述机械轴承振动数据的计算机分析子系统3；所述传感器网络感知子系统1、计算机分析子系统3皆与所述数据存储子系统2连接。
其中，所述机械轴承振动数据包括待检测轴承在不同工作状态下垂直方向的振动加速度信号。
在一种能够实施的方式中，所述传感器网络感知子系统1包括汇聚节点和多个用于采集所监测位置的机械轴承振动数据的传感器节点，传感器节点部署与设定的监测区域内，以LEACH算法对由汇聚节点和传感器节点构成的无线传感器网络进行分簇，分成的每个簇包括一个簇头；传感器节点采集的机械轴承振动数据发送至所在簇的簇头，簇头将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点；簇头通过调节自身的发送功率来调节自己的发送距离；簇头根据当前剩余能量选择直接或者间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，汇聚节点将机械轴承振动数据传输到数据存储子系统2。
其中，如图2所示，所述传感器节点包括传感器10和用于将传感器10的信号转换为对应的机械轴承振动数据的信号适配器20，所述信号适配器20与传感器10连接；还包括用于控制采集频率的控制器30，所述控制器30与传感器10连接。
所述系统还包括与计算机分析子系统3通信的用户终端4，所述计算机分析子系统3在所述机械轴承振动数据异常时向用户终端4发送提示信息。所述机械轴承振动数据异常，可以是机械轴承振动数据超出对应预设阈值范围。所述提示信息包括异常的机械轴承振动数据和对应的传感器节点标识信息。用户可以根据预先设置的传感器节点位置设置列表和该传感器节点标识信息获取到对应的机械信息。
或者，所述提示信息包括异常的机械轴承振动数据和对应的机械信息。
其中，计算机分析子系统3对数据存储子系统2中的机械轴承振动数据进行分析，包括：对所述机械轴承振动数据进行预处理，所述预处理包括去除数据异常点和数据归一化处理。
进一步地，计算机分析子系统3对数据存储子系统2中的机械轴承振动数据进行分析，还包括：检测预处理后的机械轴承振动数据是否超出对应的预设阈值范围，并输出检测结果。
本发明上述实施例设置的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，能够智能实时获取机械轴承振动数据，并进行相应的数据分析，便于监测人员及时了解轴承振动信息，并进一步分析轴承状态，对可能发生故障的轴承及时进行检查，减少因轴承故障所造成的损失。
在一个实施例中，簇头根据当前剩余能量选择直接或者间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，包括：
(1)初始时簇头判断自身到汇聚节点的距离是否超过自身的最大发送距离，若不超过，簇头将收集的机械轴承振动数据直接发送至汇聚节点；若超过，簇头选择间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点；
(2)将收集的机械轴承振动数据直接发送至汇聚节点的簇头按照设定的第一周期，周期性地判断自身的当前剩余能量是否满足能量条件，若满足，簇头仍直接将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，若不满足，簇头选择间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，所述能量条件为：
式中，Gi为簇头i的当前剩余能量，Gi0为簇头i的初始能量，Gmin为预设的能量下限，Z(i,O)为簇头i到汇聚节点的距离，Cimax为簇头i的最大通信距离，u为预设的基于能量的衰减因子，u的取值范围为[0.85,0.95]；
其中，所述间接的方式为：簇头在其通信范围内的簇头即邻居簇头中选择一个距离汇聚节点更近的邻居簇头作为下一跳节点，将所收集的机械轴承振动数据发送至下一跳节点。
本实施例中，簇头初始时根据自身到汇聚节点的距离与自身的最大发送距离的比较结果选择合适的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点；进一步地，将收集的机械轴承振动数据直接发送至汇聚节点的簇头按照设定的第一周期，周期性地判断自身的当前剩余能量是否满足能量条件，根据是否满足能量条件的结果确定发送机械轴承振动数据至汇聚节点的路由方式。本实施例有利于避免能量低的簇头承担过大的机械轴承振动数据发送压力，节省能量低的簇头发送机械轴承振动数据的能耗，延长簇头的工作时间，进一步保障机械轴承振动数据传输至汇聚节点的可靠性。
在一个实施例中，簇头在其通信范围内的簇头即邻居簇头中选择一个距离汇聚节点更近的邻居簇头作为下一跳节点，包括：
(1)簇头将相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头作为备选节点；构建备选节点集，并为每个备选节点分配初始优先级：
式中，Wij0为簇头i的备选节点j的初始优先级，Z(i,j)为簇头i到备选节点j的距离，Z(j,O)为所述备选节点j到汇聚节点的距离，Z(i,d)为簇头i到其第d个备选节点的距离，Z(d,O)为所述第d个备选节点到汇聚节点的距离，ni为簇头i的备选节点集中的备选节点数量；Ki为簇头i的邻居簇头数量，Kj为所述备选节点j的邻居簇头数，Ki∩Kj为簇头i与备选节点j所拥有的共同邻居簇头的数量，q1、q2为预设的权重系数，满足q1+q2＝1；
(2)簇头按照设定的第二周期周期性地获取其备选节点集中各备选节点的信息，根据该信息更新各备选节点的优先级，进而在备选节点集中选择当前优先级最大的备选节点作为下一跳节点，其中优先级的更新公式为：
式中，Wij(h)为簇头i的备选节点j在第h次更新的优先级，Wij(h-1)为簇头i的备选节点j在第h-1次更新的优先级，e为预设的衰减系数，e的取值范围为[0.1,0.2]，yj为所述备选节点j的当前缓存空间，Yj为所述备选节点j的初始缓存空间，Gj为所述备选节点j的当前剩余能量，Gj0为所述备选节点j的初始能量，41、42为资源比率的权重因子，满足41+42＝1。
本实施例创新性地设定了优先级的指标，簇头将相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头作为备选节点，构建备选节点集，并为每个备选节点分配初始优先级，并根据备选节点的资源消耗情况进行定期的优先级更新，在需要选择下一跳节点时，簇头在备选节点集中选择当前优先级最大的备选节点作为下一跳节点。
本实施例相应地设计了初始优先级的计算公式以及优先级的更新公式，根据该公式可知，位置较优势的、共有的邻居节点更少以及资源消耗较少的备选节点具有更大的优先级。通过本实施例方式来选择簇头的下一跳节点，实现了下一跳节点的更新，有利于保障机械轴承振动数据的可靠转发，平衡各簇头的能耗和负载，进一步有利于延长无线传感器网络的寿命。
在一个实施例中，簇头每次更新备选节点的优先级后，判断各备选节点是否满足下列中继条件，若不满足，传感器节点将该备选节点从备选节点集中剔除：
式中，Wij(h)为簇头i的备选节点j在第h次更新的优先级，Wij(h-1)为簇头i的备选节点j在第h-1次更新的优先级，Wij0为簇头i的备选节点j的初始优先级，；为预设的衰减阈值系数，；的取值范围为[0.4,0.6]。
本实施例设定了中继条件，簇头簇头每次更新备选节点的优先级后，判断各备选节点是否满足下列中继条件，若不满足，传感器节点将该备选节点从备选节点集中剔除，有利于使得剩余资源较少的备选节点失去充当下一跳节点的资格，进而有利于提高选择下一跳节点的效率，节省选择下一跳节点的能耗，提高机械轴承振动数据传输的效率。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路、数字信号处理器、数字信号处理设备、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于随机存取存储器、只读内存镜像、带电可擦可编程只读存储器或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，其特征是，包括：
用于采集机械轴承振动数据的传感器网络感知子系统；
用于存储机械轴承振动数据的数据存储子系统；
以及用于分析所述机械轴承振动数据的计算机分析子系统；所述传感器网络感知子系统、计算机分析子系统皆与所述数据存储子系统连接；
所述传感器网络感知子系统包括汇聚节点和多个用于采集所监测位置的机械轴承振动数据的传感器节点，传感器节点部署与设定的监测区域内，以LEACH算法对由汇聚节点和传感器节点构成的无线传感器网络进行分簇，分成的每个簇包括一个簇头；传感器节点采集的机械轴承振动数据发送至所在簇的簇头，簇头将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点；簇头通过调节自身的发送功率来调节自己的发送距离；簇头根据当前剩余能量选择直接或者间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，汇聚节点将机械轴承振动数据传输到数据存储子系统；所述机械轴承振动数据包括待检测轴承在不同工作状态下垂直方向的振动加速度信号；
所述系统还包括与计算机分析子系统通信的用户终端，所述计算机分析子系统在所述机械轴承振动数据异常时向用户终端发送提示信息。
2.根据权利要求1所述的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，其特征是，簇头根据当前剩余能量选择直接或者间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，包括：
(1)初始时簇头判断自身到汇聚节点的距离是否超过自身的最大发送距离，若不超过，簇头将收集的机械轴承振动数据直接发送至汇聚节点；若超过，簇头选择间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点；
(2)将收集的机械轴承振动数据直接发送至汇聚节点的簇头按照设定的第一周期，周期性地判断自身的当前剩余能量是否满足能量条件，若满足，簇头仍直接将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，若不满足，簇头选择间接的方式将收集的机械轴承振动数据发送至汇聚节点，所述能量条件为：
式中，Gi为簇头i的当前剩余能量，Gi0为簇头i的初始能量，Gmin为预设的能量下限，Z(i，O)为簇头i到汇聚节点的距离，Cimax为簇头i的最大通信距离，u为预设的基于能量的衰减因子，u的取值范围为[0.85，0.95]；
其中，所述间接的方式为：簇头在其通信范围内的簇头即邻居簇头中选择一个距离汇聚节点更近的邻居簇头作为下一跳节点，将所收集的机械轴承振动数据发送至下一跳节点。
3.根据权利要求2所述的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，其特征是，所述传感器节点包括传感器，还包括用于将传感器信号转换为对应的机械轴承振动数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接。
4.根据权利要求3所述的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，其特征是，所述传感器节点还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
5.根据权利要求2-4任一项所述的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，其特征是，计算机分析子系统对数据存储子系统中的机械轴承振动数据进行分析，包括：对所述机械轴承振动数据进行预处理，所述预处理包括去除数据异常点和数据归一化处理。
6.根据权利要求5所述的一种实时智能的机械轴承振动异常检测系统，其特征是，计算机分析子系统对数据存储子系统中的机械轴承振动数据进行分析，还包括：检测预处理后的机械轴承振动数据是否超出对应的预设阈值范围，并输出检测结果。
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