CN1192319C - 数据变换方法与数据变换装置 - Google Patents

Abstract

由峰值检测部分(121)根据强度计算部分(113)输出的子波强度信号，检测各单位时间的频率分布中的最大值(峰值)。具体地说，注意从信号变换部分(110)输出的变换结果即子波强度信号在特定时间间隔的频率分布，同时检测单位时间间隔(预定时间间隔)的频率强度分布峰值。这样就能精确地和定量地掌握通过对时间序列进行子波变换而求得的，在此时间序列信号中所含各种频率特征随时间的变化。

Description

数据变换方法与数据变换装置

技术领域

本发明涉及用来从分析等求得的时间序列信号中提取特征部分的数据变换方法与数据变换装置以及程序存储媒体。

背景技术

相对于振动和声音或是程序数据等的时间序列信号，当应用例如复数形式的子波函数进行子波变换时，可以求得时间-频率区域的信息。若相对于此时间-频率区域的信息计算强度(绝对值)，即可分析此时间序列信号中所含的种种频率持征的时间变化。

为此，存在有按标度单位对子波变换结果的时间-频率函数信息进行微分处理，提取出极值作为特征量用于分析和诊断的技术(参考文献1：特开平7-271763号公报)。

还存在有从作为目标信号的子波变换结果的时间-频率信息按标度单位提取表示信号周期性的特征量，用于分析和诊断的技术(参考文献2：特开平8-83265号公报)。

还存在有从作为目标信号的子波变换结果，按标度单位计算平均值和方差的统计量，把它们作为特征量提取出用于诊断的技术(参考文献3：特开平8-219955号公报)。

还存在有将作为目标信号的子波变换结果与预定的阈值按标度单位进行比较，把超过阈值的值作为特征量提取出用于诊断的技术(参考文献4：特开平8-177530号公报)。

此外还有，在作为目标信号的子波变换结果中，按标度单位计算方差，把求得的方差分布的峰值作为特征量提取出用于分析的技术(参考文献5：特开平8-329046号公报)。

但是现有的从表示为子波变换结果的时间序列信号提取特征量的方法，是由人眼进行观察来判断或是用阈值(参考文献4)来检测特征量。根据这样的方法难以区分开不需要的特征量，有时便不能顺利地提取出所需的特征量。

另一方面，在子波变换结果中，在把标度单位的极值作为特征量时(文献1)，有时就不能提取出所需的特征量。

当把从子波变换结果求得的特征量局限于周期性情形时(文献2)，则不能提取其他有用的特征量。

对于以统计量为特征量的情形(参考文献3与5)，它是以一个特征量来表示具有时间扩展的整体区域，因而不能提取出每单位时间的详细特征。

例如根据图10所示的时间序列信号提取振动分量时，若用复数形式的子波函数对此时间序列信号进行子波变换来计算其强度，可以求得图11所示的强度信号。图11中以强度越高的部分越明而强度越弱的部分越暗的形式，示明由亮度来表明信号分量强度的子波强度信号。根据图11所示的子波强度信号，能够用频率轴(纵轴)和时间轴(横轴)这样两个轴来分析阶梯式波形与振动波形。

但即令是按上述方式变换信号(数据)，由于与原来的信号相比信息量多和分辨能力受到限制等，就未必容易进行定量的判别。

根据参考文献4中的技术，若按图11的子波强度信号，把超过预定阈值的值作为特征量提取出，则可求得图12所示的提取结果。但用这种技术则不易提取振动分量。

具体地说，参考文献4所示的设定阈值的方法，只当判别所希望的特征量超过阈值时才是有效的。但这样的情形可能很少出现，由于各种各样的原因，对于所希望的特征量不超过阈值或是其他的特征量超过了阈值的情形，便难以进行判别。此外，还不易设定阈值本身。如上所述，根据图12所示由阈值进行提取的结果，难以满意地判别原来的时间序列信号的阶梯式部分和振动分量。

根据参考文献2的技术，在子波变换结果中，若按标度单位检测随时间变化的峰值(极大值)而峰值周期性地出现时，即将峰值间的距离作为原始信号的周期性提取出。采用参考文献2的技术，据图11的子波强度信号可以求得图13所示的提取结果。

但在图13的提取结果中全然没有提取出振动分量。这就是说，参考文献2的技术不能提取出振动分量。

根据参考文献1的技术，它是把目标信号的子波变换结果按标度单位进行微分处理，提取出标度单位的随时间变化的极值作为特征量。由于极值中包括极大值和极小值，若按参考文献1的技术，则是根据图11的子波强度信号，除依图13所示按标度单位提取极大值外，还按标度单位提取极小值。

由于图11的子波强度信号中按标度单位的极小值是存在于图11中的暗部分即强度弱的部分内，作为特征量会提取出无意义的内容。因而难以提取出振动分量。

在参考文献3和5所示的以统计量为特征量的情形，是以统计量之类的代表值来表示具有一定时间扩展的区域的特征量，结果便使这一区域失去了时间特征。例如根据参考文献5的技术，在子波变换结果中是以标度单位的方差值为特征量。若采用此参考文献5的技术，可由图11的子波强度信号求得图14所示结果。依图14的结果，虽然可以确定振动分量的标度即频率，但由于失去了时间的信息，就不能求得振动分量的发生时间、持续时间等信息。

如上所述，依照现有技术就不能判别阶梯式分量和振动分量而只能部分地提取振动分量的特征量，这虽可以判明振动分量的存在，但特别是由于时间信息的丧失，就不能定量地掌握特征量。

发明内容

本发明的提出即是为了解决上述问题的，其目的在于能够以更高的精度定量地掌握，通过对时间序列进行子波变换而求得的在此时间序列信号中所含各种频率特征随时间的变化。

本发明是用来实现上述目的的，按照本发明的第一方面，一种数据变换方法，其特征在包括下述步骤：第一步骤，根据子波函数对时间序列信号进行子波变换，变换成示明时间和频率关系的第一分布；第二步骤，通过检测每单位时间中频率分布的最大值，将上述第一分布变换成示明上述时间、频率以及此频率强度间关系的第二分布；第三步骤，在上述第二分布中检测每单位时间的频率强度分布的峰值。

依以上所述，由于在第二分布中能按时间间隔检测频率强度分布的峰值，便可随着时间的进展从第二分布中提取强度较较高的特征频率分量。

本发明另一方面，一种数据变换装置，其特征在于包括：输入时间序列信号的输入装置；子波变换部分，用于根据设定的子波函数对上述输入装置输入的时间序列信号进行子波变换，变换成示明时间与频率的关系的第一分布；强度计算部分，用于通过检测每单位时间中频率分布的最大值，将所述第一分布变换为示明上述时间、频率以及此频率强度间关系的第二分布；峰值检测部分，用于在上述第二分布中检测每单位时间的频率强度分布的峰值。

由于此峰值检测部分可检测第二分布中各时间间隔的频率强度分布的峰值，故可随着时间的进展从第二分布中提取强度较高的特征频率分布。

本发明依其权利要求书所述的内容可以取得下述效果。

(1)由于在第二分布中能检测各时间间隔的频率强度分布的峰值，故可随着时间的进展提取第二分布中强度较高的特征频率。结果就能有效地以更高的精度来定量地掌握通过对时间序列进行子波变换而求得包含在时间序列信号中所含各种频率特征的时间变化。

附图说明

图1示明本发明第一实施例的数据变换装置的结构。

图2是示明图1中峰值检测部分121的动作流程图。

图3是示明子波强度信号和频率分布峰值信号的输出结果的分布图。

图4示明本发明第二实施例中数据变换装置的结构。

图5是示明控温室的温度检测结果(a)、对此结果进行子波变换求得的子波强度信号分布(b)、以及由特征量提取部分120从此子波变换结果中提取出的结果(c)的分布图。

图6示明本发明第三实施例中数据变换装置的结构。

图7是示明旋转装置正常时其旋转件的振动波形(a)、对此振动波形进行子波变换求得的子波强度信号分布(b)、以及由特征量提取部分120从此子波变换结果中提取出的结果(c)的分布图。

图8是示明旋转装置异常时其旋转件的振动波形(a)、对此振动波形进行子波变换求得的子波强度信号分布(b)、以及由特征量提取部分120从此子波变换结果中提取出的结果(c)的分布图。

图10是示明时间序列信号的波形图。

图11是示明图10中时间序列信号经子波变换所得子波强度信号的分布图。

图12是对图11的子波强度信号进行预定处理所得的分布图。

图13是对图11的子波强度信号进行预定处理所得的分布图。

图14是对图11的子波强度信号进行预定处理所得的分布图。

具体实施方式

〔第一实施例〕

首先说明本发明的第一实施例。图1示明此第一实施例中数据变换装置的结构。

如图1所示，此数据变换装置包括：信号变换部分110、根据此信号变换部分110输出的信号提取特征量的特征量提取部分120、相对于信号变换部分110设定参数或是相对于特征量提取部分120设定阈值等的用户接口部分130。

先来详细说明信号变换部分110。信号变换部分110包括子波函数生成部分111、子波变换部分112与强度计算部分113。

子波函数生成部分111生成用作子波变换基函数的复数形式的子波函数。复数形式的子波函数的代表有Gabor子波函数等，但这里的子波函数ψ(t)则采用下式(1)定义的Gabor子波函数：

$\mathrm{\Ψ}\left(t\right)=e^{-t^2/2}(e^{\mathrm{int}}-e^{-{\mathrm{\Ω}}^2/2}),\mathrm{\Ω}=2\mathrm{\π}---\left(1\right)$

子波变换部分112应用子波函数生成部分111生成的复数形式的子波函数，对由图中未示明的输入装置等所输入的时间序列信号进行子波变换。

具体地说，子波变换部分112对于输入的时间序列信号，根据与用户接口部分130设定的频率相对应的标度参量，应用子波函数生成部分111生成的复数形式的子波函数进行子波变换。在此进行的是非正交子波变换。

然后，作为子波变换结果，获得了以复数表示的于时间-频率区域展开的子波变换信号W(a，b)。

此时的子波变换的定义式及其条件由下式(2)表示：

$W(a,b)=\frac{1}{\sqrt{\left|a\right|}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(t\right)\mathrm{\Ψ}*\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}$

${\∫}_{-\∞}^{\∞}\mathrm{\Ψ}\left(t\right)\mathrm{dt}=0---\left(2\right)$

在此实施例中，设M为标度参数a的个数、N为移位参量b的个数(等于时间序列信号的点数)，则可如以下所示将子波变换信号W(a，b)作为大小为M×N的二维排列W_ij进行计算：

W_ij＝W(a_i，b_j)，i＝1、2、...、M，j＝1、2、...、N。

再由强度计算部分113据此子波变换结果的子波变换信号计算此强度。具体地说，根据子波变换结果的子波变换信号W_ij，由A_ij＝|W_ij|来计算子波强度信号A_ij。这里把子波变换信号的绝对值用作子波强度信号。

下面更详细地说明特征量提取部分120。特征量提取部分120包括峰值检测部分121和特征量计算部分122。

峰值检测部分121根据强度计算部分113输出的子波强度信号，检测各单位时间频率分布的极大值(峰值)。

具体地说，注意信号变换部分110输出的变换结果即子波强度信号于各预定时刻间隔的频率分布，同时检测单位时间间隔(预定时间间隔)的频率强度分布峰值(极大值)。

在此峰值检测中，如图2流程图所示，首先于步骤S1将标度参量a的个数设定到i的最大值M。也就是于由子波变换求得的时间-频率信息中设定频率轴(标度)的分割数。同样，将移位参量b的个数设定到j的最大值N。也就是于由子波变换求得的时间-频率信息中设定时间轴(移位)的分割数。同时将阈值设定为Th。此阈值由用户接口部分130设定，以防检测出因计算误差等会产生出可以忽视的微小峰值。

随后于步骤S2设j为1，于步骤S3设i为1。

于步骤S4判断i是否比1大而比M小。在由子波变换结果求得的时间-频率信息中，当于标度(频率)的最小值和最大值处未见强度峰值时，则于此判断中除去这种情形。

根据上述判断，i为1或M时即进到步骤S5，设P(i，j)＝0，即相应的强度不是峰值。当i为1而不是M时则进到步骤S6。

于步骤S6，判断所述时刻的所述频率下的强度A(i，j)是否比设定的阈值Th大。此外，判断此强度A(i，j)是否比A(i-1，j)大。进而判断此强度A(i，j)是否比强度A(i+1，j)大。

在以上判断中，若A(i，j)＞Th且A(i，j)＞A(i-1，j)，同时A(i，j)＞A(i+1，j)，即可判断此频率(i)处的强度A在此时刻(j)时表示的是峰值。转换到步骤S7，设P(i，j)＝1。

相反，要是不满足A(i，j)＞Th、A(i，j)＞A(i-1，j)和A(i，j)＞A(i+1，j)，即可判断率(i)处的强度A不表示时刻(j)的峰值。再转回到步骤S5，设P(i，j)＝0。

然后于步骤S8给i加1，于步骤S9判断此i是否比M大。当于步骤S9判断i不大于M时，则返回到步骤S4～S8。若于步骤S9判断出i大于M时即进到步骤S10，给j加1，并于步骤S11判断此j是否比N大。当于步骤S11判断出j不大于N时，即返回到步骤S3～S10。然后当于步骤S11判断出j比N大时便结束处理。

按以上所示，对于子波强度信号A_ij的在各单位时间的频率分布中的每一个点上，以1表示峰值强度而以0表示非峰值的强度，由此将峰值作为二值检测而可求得频率分布峰值信号P_ij。

根据此检测出的各单位时间的频率分布峰值信号，于特征量计算部分122计算频率、发生时刻和持续时间。

用户接口部分130包括参量设定部分131、阈值设定部分132和显示部分133。其中的参量设定部分131，如前所述，为子波变换部分112设定与频率相对应的标度参量。此外，阈值设定部分132设定了峰值检测部分121所用的阈值，以防检测出由于计算误差等原因而产生出会被忽视的小峰值。

显示部分133显示信号变换部分110输出的子波强度信号以及由特征量提取部分120求出的频率分布峰值信号等。

图3是示明此显示部分133上所显示的子波强度信号与频率分布峰值信号的输出结果的分布图。图3(a)示明由子波变换结果求得的子波强度信号，图3(b)示明频率分布峰值信号。在这两个分布图中，横轴表示时间，纵轴(标度)表示频率。

以上结果是由本发明上述第一实施例的数据变换装置根据图10的时间序列信号所求得的。从图3(b)可知，只从图10的时间序列信号提取出特征振动分量。

〔第二实施例〕

下面说明本发明的第二实施例。在此第二实施例中，如图4所示，它是把上述数据变换装置用于空调机的异常控制检测的情形。

如图4所示，此第二实施例新设有波动判定部分401和检测参量设定部分402。

具体地说，第二实施例的数据变换装置包括：信号变换部分110；据此信号变换部分110输出的信号提取特征的特征量提取部分120；对信号变换部分110的参量同时对特征量提取部分120的阈值进行设定的用户接口部分130，此外尚有波动判定部分401和控制参量设定部分402。

信号变换部分110则包括子波函数生成部分111、子波函数变换部分112、强度计算部分113。特征量提取部分120包括有峰值检测部分121和特征量计算部分122，而用户接口部分130则由参量设定部分131、阈值设定部分132和显示部分133构成。

但是设置于建筑物等中的空调机，在设置时所设定的控制参量由于空调机的性能会因时效等问题而成为不适当的数值。结果会导致空调机的控制不稳定，使进行温控的房间内的温度在短的周期内发生变化如波动等不合适的情形。

上述波动反映出空调机的工作状态，波动的发生会在空调时浪费能量或使用户不适。

由于这种波动是作为较短时间间隔的振动分量出现，若按从前那种由人监控空调状态的方法，就有可能忽略这种情形。此外，当设有多台空调机时，便不可能对其全部分进行监控。

图5示明进行温度调节的室内的温度检测结果(a)、对此结果进行子波变换而求得的子波强度分布(b)、由特征量提取部分120从此子波变换结果中提取出的结果(c)。在图5(b)与5(c)中，横轴表示时间，纵轴(标度)表示频率。

如图5(a)所示，在某个时间区中发生有上述的波动。这在温度检测结果中是作为振动分量出现的。因此，如图5(c)所示，按前述第一实施例中相同方式，只能提取振动分量。

下面说明第二实施例中数据变换装置的工作，波动判定部分401据此提取出的特征量，以其频率、发生时刻、持续时间和振幅等为基础，判定由此特征量表明的波动状态。控制参数设定部分402根据上述判定结果计算出适合空调机中各装置和空调对象环境的空调机最优化控制值，将这种值设定于空调机内。

如上所述，第二实施例可以自动地检测出仅仅是作为空调数据波动出现的振动分量，因此它不会忽略这种状态，即使是在多台空调机的情形也能检测波动而解决空调机中发生波动的问题。

〔第三实施例〕

现来说明本发明的第三实施例。此第三实施例如图6所示，说明将前述数据变换装置用于旋转装置异常诊断的情形。

如图6所示，第三实施例中另设有正常信号保持部分601、异常判定部分602与警报输出部分603。

具体地说，第三实施例的数据变换装置包括：信号变换部分110、从此信号变换部分110输出的信号中提取特征的特征量提取部分120、对信号变换部分110设定参数和对特征量提取部分120设定阈值的用户接口部分130，此外还设有正常信号保持部分601、异常判定部分602和警报输出部分603。

信号变换部分110则包括子波函数生成部分111、子波变换部分112和强度计算部分113；特征量提取部分120包括有峰值检测部分121和特征量计算部分122；而用户接口部分130乃是由参量设定部分131和阈值设定部分132以及显示部分133构成。

但在构成旋转装置的轴承等旋转件中，会因混入杂质和磨损损耗而损伤。若是放任这样的部分件照常工作，就会在运转中造成故障而产生重大损害。因此必须早期发现这种现象，作出修正。

图7示明了旋转装置正常时旋转件的振动波形(a)和子波强度信号(b)以及应用特征量提取部分120从子波变换结果中提取的结果(c)。在这种情形中，例如检测出轴承部分发生的声音。图8中示明了旋转装置有异常等时旋转件的振动波形(a)和子波强度信号(b)以及由特征量提取部分120从子波变换结果中提取出的结果(c)。

例如当有杂质进入旋转装置的轴承部分中因导致损伤等而产生异常的振动时，会断续地出现高频分量。这种情形可以由目视比较图7(a)和图8(a)而能大致加以区分。

但要是作为此种断续的高频分量出现的这类损伤很小时，旋转装置便不会完全失效/停动。在旋转装置未失效的情形下，这类间歇式的高频分量是很小的，为了将其自动地检测出，单纯地根据子波强度信号将其判别时，由于噪声等影响几乎是不可能的。即使是比较图7(b)与图8(b)，也无法自动地提取断续的高频分量。

据上面所述，如图7(c)与图8(c)所示，若是提取频率分布峰值信号，则可明确地检测异常时的高频分量及其发生间隔。也就是能如图8(c)所示，会断续地出现高频分量，因而能提取出特征量。

首先将由特征量提取部分120获得的正常时的特征量预先存储于正常信号保持部分601。异常判定部分602能对异常性发生时求得的特征量与正常时的特征量相比较，对异常作出判定。

在判定为异常时，能将此异常判定结果通过警报输出部分603输出警报而得以在出现故障前进行修复。如上所述，例如在轴承中因损伤而出现故障是很小的异常时，就能在这种异常发展成大的故障或停机之前可靠地检测出。

在以上的描述中，涉及到配备有信号变换部分110和特征量提取部分120的情形，而这两者的操作可由CPU执行。

具体如图9所示，首先将检测部分901求得的时间序列信号经A/D变换部分902变换为数字信号。然后将此已变换的信号由CPU 903进行子波变换，作为于时间-频率区域中展开的子波信号计算其强度，根据输出的子波强度信号，检测各单位时间的频率分布极大值(峰值)。

CPU 903依据与总线903a连接的主存储器904中展开的程序，进行上述的一系列作业。于主存储器中展开的程序则存储于外存储装置905中。子波变换用的子波函数例如也可预先存储于外存储装置905中。此外，参量的设定和阈值的设定也可采用由键盘906输入的方式。最后，将求得的频率分布峰值信号等显示于监控器907上。

在上述实施例中是用式(2)所示的复数形式的子波函数(Gabor子波函数)进行子波变换，但本发明并不受此限制。

一般，子波变换可大致分为正交的子波变换和非正交的子波变换。上述实施例中所用的子波变换为非正交的而且是复数形式的子波函数。

非正交子波变换可以采用前述的复数形式的子波函数进行，也可以采用后述的实数形式的子波函数进行。

设于非正交子波变换中采用前述的Gabor函数等的复数形式的复数形式的子波函数，由于可以通过计算此子波变换结果的绝对值求得强度，就能据此强度直接检测出峰值。

要是将实数形式的子波函数如墨西哥帽函数、法兰西帽函数或Shannon函数用于非正交子波变换，则即使是计算子波变换结果的绝对值也不能求得强度。但若采用低通滤波器等对计算得的绝对值进行包络处理，则可获得与强度相对应的信息而能检测峰值。

另一方面，在正交子波变换中只能采用实数形式的子波函数。这种子波函数例如有Daubecies函数、Harr函数、Meyer函数、Symlet函数、Spline函数和Coiflet函数，等等。

在这种正交子波变换中，要是对计算出的绝对值进行包络处理，则可求得与所述强度相对应的信息，因而能进行峰值检测，这与采用实数形式子波变换的非正交子波变换的情形相同。

但在正交子波变换中当频率变低时，则变换成的数据个数会减少或各频率(标度)在时间上不一致。为此有时需要进行数据插补或调时。但即令是在正交子波变换中也存在有不使数据个数减少的计算方法，而由这种方法则可获得与采用实数形式子波函数的非正交子波变换相同的结果。

在以上的说明书中提取的是特征的高频分量，但本发明并不局限于此，而也可提取隐蔽于高频噪声中的低频分量。

Claims (6)

1.一种数据变换方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步骤，根据子波函数对时间序列信号进行子波变换，变换成示明时间和频率关系的第一分布；

第二步骤，通过检测每单位时间中频率分布的最大值，将上述第一分布变换成示明上述时间、频率以及此频率强度间关系的第二分布；

第三步骤，在上述第二分布中检测每单位时间的频率强度分布的峰值。

2.根据权利要求1所述的数据变换方法，其特征在于，在上述第三步骤检测出的峰值中提取出大于所希望的阈值的作为特征量。

3.根据权利要求1或2所述的数据变换方法，其特征在于，所述子波变换为非正交的子波变换。

4.根据权利要求3所述的数据变换方法，其特征在于，所述子波函数为复数形式的函数。

5.一种数据变换装置，其特征在于包括：

输入时间序列信号的输入装置；

子波变换部分，用于根据设定的子波函数对上述输入装置输入的时间序列信号进行子波变换，变换成示明时间与频率的关系的第一分布；

强度计算部分，用于通过检测每单位时间中频率分布的最大值，将所述第一分布变换为示明上述时间、频率以及此频率强度间关系的第二分布；

峰值检测部分，用于在上述第二分布中检测每单位时间的频率强度分布的峰值。

6.根据权利要求5所述的数据变换装置，其特征在于还包括：特征量计算部分，用于从所述峰值检测部分检测出的峰值之中提取出大于所希望的阈值的作为特征量。

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