维普资讯 http://www.cqvip.com 计算机测量与控制．２００２．１０（６） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ ・４０１・ 文章编号：１６７１—４５９８（２００２）０６—０４０１—０２ 中图分类号：ＴＰ２７４．２２ 文献标识码：Ａ 一种基于实时数据采集的知识获取与学习方法 张彦斌，赵玉龙， 王自营，张 宁 （军械工程学院，河北石家庄０５０００３） 摘要：给出了故障诊断专家系统利用实时数据采集技术获取知识的硬件设计方案和数据处理方法，并描述了建立 故障特征集合的具体情况。 关键词：故障诊断；数据处理；数据采集 Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｅａｌ——ｔｉｍｅ Ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ—ｂｉｎ，ＺＨＡ（）Ｙｕ—ｌｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｉ—ｙｉｎｇ （Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊ ｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｄａｔａ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｂｏｕｔ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅａｌ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｕｐ ａ ｆａｕｌｔ—ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｗｈｉｌｅ ｆａｕｌｔ ｎｏｓｉｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒｏｕｂｌｅ—ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｌ 引言 数据采集和模数转 换电路，便携式工 随着计 ：机技术在自动检测和故障诊断领域的广 泛应用，建立由故障特征参数构成的“故障优化特征 控机等组成。硬件 集合”，是实现自动检测和故障诊断的一项重要工作。 设计必须满足对不 同时，作为构造故障诊断专家系统的３个关键性工 同性质、不同种类 图１ 仪器硬件结构框图 信号进行调理、采 作：“知识获取、知识表示、知识利用”，也和“故障 优化特征集合”的建立有着密切的联系。这是研制智 集的需求，以保证“故障优化特征集合”中故障特征 的完备性。 能化检测与故障诊断设备的主要工作之一。知识的获 【，０ ｙ【ｌｎ，ｙ（１Ｉ，…，ｙ０ 取与学习，包括非自动型知识获取和全自动型知识获 【，ｌ ｙｌ０，ｙ“，…，ｙｌ， 取，前者是从知识工程师那里通过机械式和传授式获 取知识，后者则是利用计算机辅助的方式，通过信息 ｙ ０，ｙ”Ｉ，…，Ｙｎｍ 的采集、处理、积累的方式获取知识。在对新装备进 为了提高故障诊断的效率和准确性，应首先正 行自动检测和故障诊断的研究工作中，即知识工程师 确选择反映故障本质特征的元素及检测点。为此，在 的知识和专家的经验还比较缺乏的情况下，显然利用 对被检测系统进行组成原理与结构特点分析的基础 计算机辅助的方式进行信息的采集、处理、积累的方 上，建立了（ ＋１）个分单元Ｕ＝（Ｕ０，Ｕ 一，Ｕ ）构 式获取知识，就十分必要。 成的故障特征集，它由特征向量Ｙ ＝（Ｙ Ｙ …， ２总体方案及其实现 Ｙ ）（ｉ＝０，１，２，．．．， ．）组成。显然，Ｕ 即为系统的 利用计算机辅助的方式进行信息的采集、处理、 “故障特征集合”。事实上，“故障特征集合”中的每 积累来获取知识，是在对装备进行自动检测和故障诊 个元素，都是造成系统故障诸多因素ｚ，的函数，即： 断的硬件设备基本完善的基础上实现的。如图１所 ｙ ＝ （ｘｌ，Ｘ２，…，ｑ） （２） 示，该系统硬件主要由外部传感器、信号调理电路、 通过对与各因素ｚ，相关的数据进行采集与处理，即 可得到系统单一故障的数据模型。根据初始信息ｚ， 收稿日期：２００１—１１—２０。 和式（１）、式（２），即可建立起基于数据模型的故障 作者简介：张彦斌（１９５７一），男，河北省深泽县人，硕士，副 树或故障字典的故障诊断模式，初始信息ｚ，与中间 教授，主要从事精密检测技术及仪器的研究，多次获部、科 信息ｙ 及故障现象ｕ 之间的对应关系，反映出故障 技进步奖。 原因与故障现象间的逻辑关系。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・４０２・ 计算机测量与控制 第１Ｏ卷 然而，由于同一故障现象所对应故障原因的多样性。 模拟信号连续性等诸多因素对采集数据的影响，仅靠 ５１＂ 、Ｙ 与ｕ 之间的逻辑关系，并不能完全满足故障 识别与定位的要求。要提高故障诊断的分辨率。必须 对初始信息 进行必要的数据处理。 ３初始信息数据的处理 在对 台同一型号的被检测装备进行多种故障 模拟仿真的情况下，可以借助检测仪器完备的硬件系 统，通过数据采集和处理，获得 组初始故障信息 术，通过对被检测对象或系统进行故障模拟仿真，并 对系统状态进行实时数据采集来实现的。首先。应确 定反映系统状态信息的测量点，从被测装备可获取的 全部信息中，根据其与故障的相关程度和对故障的灵 敏度进行选择并剔除冗余后，确定初始的故障信息元 素 ，，以保证获取的信息在故障诊断中的有效性。 然后，根据数据的使用要求、数据处理方式、数据存 储量以及数据的变动性等，确定数据的存储格式。对 数据使用和处理的基本要求，主要包括为消除偶然误 差的影响，恨据大数定律而进行算术平均值计算。由 ｛ ，ｆ。由于所采集的数据中不可避免的含有偶然误 于偶然误差的存在，围绕采集数据的平均值必定有一 差、系统误差、甚至粗大误差。因此，必须首先对采 个分散。为此，必须计算出算术平均值的标准误差。 集到的数据组｛ ，｝进行箅术平均值、标准误差计 以此作为算术平均值可靠性的评定标准，同时也以此 算、精度估计等数据处理，以保证初始故障信息 ． 为依据制定“故障判据域值”。除此之外。为了保证 的精度和置信度。 所采集数据的精度、并以数学模型的形式对系统故障 算术平均值： 进行描述，还需进行精度估计，回归分析，直线、曲 Ｘ 标准误差： 、／／ 式中： ８ｉ＝ａＴｉ一又 一般情况下，在取置信水平ｔ＝３的情况下。取Ｘ＝ Ｘ±３ａ作为故障诊断的判据，将包括了初始故障信 息 丁，实际的分布范围。同理，由式（１）、式（２）可 图２知识获取流程图 以得到ｙ 、Ｕ，。根据误差传递的规律，ｙ，、Ｌ，，的 标准误差可由下式计箅得到： 线拟合等数据分析与处理。采用计箅机辅助获取知识 ————一 的步骤，可由图２的流程图表示。需要指出，从数据 ａｘ．＝，／ （ ／ ） 。 ， ’Ｊ＝ｏ 采集到建立初始数据文件，是一个多次重复的过程。 ａＵｆ＝｛ ｙ０， ｙｌ，Ａ， ｙＨ｝ 在该过程中，需要对被测系统进行故障仿真与模拟操 以上计算，是在初始故障信息 ．相互且误差服 作，数据采集与处理是在ＬａｂＶＩＥＷ环境下编程实现 从正态分布的假设前提下得出的。而上述假设，并不 的，首先将采集的数据以数据文件（Ｄａｔａｌｏｇ）的形 失一般性。对于特殊分布规律的故障信息。考虑误差 式保存，然后通过读入该文件进行相关的处理。 分布的特殊性，采用相应的数据处理方法。 表１ 经验数据与计算机采集数据比较表 根据上述理论并按照上述过程，即可得到有关系 统故障诊断的“知识”，通过定期地不断更新，即可 故障代号 经验 汁算机采集数据 故障 经验 计算机采集数掳 数据 数据 际准偏差 代号 数据 数据 际准偏差 完成“知识获取与学习”。在具体实现过程中，首先 应以数据文件的形式，将采集的有关的初始故障信息 ＪＳＨ—Ｄ１１ ３５．９ ３６．２７ ３．９２ ＧＣＨ．Ｄ１ １０．６１ １０．５８ １．３０ ＪＳＨ－Ｄ１２ ７７．４２ ７７．１０ ８．５４ ＧＣＨ．Ｄ２ ３．９４ ３．２０ ０．６１ ，保存，并编制数据处理软件进行诸如：算术平均 ＪＳＨ－Ｄ１３ ７１．８９ ７２．９３ ５．３６ ＧＣＨ＿Ｄ３ ３６．９９ ３６．５５ ２．７５ 值、标准误差计算、Ｘ＝又±３ａ、误差传递函数等的 ＪＣＨ－Ｄ１ ３６．１１ ３６．２７ ２．７７ ＢＭＹ．１７１ ７．８９ ７．３２ １．２８ 计算，同时将结果也以数据文件的形式保存，从而得 ＪＣＨ－１３２ ４．５１ ４．０７ １．３６ ＢＭＹ．１７２ ３．４２ ２．５９ ０．４１ 到ｙ 、 的故障判据数据库。这种数据的不断采 ＪＣＨ—Ｄ３ ２７．９６ ２８．３Ｏ ２。８Ｏ ＢＭＹ一１７３ —５．７６ ．５．４１ １．２７ 集、处理与计算结果的长期积累，即可实现计算机辅 ＧＳＨ．Ｄ２１ ４．０１ ３．２０ １．９１ ＢＭＹ－１６１ ２．２１ １．６０ ０．６２ 助方式的知识获取与学习。 ＧＳＨ．Ｄ ２ ６９．７２ ６９．８０ ４．０９ ＢＭ 一１６２ —３．１２ —２．８８ ０．５６ ４计算机辅助获取知识的方法 ＧＳＨ－Ｄ２３ ７２．４１ ７２．３１ ５．２１ ＦＤ Ｃ４ —６．２４ —５．９５ ５．２１ 计算机辅助获取知识，是利用计算机自动检测技 （下转第４０６页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ・４０６・ 计算机测量与控制 第１０卷 ＣＬＲＣ ＯＶＭ ；复位溢出模式 ＳＰＬＫ＃４０Ｃ８ｈ，ＳＹＳＣＲ；ＳＹＳＣＲ＜＝４０Ｃ８ｈ ＊设置数据页指针指向外部数据帧首页＊ ＊释放对数据帧地址＊ ＬＤＰ＃ＤＰ—ＰＦ１ ；Ｐａｇｅ ＤＰ—ＰＦ１ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ＷＥＴ ｔｈｒｏｕｇｈ ＳＢＲＫ １＋１ ；ｄｅａｌｌｏｃａｔｅ ｆｒａｍｅ，ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｓａｖｅｄ ＦＰ ＥＩＮＴ ｆｒａｍｅｓ ＊数据帧指针复位＊ ＊复位系统状态寄存器＊ Ｉ ＡＲ ＡＲ０，＊一 ：ＰＯＰ ＦＰ ＬＡＣＬ＃０２ｈ ；载入掩码模式，清除ｌ＇ｓｔ标志 ＊复制ｓ／ｗ段的返回地址到ｈ／ｗ堆栈＊ ＳＡＣＬ ＳＹＳＳＲ ；ＷＲＩＴＥ ＡＣＣ ＴＯ ＳＹＳＳＲ ＰＳＨＤ ；ｐｕｓｈ ｒｅｔｕｒｎ ａｄｄｒｅｓｓｓ ｏｎ ｈ／ｗ ｓｔａｃｋ ＊把监视定时器的周期设为１ｓ＊ ＲＥＴ ：ｒｅｔｕｒｎ ＬＡＣＬ＃０２Ｆｈ ；ｓｅｔ ＷＤＣＨＫ２＆０ ｂｉｔｓ，ＷＤＣＩ Ｋ ｄｉｖｉｄｅｒ ｅｎ ｔｏ ｍａｘ（Ｉｓ） ＳＡＣＬ ＷＤＴＣＲ ；ｗｒｉｔｅ ＡＣＣ ｔｏ ＳＹＳＳＲ ５结束语 ＊设置ＰＬＬ频率为４ＭＨｚ，系统时钟频率设为１０ＭＨｚ，ＣＰＵ 本文主要介绍了ＢＢ公司ＡＤＳ７８２５转换器的特点 时钟设频率为２０ＭＨｚ 和其模数转换过程中的典型用法，简要介绍了ＴＩ公 ＊ＳＰＬＫ＃００Ｅ４ｈ．ＣＫＣＲ１ ；ＣＩ ＫＩＮ（ＸＴＡＩ ）＝４ＭＨｚ， 司ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１数字信号处理器的特点，并结合实 ＣＰＵＣＫＩ ＝２０ＭＨｚ ｓｐｌｋ＃００Ｃ３ｈ，ＣＫＣＲ０ ；ＣＬＫＭＤ ＰＩ Ｉ Ｅｎａｂｌｅ， 际设计了一套应用于电力系统中的信号采集系统。通 ＳＹＳＣＬＫ＝ＣＰＵＣＩ Ｋ／２ 过大量的试验和数据分析，本系统以其高效可靠稳定 ＊设置ＰＩ Ｌ频率为１０ＭＨｚ，系统时钟频率设为１０ＭＨｚ和 的同步采集性能和优良表现，达到了系统设计的预期 ２０ＭＨｚ 目标和效果。 ＳＰＬＫ＃００Ｂｌｈ ｃＫｃＲ１ ；（：ｌ，ＫＩＮ（０ｓｃ） １０ＭＨ ’ 参考文献ｃＰｕ ………，２０ＭＨｚ： ＩＪＵ￣１………… ……‘ …‘ ｓＰＬＫ＃００Ｃ３ｈ ｃＫｃＲ０ …、…… ．ＣＬ ……，，…上…Ｅｎａｂｋ ， １］ ：－ｌ＿ ［…… ｃ。ｔ］１ｒｐｏｒａｔｉ０ｎ．２０００ Ｂｕｒｒ—Ｂｒ０ ｎ ｃＤ—Ｒ０Ｍ ｆ）Ｂ． ｓＹｓｃ ＣＰＵＣＬＫ／２ｏｇ＊设置ＶＣＣ。ＡＯＮ杨 ．， …［２］任丽香， 马 芬，李芳慧．ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列ＤＳＰｓ的原 －４ ＝Ｌ＂、 －￣，给ＣＬＫＳＲＣ蜮值 …． 运与 ，用［Ｍ］．’北 ：电子工业出版社，２０００． （上接第４０２页） 系统一个主要的滤波器件损坏引起的，在干扰信号的 ５ 计算机辅助获取知识与经验数据比较 影响下，使得原来的信号波形严重失真，如波形图３ 表１是采用计算机辅助获取知识的方法建立的某 所示，造成数据的标准偏差和故障判据值相当。对这 装备故障诊断的知识数据库和由经验方法建立的知识 种情况，在本文介绍的方法中，必须引起注意。 数据库中部分数据的对比。可以看出：除个别数据 ６结束语 外，经验数据和计算机辅助获取数据的大部分是非常 利用计算机辅助的方式进行信息的采集、处理、 相近的，数据相差较大的主要原因，是被采集信号的 积累来获取知识与学习，在某种程度上解决了故障诊 干扰作用与噪音成分，使计算机数据采集系统的精度 断系统的研制中，进行故障特征提取并获得故障诊断 受到影响；而经验数据的获取通常是采用万用表测量 判据的问题。笔者在某装备的检测与故障诊断设备的 得到。由此可以得到启示，计算机辅助知识获取系统 研制中，采用了该方法，取得了较为满意的效果。需 的设计，从硬件设计而言，应该具有良好的信号预处 要指出，笔者对装备故障诊断中的特征参数的提取， 理网络，以保证获取信号的质量及有效性；从软件设 出于实际工作的需要，仅限于幅域参数，对时域参数 计角度考虑，要采用必要的合理与科学的算法，进一 和频域参数没有涉及。 步保证获取数据的准确度。另外，对于一些特殊的故 障信号，如ＦＤＱ—ＣＡ号故障，由于该故障是由被检测 参考文献： ［１］徐章遂，等．故障信息诊断原理及应用［Ｍ］．北京：国 防工业出版社，２０００． ［２］钟秉林，黄仁．机械故障诊断学［Ｍ］．北京：机械工业 出版社．１９９７， ［３］清华大学电机系虚拟仪器实验室编译．ＬａｂＶＩＥＷ用户指 南［Ｍ］．２０００． ［４］张玉强．一种基于实时数据采集系统的数据处理方法 ［Ｊ］．计算机自动测量与控制，２００１，９（２）：４５． ［５］Ｎａｔｉｏｎａｉ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＬａｂＶＩＥＷ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ＶＩ 图３ ＦＤＱ－Ｃ４号故障波形图 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｎｕａｌ【Ｚ Ｊ．１９９８．
