信息物理融合技术在加工中心故障诊断系统的应用研究
文章预览：
制造业是国家的支柱产业，近年来，随着工业制造4.0以及中国制造2025计划的提出，制造业向着网络化、智能化的方向发展.数控加工中心作为制造业的关键设备，*成为被研究、改进的目标.数控技术水平的高低和国家拥有的数控加工中心数量，代表着一个国家工业发达的程度和体现这个国家整体技术实力：.数控加工中心结构复杂、零部件多，当故障发生时，故障的检测与排除成为难点.过去的故障排除工作主要依靠有经验的工作人员在故障发生一段时间之后手动进行，如此以来，当故障发生时，系统无法在第_时间做出反应，很可能造成设备的损失.同时，人工故障排除还有速度慢，相关技术人员培训周期长等缺点.随着网络信息技术、传感器技术、人工智能理论与实践方法的完善，在线故障检测系统应运而生.。
传统故障检测系统是一个层级化系统，分为数据采集层、网络层、智能检测层.数据采集层位于层，智能检测层在高层.该系统的信息流流向单只能从低层向高层流动.针对不同类型的数据，系统既可以通过外界辅助传感器读取加工中心表层温度、振动等外部数据，也可以通过（)pc (ole f,,rprocess cimtnil,用于过程控制的ou':)协议，从数控加工中心内部直接读取加工中心的运行数据.网络层通过接口协调不同格式数据融合、封装与传输，智能检测层可采用专家系统、人工神经网络或决策树等不同的人工智能系统.所需采集的信号指标包括主轴振动、温度、噪声，转速、进给量、信号量等，其中振动、温度、噪声三项指标对于故障的分析诊断具有重要的意义.
•振5力：当被检测物体运动时，观测点的位移相对出现偏差，此种偏差包含大量非线性信息，有利于故障点的定位.
• 度：加工中心的传动部位发生磨损时，局部温度会升高，
通过升高的幅值判定故障的发生.
•哗声：矂声是震动能量传播的一种形式,发生机械故障时，可以通过噪声的变化判定故障的发生原因.
以上三种指标对于加工中心的故障检测有重要意义，其它指标可以作为辅助数据.
传统构架的故障检测系统存在诸多缺陷：由于传感器的种类不同，采集频率不同，对新传感器的增添需要修改主程序数据结构，扩展性差.故障诊断功能全部由诊断层提供，网络层只负责信息的传递，然而网络层一般采用单片机作为计算核心，具有一定的计算能力，*可以诊断简单的故障.如果将初级诊断功能集成其中，一方面可以缓解高级诊断系统的压力，另一方面可以在第一时间应对出现的问题而不需要经历向高层传输带来的延迟.另外，在数据传输方面，因为没有实时数据结构与算法的保障，传输延迟现象较常见，这样会导致数据丧失时效性.三个层面之间的互动缺失，传感器无法根据实际需要调整工作频率，能量浪费问题严重.考虑系统异构的现实，为了使层级之间信息传递在实时性的要求下顺畅进行，从而实现系统智能判断故障，智能调整负载，本文提出基于<:ps的加工中心故障诊断系统.
2 cps系统的发展现状
信息物理融合技术是由紧密结合的计算、通信、控制模块协同运作，由此提升物理应用的稳定性、可靠性、健壮性，提升效率的下_代系统0 .近年来，以信息物理融合系统为主题的研讨会与报告越来越多，旨在完善cps框架，前瞻性地发现可能遇到的问题，促进cps系统在各行各业的应用.目前的「:i’s应用主要集中在医疗、汽车、智能电网、智能城市等领域，依靠强大的实体4勿理交互能力，保障人类健康，方便人类出行,统筹与优化电力资源的分配.u’s的设计思路、技术特征符合加工中心故障诊断系统的要求，但针对诊断系统要求的完善的a’s构架尚未被提出.
2.1 cps系统模型研究
不同于传统信息系统建模方式，cps系统包含大量信息物理交互实例，涉及能量、信息的流动.根据具体的应用场合，建模方式也有所不同.如何忠实地反映现实系统运作方式是建模的关键.文献h总结了近年来信息物理融合系统建模的主要方法，将建模方法分为四大类：一体化建模、时空交互建模、功能和实现兼容建模，集成建模.一体化建模旨在消除物理系统与信息系统建模差异，时空交互建模主要为了统一cps的系统行为与时空关系的语义表示.功能和实现建模主要刻画逻辑和实现之间的关系，集成建模则主要解决异构系统语义统一问题.本文在以上四种建模方式的基础上，提出了加工中心（:ps故障检测系统的模型，并给出了模型框架.
2.2 cps系统可靠性研究
宏观上讲，(:ps所有部件由通信网络连接，系统可靠性可由通信网络可靠性度量，具体包括网络抗毁性、生存性、有效性.微观来讲，每个部件及部件内部的运作规则对系统整体至关重要.文献&], h将信息物理融合系统抽象为两个独立但相互依赖的子系统：物理网络、信息网络，并运用渗透理论对系统的抗毁性和生存性进行分析：当网络遭受不同类型攻击时，幸存下来的节点与网络本身参数（网络节点度数概率分布）和攻击的破坏程度（每次攻击对节点数造成的影响）有关，而与每个子网络大小与他们的比例无关.网络延迟的大小关乎系统整体运作效能，当系统允许的大延迟确定后，文献h提出了在不同服务质量下获取多种路径的算法，通过实验证明该算法能达到预计效果.文献m提出了一种在信息物理融合系统中兼顾系统节能、可靠性的调度策略：在满足系统不同层级可靠性的要求下，算法能给出当前层级下能量消耗小的调度方法.文献h提出了用于车辆（:ps系统中的传感器数据融合方法，该方法可以剔除传感器冗余信息，减少传输带宽的需求，在一定程度上增加了系统的有效性.
根据以上的研究成果，本文在系统设计时采取以下措施：
0. 减少部件之间的耦合；
1. 设计为嵌套系统，增强子系统自治性；
2. 传输层数据融合；
3. 增加传感器采集频率实时控制功能.
2.3 cps系统安全性研究
系统安全性是指系统阻止未*用户登录以及发现入侵者的能力.文献h提出了一整套设计和实现受资源限制的安全可靠信息物理融合系统方法，该方法涉及现代控制理论，运用信息、计算模型探讨了系统效能、系统安全性、可调度性之间的关系，后得出结论：安全机制和控制算法需要协同设计才能保证系统髙效性和健壮性.文献h提出了基于集合模型的cps入侵检测算法，该算法拥有线性时不变和神经网络系统的优点，同时也考虑cps部件之间时序和功能的依赖关系，文章后从不同层次对算法进行了测试.文献[10]将入侵检测具体应用到医疗（:i’s领域，并给出将行为规则转换为状态机的方法，实验证明该方法性能上超越了传统方法.
加工中心故障检测系统中传感器采集数据均为加工中心自身的数据，不涉及所加工产品的细节；检测系统环境相对封闭，具有的外部连接功能有限，其计算资源有限.因此本系统未套用复杂而占用系统资源多的入侵检测系统理论，仅采取在客户端登陆认证加密方法保证登陆端安全.
备注：为保证文章的完整度，本文核心内容都pdf格式显示，如未有显示请刷新或转换浏览器尝试！
结束语：
本文调研了近年cps系统研究状况，在此基础上提出加工中心「:l’s故障检测系统模型，实现初级诊断部分，并对该部分做性能测试，测试结果显示初级诊断系统基本满足系统要求.
初级诊断系统和高级诊断系统共同组成完整的加工中心诊断系统，下一步实现高级诊断系统，并对整套系统进行调试，在实际生产环境下进行测试.
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传统故障检测系统是一个层级化系统，分为数据采集层、网络层、智能检测层.数据采集层位于层，智能检测层在高层.该系统的信息流流向单只能从低层向高层流动.针对不同类型的数据，系统既可以通过外界辅助传感器读取加工中心表层温度、振动等外部数据，也可以通过（)pc (ole f,,rprocess cimtnil,用于过程控制的ou':)协议，从数控加工中心内部直接读取加工中心的运行数据.网络层通过接口协调不同格式数据融合、封装与传输，智能检测层可采用专家系统、人工神经网络或决策树等不同的人工智能系统.所需采集的信号指标包括主轴振动、温度、噪声，转速、进给量、信号量等，其中振动、温度、噪声三项指标对于故障的分析诊断具有重要的意义.
•振5力：当被检测物体运动时，观测点的位移相对出现偏差，此种偏差包含大量非线性信息，有利于故障点的定位.
• 度：加工中心的传动部位发生磨损时，局部温度会升高，
通过升高的幅值判定故障的发生.
•哗声：矂声是震动能量传播的一种形式,发生机械故障时，可以通过噪声的变化判定故障的发生原因.
以上三种指标对于加工中心的故障检测有重要意义，其它指标可以作为辅助数据.
传统构架的故障检测系统存在诸多缺陷：由于传感器的种类不同，采集频率不同，对新传感器的增添需要修改主程序数据结构，扩展性差.故障诊断功能全部由诊断层提供，网络层只负责信息的传递，然而网络层一般采用单片机作为计算核心，具有一定的计算能力，*可以诊断简单的故障.如果将初级诊断功能集成其中，一方面可以缓解高级诊断系统的压力，另一方面可以在第一时间应对出现的问题而不需要经历向高层传输带来的延迟.另外，在数据传输方面，因为没有实时数据结构与算法的保障，传输延迟现象较常见，这样会导致数据丧失时效性.三个层面之间的互动缺失，传感器无法根据实际需要调整工作频率，能量浪费问题严重.考虑系统异构的现实，为了使层级之间信息传递在实时性的要求下顺畅进行，从而实现系统智能判断故障，智能调整负载，本文提出基于<:ps的加工中心故障诊断系统.
2 cps系统的发展现状
信息物理融合技术是由紧密结合的计算、通信、控制模块协同运作，由此提升物理应用的稳定性、可靠性、健壮性，提升效率的下_代系统0 .近年来，以信息物理融合系统为主题的研讨会与报告越来越多，旨在完善cps框架，前瞻性地发现可能遇到的问题，促进cps系统在各行各业的应用.目前的「:i’s应用主要集中在医疗、汽车、智能电网、智能城市等领域，依靠强大的实体4勿理交互能力，保障人类健康，方便人类出行,统筹与优化电力资源的分配.u’s的设计思路、技术特征符合加工中心故障诊断系统的要求，但针对诊断系统要求的完善的a’s构架尚未被提出.
2.1 cps系统模型研究
不同于传统信息系统建模方式，cps系统包含大量信息物理交互实例，涉及能量、信息的流动.根据具体的应用场合，建模方式也有所不同.如何忠实地反映现实系统运作方式是建模的关键.文献h总结了近年来信息物理融合系统建模的主要方法，将建模方法分为四大类：一体化建模、时空交互建模、功能和实现兼容建模，集成建模.一体化建模旨在消除物理系统与信息系统建模差异，时空交互建模主要为了统一cps的系统行为与时空关系的语义表示.功能和实现建模主要刻画逻辑和实现之间的关系，集成建模则主要解决异构系统语义统一问题.本文在以上四种建模方式的基础上，提出了加工中心（:ps故障检测系统的模型，并给出了模型框架.
2.2 cps系统可靠性研究
宏观上讲，(:ps所有部件由通信网络连接，系统可靠性可由通信网络可靠性度量，具体包括网络抗毁性、生存性、有效性.微观来讲，每个部件及部件内部的运作规则对系统整体至关重要.文献&], h将信息物理融合系统抽象为两个独立但相互依赖的子系统：物理网络、信息网络，并运用渗透理论对系统的抗毁性和生存性进行分析：当网络遭受不同类型攻击时，幸存下来的节点与网络本身参数（网络节点度数概率分布）和攻击的破坏程度（每次攻击对节点数造成的影响）有关，而与每个子网络大小与他们的比例无关.网络延迟的大小关乎系统整体运作效能，当系统允许的大延迟确定后，文献h提出了在不同服务质量下获取多种路径的算法，通过实验证明该算法能达到预计效果.文献m提出了一种在信息物理融合系统中兼顾系统节能、可靠性的调度策略：在满足系统不同层级可靠性的要求下，算法能给出当前层级下能量消耗小的调度方法.文献h提出了用于车辆（:ps系统中的传感器数据融合方法，该方法可以剔除传感器冗余信息，减少传输带宽的需求，在一定程度上增加了系统的有效性.
根据以上的研究成果，本文在系统设计时采取以下措施：
0. 减少部件之间的耦合；
1. 设计为嵌套系统，增强子系统自治性；
2. 传输层数据融合；
3. 增加传感器采集频率实时控制功能.
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加工中心故障检测系统中传感器采集数据均为加工中心自身的数据，不涉及所加工产品的细节；检测系统环境相对封闭，具有的外部连接功能有限，其计算资源有限.因此本系统未套用复杂而占用系统资源多的入侵检测系统理论，仅采取在客户端登陆认证加密方法保证登陆端安全.
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结束语：
本文调研了近年cps系统研究状况，在此基础上提出加工中心「:l’s故障检测系统模型，实现初级诊断部分，并对该部分做性能测试，测试结果显示初级诊断系统基本满足系统要求.
初级诊断系统和高级诊断系统共同组成完整的加工中心诊断系统，下一步实现高级诊断系统，并对整套系统进行调试，在实际生产环境下进行测试.
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