基于多代理技術的潤滑傳感檢測系統架構設計

廖伍代，劉宗勝，路向陽，王澤程，趙東章

（1.中原工學院電子信息學院，河南新鄭451100；2.鄭州盛川科技有限公司，河南鄭州450000）

工程機械的結構復雜，使得潤滑系統的控制結構也變得復雜。工程機械的工作強度高、環境惡劣，加速部分機械部件有磨損，對機械零部件的分布潤滑顯得尤為重要[1]。考慮到多代理技術的分布管理特點，多代理技術發展應用到潤滑傳感架構設計，結合物聯網傳感技術，將控制器作為支路代理，末端傳感器和執行器作為感知層代理，控制器與上位機信息交互由支路代理通過CAN 總線轉TCP/IP 協議實現架構網絡通信。傳感器和執行器則通過CAN 總線信息進行傳輸。

普通潤滑系統結構不能滿足工程機械的潤滑系統控制[2]，針對工程機械潤滑點多，潤滑位置很難人工操作，文中采用多代理技術設計了潤滑系統的檢測架構，分布式支路結構設計使得系統架構控制與通信更加穩定安全。潤滑傳感器檢測系統架構設計，以光敏傳感器檢測潤滑油脂為目的，第一檢測是否有潤滑油脂通過，第二檢測通過潤滑油脂量。設置每條支路代理（BranchAgent），支路代理（BAgent）與潤滑系統交互，為了更好地實現支路代理之間的協調控制，設計了傳感器代理來執行各個支路代理的指令。達到潤滑檢測以及故障報警目的，并將檢測數據傳輸到數據庫。處理器計算輸出潤滑油脂量并顯示，進行實驗數據分析。

1 多代理技術與模型建立

多代理系統由多個代理通過共同合作組成，其基本單元是代理，代理可以與其所在環境進行互動。代理由3 個功能層組成：管理和組織層、協調層以及執行層[3]。在潤滑傳感系統架構中采用多代理技術，各支路代理（BAgent）分布其中，通過信息交互協同合作以達到控制目標[4]。支路Agent 具有相對獨立的二級控制器，能夠在中央控制器獲得目標定義或質詢。在相關約束條件下，自主調控傳感器控制潤滑輸出量，而不是被指派控制[5]。在支路代理下設置傳感器代理（SensorAgent)，實現更好地控制傳感器，其中傳感器包括溫度、紅外或光敏傳感器等。支路Agent 不需要對整個潤滑系統進行全局通信交互，只對相鄰支路Agent 進行交互，具有區域性感知[6]。支路式多代理模型由支路代理（BAgent）和傳感器代理（SAgent)組成，如圖1所示。

圖1 支路式多代理模型

2 分布式架構設計

將多代理技術應用到潤滑傳感檢測系統，實現多目標同時檢測，將多代理系統與檢測系統功能進行相應設計，管理和組織層由控制層定義、協調層由通信層定義、執行層由終端檢測層定義、檢測指標和檢測內容由控制層定義，通信層傳輸、終端層執行，將檢測的數據傳輸到存儲單元，并顯示到屏幕上。將支路代理傳感檢測網絡進行交互，在分布式架構中發揮多代理技術的分散特性，各Agent 分布其中，通過信息交互協同合作以達到控制目標[7]。

在使用普通潤滑系統三級結構中，很難實現控制潤滑系統的打油效率，末端出油處沒有傳感裝置，也不能檢測是否出油和輸出油量。多代理技術的潤滑傳感檢測系統架構采用分布式架構，與傳感器檢測形成閉環。將每條支路的中間控制器作為潤滑系統Agent，潤滑系統Agent 調節各個支路輸出潤滑油脂量。代理是為了實現潤滑系統的每條支路分布輸出油脂，支路Agent 由中間板控制和接收潤滑系統的指令[8]，各支路利用支路Agent 調節出油量，并經過傳感器檢測反饋各支路的調節情況。

2.1 傳感架構框架

架構框架設計組成：用戶層、控制層、通信層、終端檢測層，獨立的存儲單元設計使得數據傳輸更加安全可靠。架構框架如圖2所示。

圖2 傳感架構框架

用戶層：可對整個通用架構進行啟動、暫停、恢復、停止的操控。同時，用戶可在該設計層進行人機交互界面的設計，使得架構功能更加齊全。

控制層：將用戶層定義的功能特性分解到邏輯模塊（傳感器、控制器、執行器）中，然后創建基于功能的通信關系。控制層包括控制板（內置于中央控制器）、中間板（內置于分部控制器）和監測板（內置于傳感器），控制板和中間板通過總線和監測板相連。

通信層：潤滑傳感網絡采用J1939 協議通信，J1939 是一種能夠支持多個通信節點之間高速通信的閉環控制網絡，以CAN 總線作為通信網絡的核心。CAN 協議的一個重要優勢是其廢除了傳統站址編碼的編碼方式，用通信數據塊編碼作為編碼方式[9]。該編碼方式的優點在于理論上不限制網絡節點的數量，只要數據塊足夠，就可以無限設置網絡節點[10]。

終端檢測層：采用基于J1939 協議的CAN 總線結構，完成監測端信號的上傳，傳感器采用紅外或者光學系統，時刻檢測潤滑脂流動情況，并將檢測信號傳輸給內部MCU 控制器內，控制器接收并處理后，采用中斷或者輪詢方式送入總線，按照J1939 協議，并在顯示屏上實時顯示監測情況。

存儲單元：主要記錄每次潤滑系統工作的時間和潤滑總量以及系統故障報警，可作為數據采集以及數據處理的數據庫進行調用。

2.2 結構設計與分析

可裁剪結構是指根據潤滑系統所需支路數量進行自由剪切的結構，如圖3所示，根據J1939 協議規定，每個節點在進行報文傳送前，都必須先進行地址聲明[11]。以傳感器的數量設置網絡節點，對所需每條支路進行地址聲明，完成系統架構的網絡通信。每條支路都設一個Agent，支路與支路之間表示各個Agent 之間的交互關系[12]。在Agent 交互組織關系所形成的網絡中，每個Agent 節點只需要與其鄰近節點的Agent 通過CAN 通信進行交互[13]，不需要去詢問中央控制器。

圖3 分布式傳感檢測網絡

根據J1939 協議以及CAN 設置網絡節點，支持傳感器檢測支路自由接入和裁剪，根據車輛構造搭建潤滑通道結構。這種分布式結構滿足絕大多數工程機械，還有一些特種車型。設置網絡節點與可裁剪支路相匹配，通過J1939 協議以滿足潤滑檢測通信與數據傳輸。這種可裁剪結構使得分布式傳感檢測網絡模式靈活智能。

代理活性分析：分布式傳感網絡控制層通過CAN 通信與支路代理進行串行執行，如圖4所示。該模式的活性取決于后續活動之間的關系。各支路代理的獨立環節與控制層直接通信[14]，相互之間不構成一個整體環節部分，則模式的整體活性只與每個單支路活性中最小的活性持平，并不會變得更小；相對于單支順序執行模式而言，其在整體上提高了活性[15]。在這種模式下，控制層協調各個支路Agent，使各個支路更好地控制輸出量的統一。

圖4 傳感網絡串行執行順序

2.3 傳感器檢測網絡設計

根據所需要的支路傳感器數量配置相同數量的數據塊并設置網絡節點，給傳感檢測裝置分配地址編號完成組網[16]。傳感器檢測網絡實現實時監測潤滑系統的末端打油情況。支路Agent 接收到潤滑系統的任務指令時，各個支路需要調節輸出油量，再通過支路Agent 控制傳感器完成油量控制和檢測，并通過控制層定義的檢測指標和內容進行數據存儲，并顯示檢測數據。

根據支路代理設計使用分數階拉曼效應檢測，傳感器采用光學系統，時刻檢測潤滑脂流動情況，并將檢測信號傳輸至內部MCU 控制器，控制器接收并進行處理。將采集的數據經過處理后得到數組，然后進行分數階FFT 操作，轉換到頻域，得到變換后的分數階域矩陣，這里包含階次P變化和變換結果，階次變化描述了信號頻率變化的范圍，變換結果得到的是能量的大小，通過設定相應門限值矩陣Xp(u0)，判斷頻率變化度，根據頻率變化情況判斷檢測結果。具體方法如下：

信號x(t)分數階傅里葉變換為：

將頻率變化度的計算結果和相應設定初始值Xp(u0)進行比對，方程如下：

其中，p1(x)給出了變化的結果，p2(x)給出了頻率變化的快慢。

檢測傳感器結構如圖5所示，探測頭采用光敏發射和接收，兩個探測頭之間固定距離為S，潤滑油脂經過兩個探測頭傳感器記錄數據并發送給處理器，根據頻率變化就可以計算在一定時間內輸出的油脂流量。

圖5 傳感器結構

3 架構實驗測試

3.1 系統通信測試

采集架構系統CAN 通信信號，CAN 通信采用110 kHz 波特率，會出現當架構系統處于110 kHz 波特率時無法正常接收的情況，系統多次發送，導致總線負載率提升，當架構系統波特率切換到250 kHz時，系統能夠正常通信，從潤滑油加注系統電源電路、CAN 總線通信、軟硬件設計3 個方面對CAN 信號通信檢測的影響及通信異常故障進行了分析。CAN邏輯分析儀讀取CAN 信號對地的檢測結果如圖6所示。圖6（a）中CAN 通信異常，圖6（b）中CAN 信號恢復正常通信。

圖6 CAN信號對地檢測

3.2 系統架構實驗與分析

在基于多代理技術潤滑傳感檢測系統架構下和普通潤滑系統結構進行實驗對比。將參數分別設置在常溫（25 ℃）、高溫（50 ℃）、低溫（-20 ℃）3 種情況下進行潤滑系統油脂輸出，傳感系統進行檢測并采集數據。測試指標輸出油量為Mg，根據表1休止時間參數，每隔一小時使用位移傳感器采集并通過處理器計算。

表1 潤滑系統監控裝置技術參數

此次測試采集次數為20 次。采集結果輸出油量Mg，進行數據繪圖并比較分析兩種架構在不同工作溫度環境下潤滑系統的輸出穩定性。

從普通潤滑系統結構下采集得到圖7，并進行分析，常溫下潤滑系統出油量波動較大，隨著工作時間的增加出油效率變低；高溫下前段時間出油多，后期直線下降直至不出油，潤滑系統停止工作；低溫下潤滑系統幾乎停止工作。

圖7 普通潤滑系統結構

圖8 基于多代理技術的潤滑傳感架構

從基于多代理技術的潤滑傳感系統架構下的數據圖形進行分析，常溫下出油量保持相對平穩；高溫下出油量有所下降；低溫下相比常溫輸出油量低，潤滑系統保持工作。

經過實驗數據分析之后，可以得出基于多代理技術的潤滑傳感系統架構在極端溫度條件下可以繼續保持工作。在支路Agent 的調度下，各個支路都保持相對穩定的輸出油量，這也驗證了支路Agent 代理之間通過協調機制聯系起來，形成自組織機制，協作完成特定功能使得基于多代理的潤滑系統傳感架構更加穩定可靠。

4 結 論

基于多代理技術設計了潤滑系統傳感檢測架構，該架構在潤滑系統的實驗測試具有穩定性和安全性。文中提出了分布式結構支路Agent，每條支路Agent 之間交互使得潤滑系統更加智能，更快速地實現潤滑系統輸出油量的控制。文中架構的實現極大程度減少了普通潤滑系統結構下油量的不可控和系統的不穩定。