基于云計(jì)算FFT的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏云鵬

摘 ?要：FFT（Fast Fourier Transform）即快速傅里葉變換，它是一種基于時(shí)域—域頻來(lái)回轉(zhuǎn)換、分析的基本算法。在當(dāng)前，基于云計(jì)算的FFT機(jī)械故障診斷方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的深層次頻域分析，已經(jīng)成為故障排查的最重要手段之一。本文中就3個(gè)方面詳細(xì)介紹了基于云計(jì)算FFT的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算FFT;機(jī)械故障診斷系統(tǒng);設(shè)計(jì);功能實(shí)現(xiàn);振動(dòng)數(shù)據(jù)處理

在針對(duì)機(jī)械故障的診斷過(guò)程中，利用云計(jì)算FFT可進(jìn)行高速運(yùn)算（達(dá)到106點(diǎn)的運(yùn)算），其運(yùn)算效率非常之可觀。而在針對(duì)FFT進(jìn)行并行化處理過(guò)程中，則需要對(duì)其技術(shù)支持的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行深度分析，對(duì)其中可能存在的海量振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，展開(kāi)快速傅里葉變換算法正確計(jì)算操作。

一、基于云計(jì)算FFT的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)計(jì)算處理

在針對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理過(guò)程中就要利用到云計(jì)算FFT快速傅里葉變換算法，它在頻域分析中優(yōu)勢(shì)較大，首先就能實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算，結(jié)合頻譜分析特征比較穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)特征，該算法是能在工程領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用的。當(dāng)然，云計(jì)算FFT并非是創(chuàng)新算法，它屬于快速傅里葉變換算法中的一個(gè)分支，即離散傅里葉變換（DFT）算法的分支，但它的計(jì)算應(yīng)用高效，DFT與FFT在本質(zhì)上是基本趨同的[1]。

就針對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的計(jì)算處理過(guò)程來(lái)看，F(xiàn)FT相比于DFT算法更加簡(jiǎn)便，如果使用FFT進(jìn)行計(jì)算可加速信號(hào)從時(shí)域到頻域的快速轉(zhuǎn)變，確保FFT算法將振動(dòng)數(shù)據(jù)以頻域形式完整展示出來(lái)，提取振動(dòng)數(shù)據(jù)主要特征，如此就能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備故障的有效診斷。比如說(shuō)，目前可利用云計(jì)算FTT算法對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行傅里葉快速轉(zhuǎn)換，以求獲得連續(xù)的頻域信號(hào)，這是常規(guī)計(jì)算機(jī)所無(wú)法做大的。在針對(duì)時(shí)域進(jìn)行采樣過(guò)程中，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻域信號(hào)的快速采樣，如此獲得離散時(shí)間范圍內(nèi)的DFT時(shí)間信號(hào)結(jié)果，通過(guò)FFT提升DFT計(jì)算速度，所以說(shuō)FFT在本質(zhì)上與DFT區(qū)別不大。目前比較常見(jiàn)的FFT算法當(dāng)屬-2FFT算法，該算法針對(duì)信號(hào)序列長(zhǎng)度N提出了具體要求，它要求N=2m（m為整數(shù)），在基于時(shí)域信號(hào)長(zhǎng)度的分析中可以了解到m應(yīng)該為2的整數(shù)次冪。在云計(jì)算FFT操作過(guò)程中，可利用信號(hào)補(bǔ)齊手段來(lái)滿足時(shí)域信號(hào)不充分情況，實(shí)現(xiàn)信號(hào)末尾補(bǔ)零。計(jì)算中要建立時(shí)域信號(hào)長(zhǎng)度為N=2m的序列，即x（n），這一序列需要按照n的奇偶性進(jìn)行分成處理，分別建立兩組短序列，保證每個(gè)序列的長(zhǎng)度應(yīng)該為N/2。

二、采用云計(jì)算FFT計(jì)算處理機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的功能性需求

要采用云計(jì)算FFT計(jì)算處理機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，滿足機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的諸多功能性需求，同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)性能與用戶體驗(yàn)。比如說(shuō)在建立云計(jì)算FFT用戶管理模塊過(guò)程中，用戶管理模塊可提供系統(tǒng)登錄鑒權(quán)功能，并實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理與信息修改，滿足不同角色用戶的登錄鑒權(quán)要求。最重要的是它可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理，大量采集獲得機(jī)械振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)，并篩選其中的一些噪聲信號(hào)（包括周期性干擾信號(hào)），降低云計(jì)算FFT計(jì)算背景下的不規(guī)則干擾信號(hào)內(nèi)容。因此在對(duì)所采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理過(guò)程中，需要提高信噪比，真實(shí)還原系統(tǒng)實(shí)際狀況，深度了解機(jī)械振動(dòng)信號(hào)并采用正確處理方法加以應(yīng)對(duì)[2]。

三、基于云計(jì)算FFT的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與功能實(shí)現(xiàn)

在利用云計(jì)算FFT對(duì)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理過(guò)程中，它需要提出具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，滿足信號(hào)處理功能需要，下文主要介紹3點(diǎn)。

（一）用戶管理模塊的設(shè)計(jì)方案與功能實(shí)現(xiàn)

在用戶管理模塊設(shè)計(jì)中，需要首先確保系統(tǒng)用戶身份正常登錄，體現(xiàn)其可認(rèn)證功能有效性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要做好用戶管理模塊，該模塊的主要功能就是保證用戶登錄驗(yàn)證正常，在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)用戶名，確保加密密碼、權(quán)限等級(jí)等關(guān)鍵信息正確默認(rèn)，杜絕密碼泄漏為系統(tǒng)安全帶來(lái)各種風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)方案中需要采用信息摘要算法，主要對(duì)用戶密碼進(jìn)行加密處理。在數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)成功過(guò)程中，需要獲取用戶權(quán)限，記錄用戶登錄情況，保證用戶管理模塊建立記錄用戶訪問(wèn)狀態(tài)體系。在這一過(guò)程中采用session保存用戶信息，同時(shí)驗(yàn)證本機(jī)在執(zhí)行操作過(guò)程中的系統(tǒng)登錄情況。如此設(shè)計(jì)不但可滿足機(jī)械振動(dòng)信號(hào)正常處理，同時(shí)也可以節(jié)約大量服務(wù)器資源，提高用戶體驗(yàn)[3]。

（二）振動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)方案與功能實(shí)現(xiàn)

在針對(duì)機(jī)械振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理過(guò)程中，需要首先設(shè)計(jì)分布式文件系統(tǒng)，對(duì)其中的HDFS內(nèi)容進(jìn)行分析，確保其讀取原始振動(dòng)數(shù)據(jù)，配合“五次三點(diǎn)平滑法”處理方法，主要對(duì)原始振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)施針對(duì)性處理，確保獲得處理數(shù)據(jù)結(jié)果并存儲(chǔ)于HDFS之中，主要用于FFT并行計(jì)算過(guò)程。其設(shè)計(jì)方案與功能實(shí)現(xiàn)具體如下：

首先要明確設(shè)計(jì)方案核心內(nèi)容，即對(duì)原始振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分片設(shè)計(jì)，分片設(shè)計(jì)的基本原則就是結(jié)合原始振動(dòng)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度N實(shí)施針對(duì)性調(diào)整，以求獲得等間距的5個(gè)數(shù)據(jù)，并全部存儲(chǔ)于key list中，分析list鍵值，對(duì)鍵值中的preproInitRDD元素進(jìn)行分析，建立5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合獲得三次曲線，再明確三次曲線的具體位置。在這一過(guò)程中，主要要對(duì)設(shè)計(jì)方案中的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行分析調(diào)整，計(jì)算獲得平滑處理數(shù)據(jù)以及不同振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的key值，最后建立振動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理RDD轉(zhuǎn)換流程，正式處理機(jī)械振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)。

（三）故障診斷模塊的設(shè)計(jì)方案與功能實(shí)現(xiàn)

在故障診斷模塊設(shè)計(jì)方案中，需要建立FFT并行處理子模塊以及分類(lèi)子模塊，結(jié)合兩部分模塊形成故障診斷系統(tǒng)核心，以展開(kāi)大量運(yùn)算過(guò)程。

在設(shè)計(jì)故障診斷模塊過(guò)程中，需要首先將頻譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到HDFS中，配合FileReadFromHdfs對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，設(shè)計(jì)建立核心代碼圖，主要對(duì)頻譜數(shù)據(jù)中的軸承頻譜、單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端頻譜、風(fēng)扇端軸承頻譜進(jìn)行全面分析，并逐一列出分類(lèi)樣本。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要建立libsvm分類(lèi)功能體系，彰顯其較好的通用性，在這一過(guò)程中就要選取libsvm來(lái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)分析，確保建立“一對(duì)一”多分類(lèi)設(shè)計(jì)方式，形成libsvm分類(lèi)器，并在它旗下再構(gòu)建3個(gè)子分類(lèi)器，調(diào)用libsvm.jar工具包并實(shí)施有效分類(lèi)，找到最優(yōu)參數(shù)內(nèi)容，確保單個(gè)子分類(lèi)器核心代碼設(shè)計(jì)到位。在功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，要?jiǎng)?chuàng)建訓(xùn)練樣本，其格式應(yīng)該如下：

Label1 index1：value1 index2 value2……

在上述格式中，label為標(biāo)記、index為特征、value為特征率，結(jié)合部分量化樣本截圖分析訓(xùn)練樣本中機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的特征頻率，即利用FFT計(jì)算數(shù)據(jù)稀疏度度[4]。

總結(jié)：

在當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等等技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，基于云計(jì)算FFT的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)方面也希望追求實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻域分析，建立快速傅里葉變換算法，設(shè)計(jì)各種模塊對(duì)每一級(jí)算法過(guò)程進(jìn)行細(xì)致化設(shè)計(jì)，確保針對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的處理準(zhǔn)確到位，不斷提高機(jī)械故障診斷水平。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王鑫， 曹興強(qiáng). 一種智能化卷煙設(shè)備機(jī)械故障自診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇， 2019， 018（012）：43-44.

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