風(fēng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的自適應(yīng)傳輸速率技術(shù)研究

梁雅博，邱文利，崔英英，石 磊，楊海峰

(1.長安大學(xué) 信息工程學(xué)院,陜西 西安 710000；2.河北雄安京德高速公路有限公司,河北 保定 065799)

隨著我國交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，隧道建設(shè)由2013年的960.56萬米增長到2019年的1896.66萬米，取得跨越式發(fā)展。長大隧道中，利用豎井和軸流風(fēng)機(jī)的組合，增強(qiáng)了隧道內(nèi)的通風(fēng)功能，彌補(bǔ)了射流風(fēng)機(jī)改善隧道空氣能力不足的缺陷。由于隧道內(nèi)外氣壓、煙囪效應(yīng)以及風(fēng)機(jī)所處環(huán)境中粉塵污染和熱輻射的影響，軸流風(fēng)機(jī)容易發(fā)生故障，故障引起的非計(jì)劃停機(jī)使得隧道內(nèi)氧氣濃度下降、車輛排放尾氣濃度上升，對(duì)駕駛員的人身安全產(chǎn)生了一定的影響。因此，需要對(duì)風(fēng)機(jī)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在故障初期對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維修，降低養(yǎng)護(hù)和更換成本，花小錢，省大錢。但是在老舊隧道中，風(fēng)機(jī)自檢能力差，不具備故障遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷能力，需要加裝故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

隧道中傳統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)設(shè)備采用的是有線傳輸方式。但是，有線傳輸擴(kuò)展性差，增加設(shè)備需要重新布線。而無線傳輸擴(kuò)展性比較強(qiáng)，增加設(shè)備只需要增加發(fā)射和接收模塊[1]。為了提高故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的擴(kuò)展性，減少鋪設(shè)光纖的費(fèi)用，本系統(tǒng)采用無線傳輸?shù)姆绞健５牵瑹o線信號(hào)在隧道中傳輸時(shí)，由于信道傳輸?shù)拈_放性，信號(hào)傳輸易受周圍環(huán)境的影響，抗干擾能力差。

目前，廣泛使用的無線傳輸方式為NB-IoT、4G、ZigBee和遠(yuǎn)距離無線電(Long Range Radio,LoRa)等。NB-IoT和4G依賴于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在隧道內(nèi)的偏僻地方信號(hào)質(zhì)量不佳，影響隧道數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｎ墨I(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[6]使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行隧道內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，但是ZigBee技術(shù)存在傳輸速率低和抗干擾能力差的弊端，限制了故障采集中高頻信號(hào)的傳輸。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[10]使用LoRa進(jìn)行隧道內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，驗(yàn)證了LoRa在隧道中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

LoRa通信采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠有效地抵抗多徑傳輸帶來的碼間串?dāng)_問題，具有傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾能力卓越的優(yōu)點(diǎn)。但是，擴(kuò)頻會(huì)使有限的帶寬中能夠傳輸?shù)挠杏眯畔⑦M(jìn)一步減少，因此需要傳輸盡可能小的數(shù)據(jù)量。而風(fēng)機(jī)在發(fā)生故障時(shí)，往往會(huì)在設(shè)備的多個(gè)部位產(chǎn)生高頻振動(dòng)，這使得需要采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增大，一味追求低數(shù)據(jù)量會(huì)使故障信息缺失。

本文通過自適應(yīng)傳輸速率的方式，自適應(yīng)調(diào)整傳輸數(shù)據(jù)量和傳輸速率，在減少傳輸數(shù)據(jù)量的同時(shí)有效利用現(xiàn)有頻帶，以此來平衡需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量多而帶來的傳輸帶寬有限的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

高速公路5 km以上的隧道中含有通風(fēng)豎井，豎井分為向上通風(fēng)風(fēng)道和向下通風(fēng)風(fēng)道，2個(gè)風(fēng)道彼此相互獨(dú)立。由于煙囪效應(yīng)的影響，豎井可以將隧道中的廢氣通過向上風(fēng)道排出，而軸流風(fēng)機(jī)主要安裝在豎井下的風(fēng)機(jī)機(jī)房中，可將隧道外的新鮮空氣通過向下風(fēng)道吸收進(jìn)隧道內(nèi)。隧道中，軸流風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)離隧道出口，沿著隧道進(jìn)行無線傳輸需要多個(gè)設(shè)備進(jìn)行接力，傳輸?shù)倪^程中信號(hào)干擾嚴(yán)重且資源利用率低。沿著豎井進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是信號(hào)向外界傳輸最短、最便攜的路徑。

系統(tǒng)幾何位置如圖1所示。故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括3個(gè)部分：采集模塊、中繼傳輸模塊、客戶端軟件。

圖1 系統(tǒng)幾何位置圖

① 采集模塊安裝在軸流風(fēng)機(jī)外殼上，通過磁吸安裝的方式將振動(dòng)傳感器吸附在風(fēng)機(jī)外殼上。

② 中繼傳輸模塊安裝在豎井出口處的鐵塔上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)中繼接力的功能，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。根據(jù)監(jiān)控中心的距離遠(yuǎn)近，使用定向天線或4G的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

③ 客戶端軟件安裝在隧道管理所監(jiān)控中心，通過有線網(wǎng)絡(luò)，將運(yùn)營商基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加載到客戶端軟件。客戶端軟件可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的開啟關(guān)閉、振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和日志管理的功能。

故障監(jiān)測(cè)流程如圖2所示。振動(dòng)傳感器采集到的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，變?yōu)闀r(shí)域的振動(dòng)信號(hào)。通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，可得到多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征——振動(dòng)烈度、峰峰值。根據(jù)預(yù)設(shè)的振動(dòng)烈度閾值，判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否存在異常，且僅傳輸有異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。奈奎斯特采樣定理要求，在不損失故障信息的前提下，采樣頻率要大于信號(hào)最高頻率的2倍以上，通過監(jiān)控中心客戶端反饋的信號(hào)最高頻率可確定采樣頻率。通過峰值，可計(jì)算采樣信號(hào)的量化值。由此，可計(jì)算出單個(gè)故障點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，再結(jié)合異常點(diǎn)數(shù)量，可計(jì)算出多個(gè)異常點(diǎn)時(shí)需要傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)量，以確保在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸速率大于傳輸數(shù)據(jù)量，為下一步自適應(yīng)傳輸速率提供理論依據(jù)。采集模塊用預(yù)先設(shè)定好的LoRa傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，到達(dá)中繼傳輸模塊后，使用循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)來進(jìn)行信道估計(jì)，判斷此時(shí)隧道的干擾情況，結(jié)合需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，動(dòng)態(tài)調(diào)整LoRa傳輸速率，在自適應(yīng)隧道環(huán)境干擾的同時(shí)提高頻帶利用率。監(jiān)控中心客戶端軟件接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行頻域判別，最終判定風(fēng)機(jī)故障類型。

圖2 故障監(jiān)測(cè)流程圖

2 系統(tǒng)搭建及自適應(yīng)傳輸技術(shù)

2.1 傳感器選取及安裝布局

隧道軸流風(fēng)機(jī)所在的大型風(fēng)機(jī)廠房由于受周圍環(huán)境粉塵污染和熱輻射的影響，容易發(fā)生轉(zhuǎn)子不平衡故障。通過對(duì)陜西省秦嶺終南山隧道的軸流風(fēng)機(jī)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：設(shè)備運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子不平衡故障在整個(gè)故障事件中占比較大。此外，由于風(fēng)機(jī)振動(dòng)，使得地腳螺栓容易松動(dòng)。因此，本設(shè)計(jì)主要監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子不平衡、地腳螺栓松動(dòng)故障。

本設(shè)計(jì)采用CYQ-9250一體化振動(dòng)傳感器，其頻率響應(yīng)范圍為0.01～1 kHz，測(cè)量范圍為0～100 mm/s，可測(cè)量水平或者垂直振動(dòng)，輸出為0～5 V電壓信號(hào)，安裝方式為磁座安裝，如圖3所示。

圖3 CYQ-9250振動(dòng)傳感器圖片

系統(tǒng)中共設(shè)8個(gè)振動(dòng)傳感器，傳感器分布如表1所示。傳感器位置分布示意圖如圖4所示。

表1 傳感器分布

圖4 傳感器位置分布示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共有2個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，分別安裝在圖4中9和10的位置。9號(hào)位置采集模塊采集傳感器編號(hào)為5、6、7、8的數(shù)據(jù)，10號(hào)位置采集模塊采集傳感器編號(hào)為1、2、3、4的數(shù)據(jù)。每個(gè)采集模塊集成一個(gè)LoRa模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊的主控芯片是MSP430F149單片機(jī)，其4個(gè)ADC信號(hào)通道接收4路傳感器數(shù)據(jù)，完成4路信號(hào)的采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換；串口1與LoRa模塊相連，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸；P1.0、P1.1引腳分別與LoRa模塊的MD0和MD1連接，用于切換LoRa的工作模式；P3.6、P3.7引腳分別與LoRa模塊的RXD和TXD相連，用于數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集模塊與LoRa模塊連接示意圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊與LoRa模塊連接示意圖

2.3 自適應(yīng)傳輸速率設(shè)計(jì)

軸流風(fēng)機(jī)所處的隧道環(huán)境使得數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中存在著固定的多徑效應(yīng)影響以及變化的車載設(shè)備同頻干擾、溫度影響和電機(jī)噪聲等隧道環(huán)境干擾，傳輸質(zhì)量在不斷動(dòng)態(tài)變化。由式(1)的香農(nóng)定理可知，信道的原始傳輸帶寬由于受到噪聲的影響，并不能全部用于傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生一部分損耗。由式(2)可知，采用擴(kuò)頻通信時(shí)，傳輸速率會(huì)隨著擴(kuò)頻因子的增大進(jìn)一步減少，而不同的擴(kuò)頻因子會(huì)使系統(tǒng)具有不同的抗干擾能力。根據(jù)信道噪聲情況自適應(yīng)LoRa的傳輸速率，即通過選擇不同的擴(kuò)頻因子，使擴(kuò)頻因子和信噪比相匹配，避免擴(kuò)頻因子過大而使實(shí)際傳輸速率過低。

(1)

式中：C為信息的傳輸速率；B為頻帶寬度；S為有用信號(hào)功率；N為噪聲功率；S/N為信噪比。

(2)

式中：C實(shí)際為通信時(shí)實(shí)際使用的傳輸速率；C原始為未使用擴(kuò)頻技術(shù)時(shí)的傳輸速率；SF為擴(kuò)頻因子。

自適應(yīng)傳輸速率需要先進(jìn)行信道估計(jì)，判斷當(dāng)前傳輸環(huán)境下的信道干擾情況。

本系統(tǒng)中，信道估計(jì)通過CRC碼實(shí)現(xiàn)。設(shè)被檢測(cè)的信息碼有n位，表示為

M(x)=(mn-1,mn-2,…,m1,m0)

(3)

將信息碼用多項(xiàng)式的形式表示為

M(x)=mn-1xn-1+mn-2xn-2+…+m1x1+m0

(4)

假設(shè)生成多項(xiàng)式G(x)的最高冪次為k次，則G(x)為

G(x)=gkxk+gk-1xk-1+…+g1x1+g0

(5)

將式(4)的數(shù)字序列和式(5)的生成多項(xiàng)式進(jìn)行以下運(yùn)算：

(6)

式(6)得到的R(x)即為CRC碼。將其添加到原數(shù)據(jù)M(x)后一起發(fā)送，則發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)T(x)為M(x)×xk+R(x)。

接收端收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行以下運(yùn)算為

(7)

將式(6)代入式(7)得到：

(8)

相同數(shù)據(jù)流按位異或運(yùn)算結(jié)果為0，式(8)結(jié)果為

(9)

當(dāng)沒有出現(xiàn)誤碼時(shí)，接收數(shù)據(jù)等于發(fā)送數(shù)據(jù)T(x)，可以被G(x)整除。反之，不能整除時(shí)，表示傳輸過程中出現(xiàn)了誤碼。

設(shè)Pe為10 s內(nèi)傳輸?shù)恼`碼數(shù)，Ps為10 s內(nèi)傳輸?shù)目偞a數(shù)，當(dāng)接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼時(shí)，Pe加1，通過式(10)計(jì)算10 s內(nèi)的誤碼率。本系統(tǒng)設(shè)置誤碼率閾值為10-6，當(dāng)誤碼率低于10-6時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸正常。

(10)

通過信道估計(jì)檢測(cè)信道環(huán)境后，自適應(yīng)傳輸要求根據(jù)信道環(huán)境改變LoRa的傳輸速率。

LoRa模塊在改變傳輸速率時(shí)，需要把工作模式從通信模式切換為參數(shù)配置模式。通信模式中：MD0=0，MD1=0；參數(shù)配置模式中：MD0=1，MD1=1。本系統(tǒng)中，通過程序控制P1.0和P1.1引腳輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同需求自適應(yīng)調(diào)節(jié)LoRa模塊的工作模式。

A39-T433A21D1a型號(hào)LoRa模塊的傳輸速率共有6種：4.8，9.6，19.2，38.4，50.0，62.5 kbit/s。LoRa傳輸速率的配置指令如表2所示。

表2 LoRa傳輸速率配置指令表

以C0 12 34 18 17 44為例，C0用于設(shè)置參數(shù)掉電保存；12 34是模塊地址；18用于設(shè)置模塊串口速率、無線空中速率；17是模塊信道；44用于設(shè)置模塊無線喚醒方式。

LoRa傳輸速率配置流程：① 將LoRa的工作模式從通信模式切換到參數(shù)配置模式；② 單片機(jī)向LoRa模塊發(fā)送參數(shù)配置指令，修改傳輸速率；③ 將LoRa的工作模式從參數(shù)配置模式切換到通信模式。程序如下：

P1OUT|=BIT0； //P1.0引腳輸出高電平

P1OUT|=BIT1； //P1.1引腳輸出高電平

Send_Byte(C0 12 34 1A 17 44)；//進(jìn)行參數(shù)配置

P1OUT^=BIT0； //P1.0引腳輸出低電平

P1OUT^=BIT1； //P1.1引腳輸出低電平

根據(jù)信道環(huán)境以及第3節(jié)計(jì)算的傳輸數(shù)據(jù)量，選擇合適的傳輸速率，傳輸速率既要滿足信道環(huán)境，又要有充足的帶寬傳輸數(shù)據(jù)。第3節(jié)計(jì)算得出系統(tǒng)有異常時(shí)，單個(gè)傳輸點(diǎn)的數(shù)據(jù)量為28 kbit/s。傳輸速率選擇方法如表3所示。

表3 傳輸速率選擇方法

經(jīng)過實(shí)際環(huán)境測(cè)量，LoRa選擇38.4 kbit/s的傳輸速率在隧道中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，誤碼率小于閾值10-6。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為陜西秦嶺終南山隧道的Flaktwoods型軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的具體參數(shù)如表4所示。

表4 Flaktwoods型軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)

在風(fēng)機(jī)葉片上加裝墊片，以模擬轉(zhuǎn)子不平衡故障；人為松動(dòng)地腳螺栓，以模擬地腳螺栓松動(dòng)故障。運(yùn)行風(fēng)機(jī)，通過振動(dòng)傳感器采樣風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)。風(fēng)機(jī)不同振動(dòng)故障信號(hào)原始波形如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)不同故障振動(dòng)信號(hào)原始波形

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行頻域分析，風(fēng)機(jī)不同故障頻譜如圖7所示。以幅值大于0.02 mm·s-2為門限值，風(fēng)機(jī)的地腳螺栓松動(dòng)故障和轉(zhuǎn)子不平衡故障的信號(hào)最高頻率為1.7 kHz。因此，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，將采樣頻率設(shè)置為4 kHz。不同故障類型的振動(dòng)信號(hào)的取值范圍為-0.50～0.50 mm·s-2，將量化值取小數(shù)點(diǎn)后2位，傳輸時(shí)僅傳輸符號(hào)位和小數(shù)點(diǎn)后的值。在接收端補(bǔ)上小數(shù)點(diǎn)前的0和小數(shù)點(diǎn)，此時(shí)，一個(gè)采樣點(diǎn)的量化值用6個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)符號(hào)位表示，單個(gè)傳輸點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為28 kbits。為了保證故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，信號(hào)傳輸?shù)淖畹退俾市枰_(dá)到28 kbit/s。而一個(gè)LoRa模塊傳輸?shù)膫鬏斔俾蕿?.8～62.5 kbit/s，不能將4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)全部上傳，因此需要通過振動(dòng)烈度選擇其中數(shù)據(jù)異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行故障判斷。

圖7 風(fēng)機(jī)不同故障頻譜圖

4 結(jié)束語

采用自適應(yīng)傳輸速率的方式，在減少傳輸數(shù)據(jù)量的同時(shí)有效利用現(xiàn)有頻帶，解決了傳輸帶寬對(duì)采樣頻率的限制問題，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足隧道風(fēng)機(jī)故障診斷的數(shù)據(jù)要求。相比于先前研究者使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行隧道內(nèi)低數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸，筆者提出的方法可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量達(dá)到了2.8 kbits，實(shí)現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)量的提高。目前，僅從傳輸速率的角度進(jìn)行了研究，未來的研究方向?yàn)閺臄?shù)據(jù)編碼的角度縮減傳輸數(shù)據(jù)量，以便能夠提高采樣頻率。從應(yīng)用的角度來看，本文為風(fēng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一種抗干擾的無線傳輸方式，在隧道中風(fēng)機(jī)管理方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。