基于仿射传播聚类的栏杆机故障智能诊断方法.pdf

交|通|工|程基于仿射传播聚类的栏杆机故障智能诊断方法聂杰雄（广西新发展交通集团有限公司，广西南宁5 30 0 2 9）摘要：传统栏杆机的故障诊断和运营维护大部分由人工进行，劳动效率低，并且易受主观因素影响，在发生机电系统故障时，难以快速响应。对此，文章研究并采用仿射传播聚类方法，结合多种传感器采集的数据，对栏杆机的故障进行智能识别，建立一种针对高速公路收费站栏杆机故障的智能诊断方法。模拟测试的数据结果表明，该方法有效提高了对栏杆机装备故障的响应速度，同时仿射传播聚类方法的应用也增加了整个模型的智能化程度，可以为高速公路机电装备信息化提供参考。关键词：栏杆机；高速公路；机电系统；信息化；设备维护中图分类号：U491.5文献标识码：ADOl：1 0.1 32 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 5 9文章编号：1 6 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 1 9 0-0 20引言截至2 0 2 1 年底，中国高速通车里程有1 6.9 1 104km,位居世界第一 1,其中，广西高速公路建成里程达7 5 0 0 多km2。高速公路具有“畅通、安全、高效、舒适”的特点，成为人民群众日常出行的首选。由于高速公路规模日益增加，高速公路机电系统运营维护逐渐成为关注的重点。其中栏杆机作为高速收费入口的必备机电产品，需要全天候不间断运行，因此对其完好率与运行稳定性要求很高，运营维护作业要求故障发现快、响应需求快、维护速度快。在日常的维护与保养中，一般由巡检人员手动检测和保养，不仅拆装麻烦，维护时间长，而且维护效果因人而异，维护人员的工作状态对维护效果有很大影响。随着信息技术与智能方法的快速发展，有研究3指出：应用各种先进传感器技术、信息技术、网络技术、自动控制技术、计算机处理技术、智能决策技术等，实现公路整个寿命周期内优质高效、可控、节约的养护。因此，本文结合新颖的仿射传播聚类，以及几种传感器上传的状态数据，设计了一种能够快速、准确、智能化的栏杆机智能故障诊断流程。一旦栏杆机出现故障，通过本文提出的方法能够快速检测出来，并通过网络上传数据提示维护人员，做到对栏杆机的状态实时监测，进而为智能养护提供技术支持。1仿射传播聚类方法聚类分析是度量学习方法，即尽可能地将相似的对象划分到同一类别，不相似的对象归为不同类别。仿射传播聚类4是加拿大计算机专家一种无监督学习方法，与一般的聚类方法不同的是，仿射传播聚类同时将所有数据点视为网络中的潜在样本，并沿网络边缘传递实值消息，直到形成一组良好的样本及其对应的聚类形成。作者简介：聂杰雄（1 98 5 一），工程师，主要从事高速公路机电工程建设工作。通过将样本与最近的聚类中心的相似度之和最大化来寻找聚类中心。因此，仿射传播聚类算法的最大一个优点是，不需要事先知道类别数目。这个特性非常贴合实际应用。例如在栏杆机故障中，人们并不事先知道故障发生，也不会事先知道故障有几种类别。仿射传播聚类中各种消息的传递主要依据简单的计算方式，并以此来寻找使得能量函数E(c)达到最小的条件：E(c)=Z,S(i,ci)式中，c是i点的代表点，S（i，c i)是i点与ci点的相似度,且 S(i,ci)O。仿射传播算法中主要有5 个参数：归属度A、吸引度R、偏心度P、相似度矩阵S、阻尼入。假设样本中有两个数据点x，和xk，那么需要一个方式计算出两个样本点的相似度，即 S(i,k)。S(i,k)表示的是点xk作为点x，的代表点的概率。每个两个数据点之间都计算一个相似度值，组成相似度矩阵。本文采用欧式距离来作为相似度衡量，计算公式如下：S(i,k)=-Ilx;-xk ll2仿射传播最大的优点是不需要人为指定多少个聚类中心，因此，每个数据点x会包含有一个值S（k，k）来指导聚类中心的选择。从式(2)可以看到，当i=k时计算得到的Sk，k）越大，那么对应的样本点越有可能成为聚类的中心。其中，样本点的实值S（k，k)设置为偏心度P。为了使算法对所有样本点一视同仁，每个样本点的偏心度P应该设置为相同的值，可以通过人为控制P值来进一步控制聚类得到的结果。仿射传播聚类最重要的内容就是开发了一种在多个数据点之间的消息传递模式，如图1 所示。每个数据的消息都会不断地进行仿射传播，同时在不断迭代后更新中搜索寻找自己的归属类别。例如：数据点x，对数据点xk的归属度A（i，k）表示的是，在有另一个数据点x；的情况下，数据点x；选择xk作为相同类别的归属强度量化值。同理，数据点xk对数据点x；的吸引度R（i，(1)(2)190西部交通科技VemiemcainsCommunications Science&Technology基于仿射传播聚类的栏杆机故障智能诊断方法/聂杰雄k)也表明了对于点xk、点xk成为数据点x；聚类中心的吸引强度。候选类代表点x想成为类代表点的一个数据点x！A(i2,kR(i.k)A(i.k想成为类代表点A(i.k1)支持数据点x一的一个数据点X成为类代表的A(i,k2)数据点x数据点x数据点x（a）吸引度R传递过程（b）归属度A传递过程图1 A和R消息的传递示意图A和R的计算如式(3）、式(4)所示：A(i,k)=min(0,R(k,k)+Zr,te i.k)max(0,R(i,k)R(i,k)=S(i,k)-max(A(i,k)+S(i,k)在消息A和消息R相互传播的过程中，有很大概率产生数据震荡，使得算法不收敛，难以获得稳定的聚类结果。因此，本文提出用户应该在算法运行过程中加入一个重要的参数入来防止上述情况，这个入被叫作阻尼。为了防止上界和下界的不收敛行为，本文将入取值设置在 0，1之间。因此，将该方法运用到实际中时A和R再加上阻尼入后的实际计算方式如下：Arew(i,k)=Aold(i,k)+(1-)Aola(i,k)Rnew(i,k)=入Rold(i,k)+(1-)Rold(i,k)值得说明的是，仿射传播方法是一种先进的机器学习方法，其不需要预定太多的参数，并且在各种场合中具有良好的鲁棒性。因此本文选择将其应用在高速公路栏杆机的故障诊断中，提高机电系统的智能化程度。2基于仿射传播聚类法的栏杆机智能故障诊断流程本文提出的栏杆机故障诊流程如图2 所示。（1)利用传感器采集多种栏杆机状态信号，采集的信号可以是电流信号、电压信号、栏杆机振动信号等。具体的信号类别根据实际情况可以适当改变。(2)由于栏杆机的故障可以更清晰地表现在原始信号的特征空间中，因此，对采集到的状态信号进行特征提取。本文采用的数值如表1 所示。表1 中的x(n)是采集到信号的时间序列,n=1,2,N，N是离散的信号点数。特征提取后，将信号截断分成多个样本,组成表示栏杆机状态的样本。（3)送入仿射传播聚类算法对栏杆机进行状态识别。如果出现异常，那么就将异常信息报警并发送给运营维护人员；如果没有异常，那么整个流程继续进行。表1 本文采用的数值统计特征表特征名称特征表达式均值Fm=ZNx(n)/N候选类代表点x标准差值R(il,k)均方根峰峰值支持数据点x一成为类代表的数据点(3)k.k+k(4)(5)(6)Fsd=VZN(x(n)-Fm)/NFms=VZNx(n)/NF,=max/x(n)I波形指标Fs=Fm/2N/x(n)/N采集栏杆对信号特开始机多种状态信号NO结束输出异常YES结果是否出报警操作现异常？图2栏杆机智能故障诊断流程图3应用实例为了验证本文提出的栏杆机故障诊断方法的有效性和优越性，采用了广西某高速公路收费站入口栏杆机做实验。将一个栏杆机内部电路破坏，但是根据该型号栏杆机设计，其备用线路还能工作5 h，5 h 之后就会报警。采用本文提出的方法来快速发现这种类型的栏杆机故障，与不采用该方法的人工巡检发现该故障的效率进行对比。本文将提出的算法嵌入在一个工业控制机中，采集到的各种数据送入工控机中进行处理，包括特征提取、样本组建以及仿射传播聚类的实现。如果出现异常，工控机则会输出一个故障信号，起到提示使用者的作用。采用加速度传感器获得振动数据，电压传感器获得电压数据，霍尔传感器获得电流数据，如图3所示。按照图2的步骤，这些原始数据将进行特征提取，然后送入仿射传播方法进行诊断，得到的诊断结果如后页图4所示。除此之外，还对本次实验的时间进行了对比，发现采用本文提出的故障诊断流程，在1 0 min之内就发现了栏杆机的故障，而原始的人工巡检方式，需要等到5 h栏杆机无法使用时才能发现。可以看到，本文提出的方法可以极大提高栏杆机的故障诊断效率。(V）影花10020000()系0.020.020组建多个征提取栏杆机状态样本送入仿射传播聚类振动数据100200100200100200300图3栏杆机状态数据示意图300300400电压数据400500电流数据400500600采样数据点个数500600600700700700（下转第1 98 页）8008008009009009001000100010002023年第8 期总第1 93期1 91交通工程建议将灵山至陆屋航道提升为三级航道纳入平陆运河规划体系进行布局，适时启动开展航道前期工作。3平陆运河（灵山段）综合交通规划建设存在的问题分析3.1部分现有需修复重建的道路桥梁因运河建设影响未纳入工可事项未纳入工可事项的大桥有：沙坪镇七里村长春麓大桥、Y382旧州镇石柱小学大桥和Y369旧州镇民主文子坳大桥。平陆运河建成后，将两边土地一分为二，将会严重影响运河沿线群众的日常生产生活、农田耕作、学生上学等，也给地方行政管理造成一定的困难。因此，建议在群众经常需要过河的地方或参照高速公路做法每隔一定距离建设过河通道，在原有道路被切断的地方建设过河桥梁，把运河建设对群众的影响降到最低限度。建议考虑再增设三座跨河大桥。3.2灵山县提出的大部分项目未纳入运河建设方案对于灵山县经济发展急需的项目，如陆屋环城一级公路及跨河大桥项目（建议增加)，对疏导陆屋港进出车辆，缓解陆屋城区交通压力具有重要意义，需要尽快启动项目前期工作，建议相关部门积极加强与上级沟通对接，争取列入相关产业规划，或通过打包、PPP等形式纳入港口、工业园区等吸引社会资本参与建设，减轻灵山县财政压力。+3.3交通基础设施建设资金缺口较大普通公路建设融资渠道单一，争取建设资金办法不多，项目资金压力较大。随着建设材料、人工工资的大幅度上涨，国家下达的地方交通基础设施建设资金补助不多，地方政府因财力薄弱大部分无法配套建设资金。故平陆运河沿线未纳入平陆运河规划建设的集散路网工程项目还需争取上级部门的大力支持。4结语综上所述，平陆运河以是发展航运为主，兼顾供水、灌溉、防洪、改善水生态环境等，是连通西江航运干线与北部湾国际枢纽海港，积极做好灵山段综合交通规划建设能够促进灵山县港口、集散路网的进一步完善，使灵山县快速进入向海发展的快车道。参考文献门白金发.宋周游.新中国成立以来的第一条运河，正式立项！J.珠江水运,2 0 2 2(6)：1 9-2 1.2灵山县交通运输局.灵山县平陆运河规划建设情况专题调研报告 Z.2022.3灵山县交通运输局.灵山县综合交通运输“十四五”发展规划 Z.2022.收稿日期：2 0 2 2-1 0-2 0+(上接第1 91 页）105F0-5H-15-20F-25-30F-35图4栏杆机故障诊断结果的可视化示意图4结语随着交通建设的逐步推进，高速公路里程数快速增加，相应的高速公路机电系统规模越发庞大。本文提出了一种基于仿射传播聚类算法的栏杆机智能故障诊断方法，并用实际栏杆机进行了实验测试。测试结果表明，仿射传聚类能够快速发现栏杆机故障的异常，同时具有准确、高效的特点，仿射传播算法的引入，提高了整个诊栏杆机故障诊断结果断模型的智能化程度。随着科技的进步，大量新技术、新装备、新方法被引入到高速公路机电装备中，本文提出的方法可以作为高速公路机电装备信息化和智能化的一正常状态下的栏杆机样本个良好范例。采用新一代信息技术结合机电装备的运营口故障状态下的栏杆机样本-20-15第1 个维度维护模式，是智能运维发展的必由之路。参考文献们田时沫，李潭峰，袁春毅，等.国家高速公路交通需求现状特征及趋势分析 J.现代交通与冶金材料,2 0 2 2,2(3)：18-26.-10-502林泽华，刘陈鸿，秦丹.广西高速公路网规划生态敏感性研究 J.西部交通科技，2 0 2 2(6)：48-5 0.3王伟杰，黄康辉，何能斌，等.自动栏杆机故障自诊断及智慧管养系统 J.中国交通信息化，2 0 2 2（S1)：2 5 0-2 5 3.4许文竹，徐立鸿.基于仿射传播聚类的自适应关键顿提取J.计算机科学,2 0 1 0,37（1):2 6 8-2 7 0.收稿日期：2 0 2 2-1 1-2 0198西部交通科技 WesiemnchinsCommunications Science&Technology