機械設備故障診斷云服務研究

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摘要：為了提高工廠效率，對設備測點故障進行專業的診斷，利用故障診斷云系統完成故障信息的檢測與收集，實現專家資源共享。用MySQL進行數據庫的搭建，形成若干測點設備、車間、工廠和云端的數據共享；利用Java進行前后端的搭建，建立人機交互，遠程監測，獲取數據及診斷故障。設計一套基于JavaWeb的故障診斷云服務系統，該系統主要特點是將傳統故障診斷與云平臺相聯系，將設備振動數據實時存儲在云數據庫，并通過云平臺以圖形化形式呈現給用戶，從而實時監控企業機械設備的運行狀態。

關鍵詞：故障診斷；云數據庫；專家系統；設備遠程故障診斷中心；診斷架構

1研究內容

研究在適應互聯網＋的新生態下的云端儲存，本文研究的主要內容是機械設備的云診斷系統的搭建。研究的對象包括：設計基于云存儲的智能設備故障診斷系統。故障診斷系統的所有分析和存儲任務將在云端完成。然后，云端通過網絡將處理后的結果返回給用戶，這種方法具有低成本和強大的可擴展性兩個特點。系統傳感器用作數據輸入，以將所有數據同步到云平臺，包括振動、溫度和其他收集的數據、數據處理和顯示，并提供被測設備的運行狀態檢測。設計云端數據庫并實現與云端數據庫的連接。通過登錄本系統的云平臺主界面，用戶可以實時查看某一測點的時域波形、頻域波形、包絡時域波形、包絡頻域波形，以及該測點振動烈度值及其超標時的報警信息，同時還可以查看系統的報警歷史記錄。

2目的意義

隨著故障診斷技術和互聯網技術的不斷發展，故障診斷與云計算的結合勢必成為未來行業的發展趨勢。如今，隨著企業設備的管理逐漸智能化，故障診斷技術在設備的穩定運行和企業安全生產中具有很高的地位。其中，故障診斷行業的數據越來越復雜，傳統的診斷方法已經不能滿足故障診斷行業的效率要求。傳統的故障診斷方法存在很多缺點，如數據存儲效率低、存儲不容易、容易出錯、數據共享不便、故障檢測不及時等。因此，開發基于Ja-vaWeb的故障診斷云系統具有符合現代互聯網發展的要求。

3國內外研究現狀分析與評價

3．1研究現狀。不同于局限于有限資源的個人電腦，云計算為用戶提供了一種全新的模型來使用計算資源。云計算使人們可以輕松，快速地使用遠程即云端服務器。計算資源的位置稱為云，輸入／輸出設備稱為云終端。終端是我們控制云的工具，云位于“遠處”（與實際所在地無關，需要通過網絡進行控制），兩者通過計算機網絡連接。云終端與云之間是標準的C／S模式，即客戶端／服務器模式———客戶端通過網絡向云發送請求消息，然后云處理該請求并將結果返回給客戶端［1］。隨著科技的不斷進步，互聯網迎來了快速發展的時代，企業為滿足用戶的全新需求提出了新的考驗。以Amazon在2006年3月13日的S3服務為起點，到2008年“云計算”的概念被Google提出來，如今其發展已經經歷了數個互聯網發展浪潮，從鮮為人知到被人們所接受，再到大眾的積極傳播，它正經歷著如日問中天的發展。此前，當云計算的概念還未被大眾熟知和認可時，其帶來的經濟及技術效應已經成為了IT業界、媒體傳播渠道，乃至所有涉及IT信息化、政府宏觀規劃、國民生計的各大行業關注的焦點。與此同時，一些基于云服務的商業模式與解決方案應運而生［2］。中國在云計算的部署規模，技術創新及商業模式中得以迅猛發展的三大因素在于：其一，中國互聯網用戶的數量龐大，信息終端普及率很高；其二，企業和消費者對IT技術的理解和接受度很高；其三，政府對云計算行業的大力支持以及帶寬中國戰略的大力發展。各種“云計算”應用程序服務的范圍正在擴大，對大數據處理的需求也在擴大。目前國內外的很多企業都開發了關于“云”的服務平臺。比如，國外有國際商業機器中心（IBM）的“IBMCloud”、Amazon的“（EC2、S3）”、Salesforce的“CRM”等等，國內的云平臺有阿里巴巴公司的“阿里云OSS”，騰訊公司的“CEE”、華為公司的“華為云”等等。美國加州大學計算機領域的導師們帶領他們的組員們開發研究“Amazon”的“EC2”和“S3”出來的“Eucalyptus”，澳大利亞墨爾本大學的Buyya教授帶來的團隊中研究的“云計算技術仿真模擬器C1oudSim”。這種類似的研究極大地促進了云技術的發展，并成功地將云計算方法與醫療、衛生、教育、制造業、政府、模塊、金融業、交通和農業相關領域相結合，從而促進了云計算平臺的發展。隨著Internet技術的快速發展，大量新技術已開始用于遠程診斷系統。例如，歐洲開發的DAME系統將網格技術應用于飛機發動機故障診斷，為了使系統更快地發現異常數據信號，系統將飛機發動機傳感器的數據快照與模型進行比較。國內的合肥工業大學對網格技術和遠程故障診斷相結合的故障診斷系統進行了深入的分析和研究，并提出了故障診斷網格中的任務調度架構。通過仿真軟件驗證了該方法的可行性；上海交通大學對基于服務導向架構的設備故障診斷系統進行了大量研究，并開發了一套基于SOA的在線故障診斷系統。該系統可以充分利用現有的故障診斷系統來滿足各種要求。樣品設備的診斷要求已經實現了各種診斷資源的結合。該項目利用云計算的構架來設計基于云端的故障診斷系統架構。云計算技術被應用于機械故障診斷系統，以提高故障診斷的穩定性。3．2分析及評價。在IT行業中，也存在著和摩爾定律相似的現象，存在一個以15年為的周期現象。從1966年到可預見的未來，它可以分為6個周期。每個周期的熱門技術如下：1966～1980是大型機時代，1981～1995是個人計算機時代，1996～2010是互聯網時代，2011～2025是云計算時代，2025～2040是人工智能時代。每個周期都是基于前一個周期的產品。可以看出，在21世紀，技術熱點的迭代是非常迅速的，但這并不意味著前一個周期的產品將消失。當前的云計算正處于蓬勃發展的時代。與傳統計算機不同，云計算引入了一種使用云端資源進行計算的新模式，該模式可以快速響應，所需的管理工作較傳統模式少了許多，與傳統客戶相比交互最少。云計算的概念是較難定義的，但其在基礎架構服務級別的應用更加具體和生動，即云存儲。云存儲是使用云計算技術來部署和部署可用計算資源的新一代計算模型。

4研究技術路線及基礎架構設計

4．1研究的技術路線。系統分為硬件和軟件兩部分，硬件部分主要實現振動數據的采集和傳輸。本系統通過傳感器來采集振動信息，然后利用LabVIEW對數據進行時域、頻域、包絡分析及振動烈度計算，并把數據實時上傳至云服務器。軟件部分就是利用Java進行Web前端開發、數據庫設計、服務器端與瀏覽器端數據通信方式設計、在瀏覽器端呈現從云端數據庫獲取的各個測點數據，以及云服務器的搭建等。采集的數據可以作為大數據分析的基礎數據庫，用于歷史查詢故障診斷。系統總體結構如圖1所示。圖1云服務故障診斷系統結構云終端是整個故障診斷云服務系統設計和研究的重點。它負責與客戶和云服務中心建立聯系。云終端與企業設備之間的通信通過作為轉移站的云數據庫完成。傳感器實時收集企業設備的振動數據，并將其實時傳輸到云數據庫。云終端實時讀取數據庫的最新振動數據，并以圖形形式在云終端上顯示；云終端與云服務中心之間的通信通過網絡連接。該設計的重點是云終端的設計。云終端將客戶請求發送給云服務中心，并根據用戶請求的內容進行處理，并將處理后的結果返回給瀏覽器。云終端的結構設計如圖2所示。云服務故障診斷系統具有以下功能：1）故障診斷功能。振動強度值用作設備故障的量度。傳感器測量軸承診斷數據并對其進行處理后，使用振動標準（ISO2732）確定軸承的安全狀態。當振動強度值異常時，啟動報警功能，并及時通知用戶。對于故障診斷，用戶可以根據振動趨勢分析圖上的國際振動強度標準，在頁面上調整報警線。診斷完成后，診斷人員將上載診斷報告，并且可以通過云終端修改傳感器參數。客戶可以下載診斷報告，了解故障原因，并根據診斷報告積累診斷經驗。用戶還可以實時查看系統監視點的原始信號，包絡時域信號和包絡頻域信號圖。2）系統權限管理。系統身份認證包括普通用戶和管理員，其中管理員包括診斷人員。普通用戶登錄系統時需要驗證其身份，并且可以登錄系統進行操作。管理員還需要驗證身份，以確保系統的安全和穩定，以防止外部用戶登錄到系統。管理員用戶可以在后端系統中添加、刪除和修改操作，例如工廠、車間、設備和監視點。3）歷史報警記錄查詢功能。云終端提供歷史數據查詢功能，根據用戶的查詢條件，可以從云數據庫中提取滿足要求的數據并顯示給用戶。具體來說，云終端需要完成系統管理、后臺系統管理和診斷管理三個功能。具體功能模塊圖如圖3所示。安裝在設備上的傳感器采集振動的信息，然后由LabVIEW設計的數據處理系統對數據進行時頻域等的分析處理，把數據上傳至云服務器。云終端實時從數據庫拉取最新的數據，顯示在客戶端，用戶可通過云終端與云服務中心交互，完成各種操作，比如查看設備的運行狀態以及歷史數據等。本項目在整體系統研發的基礎上主要完成軟件部分設計。云終端負責與企業設備和云服務中心通信，客戶通過網絡中心與云服務中心通信。云服務中心負責存儲所有數據以及數據的共享，并且數據存儲在云服務中心不必擔心數據丟失問題。本項目的重點在于云終端的設計，云終端把客戶請求發送到云服務中心并且根據用戶請求的內容，進行相應的處理。云服務中心通過網絡中心與機械設備相連，用戶通過互聯網與云服務中心交互。4．2基礎架構設計。系統要實現哪些功能，如果選對方法則事半功倍。期間不僅要考慮預期過程，還要考慮預期結果，以及這種方法帶來的副作用，比如數據傳輸，采用哪種通信方式、哪種數據格式、數據怎么顯示出來、數據怎么存儲、數據庫怎么設計等等，一系列問題都要考慮進去。本項目開發是基于云服務的機械故障診斷，云平臺界面的開發是基于Java進行Web開發的，采用的框架是SSH，整體思路是MVC模式，該框架的好處就是開發過程層層分明，功能模塊與顯示模塊既分離又相互耦合，而且程序有很強的擴展移植性，系統Ajax技術進行服務器與客戶端的數據傳輸。Eclipse是目前使用Java進行Web開發最好的一款開發環境，由于其容易糾正編程錯誤、進行代碼自動裝配快等特點，一經推出就廣受歡迎。數據庫選擇的是MySQL，其開源，適合中小型企業，與MySQL相關的開發工具也是開源。數據傳輸格式采用的是JSON格式，JSON擁有簡介清晰的數據格式，易于解析也容易生成，有利于提高網絡傳輸速率，并且數據可視化插件Echart通常數據輸入的也是JSON格式。本文為數據庫使用關系數據模型。數據結構是一個二維數據表，每個二維表是一個關系。關系數據模型具有清晰，簡單和易于理解的數據關系的特征。關系數據庫是在嚴格的數學基礎上設計的，簡化了數據庫建立的復雜過程，因此可以在數據庫系統中快速廣泛地使用。數據庫設計分為六個階段。第一階段是執行系統需求分析。需求分析是為了弄清用戶的需求，清楚地了解要處理的各種對象，并進行細分，充分了解系統的工作概況，并定義系統的需求。在設計需求時，我們不僅要考慮當前用戶的需求，還要考慮當前用戶的需求。未來用戶需求的擴展。因此，我們必須考慮數據庫的長期設計，以便將來可以根據用戶的新需求修改數據庫；第二階段是概念結構設計階段。所謂的概念結構設計是將用戶需求抽象為信息結構的過程。通常，ER圖用于概念設計。每個表都被抽象為實體和屬性之間的關系。屬性已關聯。例如，本文數據庫設計中的車間表（wkshop）通過屬性（fid）和工廠表（wkshop）建立了兩者之間的關系；第三階段是邏輯結構設計；第四階段是物理結構設計。選擇最適合數據庫的應用程序環境。在設計物理結構時，必須考慮數據存儲時間，數據存儲內存以及以后的維護成本。但是，這三個方面是相互制約的。例如，當添加數據的描述信息時，數據訪問時間會縮短，但是數據庫的存儲空間會變大。因此，在設計數據庫時，請專注于數據庫并根據用戶的實際需求選擇合理的設計；第五階段是數據庫的實際實現，即將數據組織到數據庫中并執行功能測試；第六階段是數據庫的定期維護［3］。本文根據云服務故障診斷系統的需求分析數據庫表實體類，然后設計E－R關系圖，創建新的數據表，最后形成數據表。在用戶登錄界面中，需要提供用戶名和密碼字段，并將用戶分為普通用戶和超級用戶，并且需要設計兩個用戶表：用戶表和adminuser表。在主頁菜單中，有工廠、車間、設備和測量點，因此分為工廠表（factory）、車間表（wkshop）、設備表（device）、測量點表（cat-egorys）、數據表（chart）、歷史警報信息表（hisy）。工廠表和車間表是一對多關系，車間表和設備表是一對多關系，設備表和測量點表是一對多關系關系，測量點表和數據表以及歷史報警信息表是一對多和多對一的關系。通過在數據表中設置外鍵來建立數據表之間的關系。數據表如表1所示。本系統Web端采用的是SSH框架和JSP技術進行系統Web端的開發，Struts2是一個Web層的框架，主要用來處理JSP頁面用戶的請求，如果該請求涉及到業務層的話，再把該請求傳到Action，由控制層處理。Struts2采用MVC模式進行處理。Hibernate用來管理實體類對象，并把實體類對象映射到數據庫中相應的表中。很大程度上簡化了很多數據庫操作的步驟，使開發變得更簡單。控制層細分的話分為action、service、Dao層，其中action中調用相應的service，service再調用相應的Dao，而Spring就是把這種調用關系的注入交給配置文件，通過這種方式把Web頁面顯示、業務層、Dao層和數據庫聯系在一起，并且層次分明，各部分相互耦合，有利于后期系統的維護。故障診斷云服務系統根據功能需求分為用戶登錄、注冊模塊、個人信息管理、歷史報警數據查詢模塊、數據采集模塊以及數據實時顯示模塊、異常報警和后臺系統管理模塊。其中用戶登錄流程圖如圖4所示。在數據顯示模塊，使用圖像化顯示工具把原始振動數據、包絡時域信號、包絡頻域信號、振動烈度以圖表的形式呈現給用戶。數據的實時顯示是通過實時讀取數據庫中數據來達到的，數據傳輸時采用的是JSON數組的形式，同時，數據是以JSON數據格式存在云服務器中，數據庫中存的是文件所在的位置，這樣可以充分利用云服務器的優勢，解決了數據傳輸緩慢、消耗數據庫內存、降低查詢速率等問題。其中，數據實時顯示與歷史報警查詢的流程圖如圖5所示。

5結束語

本文設計了一套基于JavaWeb的故障診斷云服務系統。該系統的主要功能是將傳統故障診斷與云平臺鏈接起來。設備振動數據實時存儲在云數據庫中，并通過云平臺以圖形形式呈現給用戶，從而實現對企業機械設備運行狀態的實時監控。與傳統的物理服務器相比，云服務器具有以下優勢：1）快速靈活。云服務器支持靈活分配資源，即用戶可以根據系統的實際需求自主增加或減少CPU、內存等資源。例如，在一定時間段內，并發用戶訪問系統的數量很大，則開發人員可以增加云量。服務器的CPU、內存和其他資源可以減少此時間段后的資源投入，并且只需要花費一定的時間即可。幾個小時即可完成云服務器資源的增加或減少。傳統服務器受單個服務器限制。如果要增加服務器資源，則需要專業技術人員來增加物理服務器中的內存，此過程將花費更多時間。2）成本低。用戶可以根據需要購買服務器的特定配置。有多種計費方法，例如根據某些類型的資源（例如內存、CPU、存儲設備等）的使用情況和持續時間進行計費，或者可以根據每次使用情況進行計費。用戶根據并發用戶數購買具有一定內存量的服務器，以避免浪費資源。傳統服務器還需要支付額外的帶寬成本、托管成本等。3）無需維護。云服務器由云服務器提供商維護，不需要用戶。傳統服務器需要專業維護和額外費用。4）安全可靠。云服務器使用分布式存儲，具有良好的可擴展性和安全性。如果一個節點發生故障，其他節點可以繼續工作而不會丟失數據。傳統服務器無法實現分布式存儲。一旦計算機發生故障，數據安全就會受到威脅，并且可能無法檢索。例如，阿里云為所有數據中心提供災難恢復計劃。5）高穩定性。云中的集中監視和部署使控制病毒、惡意軟件和黑客變得更加容易。

作者:張寶霖 苑宇 高園園 張典 單位:大連交通大學機車車輛工程學院