機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感網(wǎng)相關(guān)理論與技術(shù)研究.pdf

1、重大機(jī)械裝備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性直接影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)能力，一旦發(fā)生故障，將引起重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重后果。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展以及機(jī)械裝備的高速、高精和高自動(dòng)化發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)工作狀態(tài)呈現(xiàn)出多維、耦合、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，因此對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提出了更高要求。傳統(tǒng)電測(cè)傳感器一般由于存在抗干擾能力差、環(huán)境適應(yīng)性弱、體積質(zhì)量大、關(guān)鍵部位難以部署等缺點(diǎn)，從而難以滿足機(jī)械裝備長(zhǎng)期準(zhǔn)確安全監(jiān)測(cè)的需要。無(wú)線傳感網(wǎng)由于其易受電磁干擾，傳輸能力

2、與節(jié)點(diǎn)能量有限，安全性無(wú)法保證等缺點(diǎn)，也難以滿足多點(diǎn)、多場(chǎng)、分布式的大型裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器及其傳感網(wǎng)以其非電傳感、抗電磁干擾、分布式組網(wǎng)、動(dòng)態(tài)多場(chǎng)、尺寸小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于經(jīng)常處于多場(chǎng)耦合、環(huán)境復(fù)雜、狀態(tài)多變等惡劣環(huán)境下的重大機(jī)械裝備運(yùn)行狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)具有重要意義。
　　本論文以重大機(jī)械裝備為應(yīng)用對(duì)象，以裝備運(yùn)行狀態(tài)健康監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，以FBG傳感網(wǎng)為傳感源，重點(diǎn)

3、以在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)構(gòu)建面向機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的FBG傳感網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的新要求、新技術(shù)、新服務(wù)為研究?jī)?nèi)容，旨在實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備運(yùn)行狀態(tài)全面感知、海量傳感信息實(shí)時(shí)傳輸、深度利用、感知資源充分共享的FBG傳感網(wǎng)服務(wù)化管理平臺(tái)。本研究工作的研究路線是：根據(jù)FBG傳感的智能感知網(wǎng)絡(luò)總體模型與實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，從傳感源出發(fā)，研究大容量FBG傳感網(wǎng)組網(wǎng)模型與尋址方法，滿足裝備狀態(tài)全面監(jiān)測(cè)的需要；對(duì)部署有多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的單臺(tái)裝備以及廣域環(huán)境下的裝備集群，解決不同工作

4、場(chǎng)景下FBG傳感網(wǎng)海量傳感信息實(shí)時(shí)分布式傳輸、存儲(chǔ)、處理及與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的問題，形成基于光纖傳感的物聯(lián)網(wǎng)；并進(jìn)一步探索在網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)型制造模式下對(duì)機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理的應(yīng)用；同時(shí)研究基于FBG傳感網(wǎng)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的服務(wù)發(fā)布與組合機(jī)制，以屏蔽資源的異構(gòu)性、系統(tǒng)的多樣性和地理的分布性，更大程度充分利用傳感資源。通過(guò)對(duì)上述技術(shù)的綜合利用，實(shí)現(xiàn)基于FBG傳感網(wǎng)的大型裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與廣域環(huán)境下的服務(wù)管理平臺(tái)。本論文的主要研究工作如下：

5、>　　（1）基于FBG傳感的智能感知網(wǎng)絡(luò)模型及異構(gòu)網(wǎng)互聯(lián)互通方法研究。
　　針對(duì)機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的FBG傳感網(wǎng)相關(guān)理論與關(guān)鍵技術(shù)，首先從總體上構(gòu)建基于FBG傳感的智能感知網(wǎng)絡(luò)模型，描述了不同F(xiàn)BG傳感網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用對(duì)象與關(guān)鍵問題，為全文的研究提供整體架構(gòu)。同時(shí)，從宏觀上研究了FBG傳感網(wǎng)與其它網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通模型，特別是針對(duì)FBG傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的接入互聯(lián)形成基于FBG傳感的物聯(lián)網(wǎng)的問題，從應(yīng)用層信息映射角度提出了FBG傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)

6、的互聯(lián)互通模型，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的FBG傳感網(wǎng)的使用，為FBG傳感網(wǎng)傳感信息的訪問、存儲(chǔ)、分析、挖掘與共享奠定基礎(chǔ)。
　?。?）FBG傳感網(wǎng)大容量組網(wǎng)與尋址定位方法研究。
　　針對(duì)FBG傳感網(wǎng)傳統(tǒng)組網(wǎng)方法傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，無(wú)法滿足重大機(jī)械裝備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)FBG傳感網(wǎng)大容量要求的問題，以研究有限光源帶寬和解調(diào)系統(tǒng)調(diào)諧范圍下滿足運(yùn)行狀態(tài)全面感知需求的大容量、分布式FBG傳感網(wǎng)為目標(biāo)，構(gòu)建了基于新型編碼式FBG與

7、多種復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的混合組網(wǎng)方法并提出了適合多種復(fù)雜傳感環(huán)境下編碼式FBG傳感網(wǎng)的高精度尋址算法，改進(jìn)了傳統(tǒng)方法在波長(zhǎng)變化量重合時(shí)嚴(yán)重失效的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明編碼式FBG傳感網(wǎng)的傳感節(jié)點(diǎn)容量能夠大幅提升，大容量傳感節(jié)點(diǎn)在多種復(fù)雜工況環(huán)境下都能夠準(zhǔn)確尋址定位。為機(jī)械裝備運(yùn)行狀態(tài)的全面感知打下基礎(chǔ)。
　　（3）基于FBG傳感網(wǎng)的裝備運(yùn)行狀態(tài)高速海量感知信息分布式傳輸、存儲(chǔ)、處理方法研究。
　　針對(duì)大數(shù)據(jù)感知信息的傳輸、存儲(chǔ)與處理

8、問題，分別提出了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的解決方法。具體為：針對(duì)廣域分布式環(huán)境下面向裝備集群的大容量FBG傳感網(wǎng)在高采樣率下海量傳感信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，利用適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的開源消息處理架構(gòu)Kafka部署分布式傳輸環(huán)境，以多生產(chǎn)者、消費(fèi)者的發(fā)布訂閱方式取代傳統(tǒng)的SOCKET UDP直接通信模式，為實(shí)時(shí)海量傳感信息的分析與存儲(chǔ)提供條件；針對(duì)大數(shù)據(jù)感知信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的問題，以單臺(tái)裝備和廣域環(huán)境下多裝備集群的不用應(yīng)用場(chǎng)景下海量傳感信息存儲(chǔ)為目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)

9、了基于改進(jìn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)方法和基于大數(shù)據(jù)非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的海量傳感信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)方法，為感知信息分析與挖掘提供基礎(chǔ)；針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)裝備工作機(jī)理不能全面掌握前，運(yùn)行狀態(tài)是否正常的標(biāo)準(zhǔn)難以定義以及傳統(tǒng)閾值設(shè)定的監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的虛警問題，以挖掘自身海量傳感信息為目標(biāo)，提出了基于大數(shù)據(jù)分布式處理的情境約束下離群點(diǎn)檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同工作場(chǎng)景下都能夠滿足海量傳感信息的實(shí)時(shí)傳輸、可靠存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為后期對(duì)海量傳感信息的離線分析提供數(shù)

10、據(jù)基礎(chǔ)，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。
　?。?）FBG傳感網(wǎng)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的服務(wù)發(fā)布與智能匹配方法研究。
　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)型制造模式下對(duì)于機(jī)械裝備的多樣性，工作環(huán)境的異構(gòu)性以及海量裝備感知資源充分利用和共享的問題，以廣域環(huán)境下基于FBG傳感網(wǎng)裝備運(yùn)行狀態(tài)的豐富感知資源的靈活使用與共享和裝備接入狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)時(shí)能夠敏捷構(gòu)建基于服務(wù)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為目標(biāo)，提出了基于FBG傳感網(wǎng)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)服務(wù)定義與抽象方法和基于服務(wù)鏈知識(shí)庫(kù)自動(dòng)匹

11、配，多目標(biāo)約束下的服務(wù)自動(dòng)匹配，基于工作流的人機(jī)交互匹配三級(jí)遞進(jìn)式服務(wù)匹配算法。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)部署有FBG傳感網(wǎng)的機(jī)械裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，能夠利用已有資源，通過(guò)服務(wù)匹配組合方式快速完成監(jiān)測(cè)與故障診斷功能，為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)型制造模式下的資源服務(wù)工廠，完成裝備與人員、生產(chǎn)、管理相融合的全生命周期服務(wù)型制造網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)。
　?。?）FBG傳感網(wǎng)裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與服務(wù)化管理平臺(tái)研究。
　　針對(duì)FBG傳感網(wǎng)裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)集成與