一种基于边缘计算的振动电机运行数据分析方法及系统与流程

本发明涉及振动电机运行数据分析，尤其涉及一种基于边缘计算的振动电机运行数据分析方法及系统。

背景技术：

1、振动电机运行数据分析技术领域涵盖了对振动电机在运行状态下产生的各项物理参量进行多维度解析的核心事项，其整体技术领域系统性地包含了前端物理量感知、多源信号同步采集、通信链路数据回传以及多域信号特征提取环节，主要针对电机的加速度、速度、位移以及定子温度等运行数据展开深层解析以表征电机的动力学特性和健康演变过程，其中，传统振动电机运行数据分析方法是指针对振动电机运行特征提取及异常诊断的技术事项。

2、现有技术多以固定采样率执行特征提取，在电机变频启动阶段，振动信号瞬间转变为宽带非平稳信号，宽带数据涌入引发计算资源的瞬时峰刺，使得边缘节点算力迅速饱和，原定于固定时间窗口内的分析任务被迫延长并被标记为超时，缺乏对暂态高计算冲击的应对机制，算力饱和使得特征提取超出时间边界，造成暂态工况下轴承早期故障特征被遗漏，导致故障预警在电机启停阶段失效。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于边缘计算的振动电机运行数据分析方法及系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种基于边缘计算的振动电机运行数据分析方法，包括以下步骤：

3、s1：分别获取振动电机在启动状态和稳定运行状态下，由安装在振动电机轴承座上的加速度传感器采集的模拟振动信号，将获取的模拟振动信号转换为缓冲存储离散数据点，结合时钟信号与驱动器输出频率提取有效数据片段，拼接生成包含工况标签的结构化振动数据块序列；

4、s2：基于所述结构化振动数据块序列计算频率迁移速度与频带能量分散度指标，结合所述频率迁移速度与所述频带能量分散度指标评估综合复杂度指数，计算所述综合复杂度指数与预设的计算预算阈值之间的偏差量，在所述偏差量满足预设暂态判定条件时，将所述偏差量作为复杂度评估量并触发暂态标记动作，生成启动暂态标志位及复杂度评估量；

5、s3：根据电机轴承运动学参数与所述启动暂态标志位及复杂度评估量计算理论故障中心频率，结合所述频率迁移速度划分高优先级计算频段与低优先级伴随频段，整合生成优先级频段映射表；

6、s4：根据所述优先级频段映射表计算必需算力需求估算值，结合可用算力时钟周期数提取算力容量差值，基于所述算力容量差值生成资源配额参数与降阶处理系数，建立实时计算资源分配指令及分析边界阈值；

7、s5：基于所述实时计算资源分配指令及分析边界阈值，从所述高优先级计算频段提取轴承故障特征频率真实幅值生成即时预警报文，并从所述低优先级伴随频段提取降阶特征建立承接标记快照，根据所述承接标记快照执行补充分析并融合所述即时预警报文，生成电机运行健康状态分析数据。

8、本发明改进有，所述s1的具体步骤为：

9、s111：分别获取振动电机在启动状态和稳定运行状态下，由安装在振动电机轴承座上的加速度传感器采集的模拟振动信号，监测采集时间周期内硬件定时器输出的时钟信号，通过模数转换逻辑将所述模拟振动信号转换为离散振动数据点，将所述离散振动数据点通过内存访问控制器存储至边缘节点的多级环形缓冲区，得到缓冲存储离散数据点；

10、s112：基于时间窗口长度划分所述多级环形缓冲区记录的所述缓冲存储离散数据点，根据所述时钟信号生成关联时间窗口的全局时间戳，采集驱动器输出频率建立对应时间窗口的工况标签，根据相邻时间窗口的重叠比例截取划分后的所述缓冲存储离散数据点，生成有效数据片段，按照时间轴先后顺序对所述有效数据片段、所述全局时间戳以及所述工况标签执行数据拼接组合，生成结构化振动数据块序列。

11、本发明改进有，所述s2的具体步骤为：

12、s211：基于所述结构化振动数据块序列包含的工况标签，提取当前时间窗口及前序时间窗口的驱动器输出频率，计算所述驱动器输出频率相较于所述当前时间窗口及前序时间窗口之间的时间差值，得到频率迁移速度；

13、s212：通过快速傅里叶变换算法对所述结构化振动数据块序列包含的有效数据片段进行频率分布参数计算，得到频域分布数据，将所述频域分布数据沿频率轴划分为等宽频带区间，计算每个所述等宽频带区间包含的信号能量与所述频域分布数据对应的全频带信号能量之间的比值，得到频带能量比例系数，将各个所述等宽频带区间视为离散信息源，并以关联的所述频带能量比例系数作为发生概率参数，根据所述发生概率参数计算香农信息熵，得到频带能量分散度指标；

14、s213：获取预设速度基准值以及预设能量分散度上限值，计算所述频率迁移速度与所述预设速度基准值之间的比值，得到速度迁移归一化系数，计算所述频带能量分散度指标与所述预设能量分散度上限值之间的比值，得到能量分散归一化系数，对所述速度迁移归一化系数和所述能量分散归一化系数进行加权求和计算，得到综合复杂度指数，获取预设的计算预算阈值，计算所述综合复杂度指数与所述计算预算阈值之间的偏差量，比较所述偏差量与预设暂态判定条件，在所述偏差量满足所述预设暂态判定条件时，将所述偏差量作为复杂度评估量并触发暂态标记动作，生成启动暂态标志位及复杂度评估量。

15、本发明改进有，所述获取预设速度基准值以及预设能量分散度上限值的过程具体为：

16、提取振动电机的历史频率序列以及历史能量序列；

17、将所述历史频率序列包含的最大变化率设定为预设速度基准值；

18、将所述历史能量序列关联的最大信息熵数值设定为预设能量分散度上限值；

19、所述对所述速度迁移归一化系数和所述能量分散归一化系数进行加权求和计算的过程具体为：

20、获取频率变化评价数值以及能量波动评价数值；

21、计算所述频率变化评价数值在所述频率变化评价数值与所述能量波动评价数值相加总和内部占据的第一比值，将所述第一比值确立为第一权重系数；

22、计算所述能量波动评价数值在所述频率变化评价数值与所述能量波动评价数值相加总和内部占据的第二比值，将所述第二比值确立为第二权重系数；

23、计算所述速度迁移归一化系数与所述第一权重系数之间的第一乘积，并计算所述能量分散归一化系数与所述第二权重系数之间的第二乘积；

24、计算所述第一乘积与所述第二乘积之间的加和数值，得到综合复杂度指数；

25、所述获取预设的计算预算阈值，计算所述综合复杂度指数与所述计算预算阈值之间的偏差量，比较所述偏差量与预设暂态判定条件的过程具体为：

26、提取边缘计算节点的可用计算时钟周期数量化数值，将所述可用计算时钟周期数量化数值设定为计算预算阈值；

27、获取容错比例参数，计算所述容错比例参数与所述计算预算阈值之间的边界乘积；

28、将零值至所述边界乘积构成的数值区间设定为预设暂态判定条件；

29、计算所述综合复杂度指数与所述计算预算阈值之间的偏差量，

30、判定所述偏差量是否从属于所述预设暂态判定条件对应的数值区间内部。

31、本发明改进有，所述s3的具体步骤为：

32、s311：获取存储的所述电机轴承对应的节径、接触角以及滚动体个数，建立电机轴承运动学参数，响应于所述启动暂态标志位，基于所述复杂度评估量结合所述驱动器输出频率，评估瞬时转速估计值，将所述瞬时转速估计值和所述电机轴承运动学参数代入电机轴承运动学方程进行计算，得到差异化故障类型的理论故障中心频率；

33、s312：根据所述频率迁移速度，计算每个所述理论故障中心频率向频率两侧延伸的频带覆盖范围，生成多个动态特征频带区间，对多个所述动态特征频带区间执行边界合并与频率截断处理，将处理后得到的独立或合并区间建立为高优先级计算频段；

34、s313：从预设的全频带分析区域内剔除所述高优先级计算频段对应的覆盖区域，生成剩余带宽区域，将所述剩余带宽区域建立为低优先级伴随频段，对当前时间窗口下所述高优先级计算频段与所述低优先级伴随频段内部的频率边界信息进行整合，生成优先级频段映射表。

35、本发明改进有，所述根据所述频率迁移速度，计算每个所述理论故障中心频率向频率两侧延伸的频带覆盖范围，生成多个动态特征频带区间的过程具体为：

36、获取预设时间窗口的时间长度，提取历史稳定运行阶段关联的频率波动最大容差数值，计算所述时间长度与所述频率波动最大容差数值之间的乘积，得到基准扩展系数；

37、计算所述频率迁移速度与所述基准扩展系数之间的乘积，得到单侧频率延伸余量；

38、计算所述理论故障中心频率与所述单侧频率延伸余量之间的加和数值，得到上限频率阈值；

39、计算所述理论故障中心频率与所述单侧频率延伸余量之间的差值数值，得到下限频率阈值；

40、将所述下限频率阈值与所述上限频率阈值界定的连续频率范围设定为动态特征频带区间；

41、所述对多个所述动态特征频带区间执行边界合并与频率截断处理，将处理后得到的独立或合并区间建立为高优先级计算频段的过程具体为：

42、获取模数转换动作对应的奈奎斯特频率上限数值，对比各个所述动态特征频带区间包含的所述上限频率阈值与所述奈奎斯特频率上限数值；

43、在所述上限频率阈值大于所述奈奎斯特频率上限数值时，将所述动态特征频带区间的上限频率边界替换为所述奈奎斯特频率上限数值，得到对应的修正特征频带区间；

44、判定多个所述修正特征频带区间之间是否存在重叠频带区域；

45、在存在所述重叠频带区域时，提取发生相互重叠的多个所述修正特征频带区间关联的最小下限频率数值与最大上限频率数值；

46、依据所述最小下限频率数值与所述最大上限频率数值对发生相互重叠的多个所述修正特征频带区间执行边界合并处理，建立高优先级计算频段。

47、本发明改进有，所述s4的具体步骤为：

48、s411：读取操作系统的性能计数器，获取多核处理器的可用算力时钟周期数，解析所述优先级频段映射表包含的所述高优先级计算频段以及所述低优先级伴随频段，根据所述高优先级计算频段内部的频带宽度与频率分辨率，计算乘累加运算次数与内存访问次数，获取单次乘累加消耗时钟周期数以及单次内存访问消耗时钟周期数，计算所述乘累加运算次数与所述单次乘累加消耗时钟周期数之间的乘积，得到运算时钟周期需求，计算所述内存访问次数与所述单次内存访问消耗时钟周期数之间的乘积，得到访存时钟周期需求，计算所述运算时钟周期需求和所述访存时钟周期需求之间的加和数值，得到必需算力需求估算值；

49、s412：比较所述可用算力时钟周期数和所述必需算力需求估算值，得到算力容量差值，获取算力分配约束规则，根据所述算力分配约束规则以及所述算力容量差值确定所述可用算力时钟周期数在不同优先级计算频段之间的分配比例，按照所述分配比例对所述可用算力时钟周期数进行划分，生成资源配额参数；

50、s413：计算所述算力容量差值的绝对值，计算该绝对值与所述低优先级伴随频段对应的理论处理时钟周期数之间的比值，得到降阶处理系数，组合所述资源配额参数与所述降阶处理系数，建立实时计算资源分配指令及分析边界阈值。

51、本发明改进有，所述s5的具体步骤为：

52、s511：基于所述实时计算资源分配指令及分析边界阈值包含的所述资源配额参数，设定带通滤波器内部的滤波器参数，通过所述带通滤波器从所述结构化振动数据块序列包含的所述有效数据片段中，分离出归属于所述高优先级计算频段的窄带信号，通过希尔伯特变换算法对所述窄带信号进行计算，得到对应的信号包络，通过快速傅里叶变换算法计算所述信号包络对应的频率分布参数，生成轴承故障特征频率真实幅值；

53、s512：根据所述实时计算资源分配指令及分析边界阈值包含的所述降阶处理系数，对所述结构化振动数据块序列包含的所述有效数据片段中归属于所述低优先级伴随频段的关联数据片段进行功率谱密度估计数值计算，提取对应的能量分布降阶特征，获取时间窗口在所述多级环形缓冲区内部对应的内存地址指针，融合所述能量分布降阶特征与所述内存地址指针，建立承接标记快照；

54、s513：获取工况自适应安全阈值，计算所述轴承故障特征频率真实幅值和所述工况自适应安全阈值之间的超限偏差量，判断所述超限偏差量是否越过预设安全界限，在所述超限偏差量越过所述预设安全界限时，提取当前的故障状态信息与所述超限偏差量执行预警封装，得到即时预警报文，监测所述多核处理器对应的算力负载，在所述算力负载处于空闲状态时根据所述承接标记快照包含的所述内存地址指针，读取关联的所述离散振动数据点，通过频谱分析算法对关联的所述离散振动数据点进行计算，得到对应的补充特征向量，根据所述结构化振动数据块序列包含的所述全局时间戳，计算所述补充特征向量与所述轴承故障特征频率真实幅值在时间轴上的关联对齐拼接结果，融合所述关联对齐拼接结果与所述即时预警报文，生成电机运行健康状态分析数据。

55、本发明改进有，所述获取工况自适应安全阈值，计算所述轴承故障特征频率真实幅值和所述工况自适应安全阈值之间的超限偏差量，判断所述超限偏差量是否越过预设安全界限的过程具体为：

56、提取振动电机在正常运转状态下关联当前工况的历史振动幅值参数；

57、计算所述历史振动幅值参数的平均数值，计算所述平均数值与容差常数之间的加和数值，将所述加和数值设定为工况自适应安全阈值；

58、计算所述轴承故障特征频率真实幅值与所述工况自适应安全阈值之间的差值绝对值，得到超限偏差量；

59、获取设备安全规范对应的最大容许偏离比例参数，计算所述最大容许偏离比例参数与所述工况自适应安全阈值之间的边界乘积数值，将所述边界乘积数值设定为预设安全界限；

60、比对所述超限偏差量与所述预设安全界限的数值大小，判定所述超限偏差量是否大于所述预设安全界限；

61、所述通过频谱分析算法对关联的所述离散振动数据点进行计算，得到对应的补充特征向量，根据所述结构化振动数据块序列包含的所述全局时间戳，计算所述补充特征向量与所述轴承故障特征频率真实幅值在时间轴上的关联对齐拼接结果的过程具体为：

62、对所述离散振动数据点执行离散傅里叶变换计算得到全频带幅值谱；

63、提取所述全频带幅值谱内部保留的离散幅值峰值序列，将所述离散幅值峰值序列设定为补充特征向量；

64、提取所述结构化振动数据块序列包含的所述全局时间戳，在历史特征数据库内部定位与所述全局时间戳数值完全匹配的目标时间序列位置；

65、将所述补充特征向量插入所述目标时间序列位置，与处于所述目标时间序列位置的所述轴承故障特征频率真实幅值执行多维数组合并操作，生成关联对齐拼接结果。

66、一种基于边缘计算的振动电机运行数据分析系统，所述基于边缘计算的振动电机运行数据分析系统用于实现上述基于边缘计算的振动电机运行数据分析方法，所述系统包括：

67、数据整备模块，分别获取振动电机在启动状态和稳定运行状态下，由安装在振动电机轴承座上的加速度传感器采集的模拟振动信号，将获取的模拟振动信号转换为缓冲存储离散数据点，结合时钟信号与驱动器输出频率提取有效数据片段，拼接生成包含工况标签的结构化振动数据块序列；

68、暂态识别模块，基于所述结构化振动数据块序列计算频率迁移速度与频带能量分散度指标，结合所述频率迁移速度与所述频带能量分散度指标评估综合复杂度指数，计算所述综合复杂度指数与预设的计算预算阈值之间的偏差量，在所述偏差量满足预设暂态判定条件时，将所述偏差量作为复杂度评估量并触发暂态标记动作，生成启动暂态标志位及复杂度评估量；

69、频段规划模块，根据电机轴承运动学参数与所述启动暂态标志位及复杂度评估量计算理论故障中心频率，结合所述频率迁移速度划分高优先级计算频段与低优先级伴随频段，整合生成优先级频段映射表；

70、算力调度模块，根据所述优先级频段映射表计算必需算力需求估算值，结合可用算力时钟周期数提取算力容量差值，基于所述算力容量差值生成资源配额参数与降阶处理系数，建立实时计算资源分配指令及分析边界阈值；

71、特征执行模块，基于所述实时计算资源分配指令及分析边界阈值，从所述高优先级计算频段提取轴承故障特征频率真实幅值生成即时预警报文，并从所述低优先级伴随频段提取降阶特征建立承接标记快照，根据所述承接标记快照执行补充分析并融合所述即时预警报文，生成电机运行健康状态分析数据。

72、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

73、本发明中，通过提取振动信号拼接生成结构化数据块序列，计算频率迁移速度与频带能量分散度以评估综合复杂度指数，提取计算偏差量并触发暂态标记动作，结合轴承参数确立故障中心频率，依据迁移速度划分高低优先级频段映射关系，估算算力需求与容量差值以生成资源配额参数及降阶处理系数，据此确立资源分配边界，从高优先级频段提取故障特征生成即时预警，并对低优先级特征执行补充分析，利用动态频段规划与资源调度分配，避免算力饱和诱发特征遗漏，保障暂态冲击下的预警可靠性。