输送机多感知融合智能在线监测预警系统及方法与流程

本发明涉及输送机状态监测与故障预警，特别是输送机多感知融合智能在线监测预警系统及方法。

背景技术：

1、带式输送机是矿山、港口、冶金、电力及化工等国民经济支柱产业中不可或缺的连续输送装备，具有运量大、运输距离长、运输效率高以及可连续作业等突出优势，已广泛应用于各类散状物料的运输场景，并成为煤炭、矿石等大宗物料生产中的关键运输装备，输送机通常由驱动装置、滚筒、托辊、输送带及张紧装置等关键部件组成，其运行稳定性直接关系到整个生产流程的效率与安全，由于输送机长期处于高负荷、连续运转的工况条件下，且大多部署于井下、码头等恶劣环境，其关键部件（如滚筒轴承、托辊、输送带接头等）在交变应力、温度变化及物料冲击等多重因素作用下不可避免地发生性能退化与累积损伤，一旦突发故障，轻则导致生产中断，重则引发设备损坏甚至人员伤亡事故，因此，如何对输送机的运行状态进行实时在线监测、对潜在故障进行早期预警、对关键部件的剩余寿命进行准确评估，已成为工业界和学术界共同关注的焦点问题；

2、目前，输送机状态监测与故障诊断技术已取得了一定发展，在传感技术层面，现有方案已涵盖基于振动信号、温度信号、声学信号及图像处理的多种故障诊断手段，例如，部分系统通过在输送机沿线部署多类型传感器，实时采集张力、振动、温度及电流等多维特征数据；另有方案在监测节点集成多个传感器，同步采集托辊的振动、温度、声音、转速及轴向窜动数据；还有方案利用分布式光纤传感技术融合分布式光纤声波传感与分布式光纤测温技术，实时采集输送机沿线的振动与温度信号，在数据融合层面，部分研究采用d-s证据理论、支持向量机、随机森林和神经网络等算法对多源数据进行融合诊断与寿命预测；也有方案引入剩余寿命预测模型对设备状态进行评估与预警，此外，数字孪生技术也开始被应用于输送机的预测性维护。

3、但目前常见的解决方案存在诸多缺点，包括：多源传感数据融合层次偏低，仅对不同传感器数据进行简单的特征拼接或决策级融合，未能挖掘张紧力与振动响应之间内在的非线性动力学耦合关系，导致早期故障信息被忽略；同时，现有方法普遍将物料冲击产生的瞬态信号视为噪声予以滤除，缺乏对冲击损伤的量化累积利用，且寿命预测多作为独立模块离线运行，未能与实时监测数据有机融合；此外，现有系统缺乏损伤评估结果对监测模型的闭环反馈机制，无法根据部件老化导致的刚度退化在线修正模型参数，传感采集策略也缺乏工况自适应性，系统多为“部署即定型”的静态模型，缺乏基于历史数据和检修反馈的自学习更新能力，难以长期保持高精度监测性能，预警手段也以简单的单参数阈值报警为主，缺乏分级预警体系，各功能模块之间松散独立，未能形成“感知→分析→评估→修正→更新”的闭环智能监测体系。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提供了输送机多感知融合智能在线监测预警系统及方法，以克服现有相关技术所存在的技术问题。

2、为解决技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，本发明实施例提供了输送机多感知融合智能在线监测预警方法，其包括同步采集输送机关键部件的张紧力信号和多个测点的振动信号并对采集到的信号进行滤波和噪声抑制预处理，建立两者间的动态耦合关系模型，并实时计算用于表征当前耦合紧密程度的耦合特征值；当耦合特征值的波动幅度超过预设阈值时判定为瞬态冲击事件，将该事件对应的信号波形转换为等效瞬时冲击应力数据，并按时间累积记录为冲击应力谱；建立综合损伤评估模型，将常规疲劳损伤、温度热老化损伤以及冲击应力谱对应的冲击加速损伤进行加权叠加，实时输出当前部件的综合损伤值；根据当前综合损伤值推算部件的等效剩余刚度，并将该剩余刚度回代至动态耦合关系模型中，对模型参数进行在线修正；当综合损伤值达到预设预警阈值，或经修正后的耦合模型输出偏差超过容限值时，触发分级预警信号，并依据当前损伤增长趋势输出剩余寿命预估区间。

4、作为本发明输送机多感知融合智能在线监测预警方法的一种优选方案，其中：方法还包括模型自校正步骤：将每次触发预警前、触发时及触发后的传感数据、耦合特征值变化轨迹和综合损伤值变化曲线存入历史数据库；每隔预设运行时长周期或每累积触发预设次数的预警信号后，基于历史数据库中累积的带实际检修反馈标注的数据，对动态耦合关系模型的初始参数和综合损伤评估模型的权重系数进行更新修正。

5、作为本发明输送机多感知融合智能在线监测预警方法的一种优选方案，其中：动态耦合关系模型基于非线性系统辨识理论构建，以张紧力信号作为系统输入变量、以各测点的振动信号作为系统输出变量，通过引入带遗忘因子的递推最小二乘算法或递推随机梯度算法，在设备运行过程中对模型的volterra级数核参数或narmax模型系数进行在线滚动更新；在建立模型之前，对同步采集的张紧力信号和振动信号分别进行带通滤波和自适应噪声抑制预处理，以剔除低频漂移和高频环境干扰；耦合特征值为模型核参数的frobenius范数、模型的输出误差平方和的倒数，或者输入信号与输出信号在频域内的互功率谱主峰幅值中的任意一种或多种的组合。

6、作为本发明输送机多感知融合智能在线监测预警方法的一种优选方案，其中：判定为瞬态冲击事件后，以该判定时刻为中心点向前和向后各截取预设时间长度的信号片段作为分析窗口，该预设时间长度根据输送带运行速度自适应调整；对截取后的张紧力尖峰波形和振动冲击波形进行小波包分解，分离出不同频带的分量后，对各频带分量进行频域反卷积运算，求解冲击源在时域上的等效激励力波形；依据该等效激励力波形的峰值幅值、半峰宽度和频谱主频能量三个参数，通过预先标定的冲击-应力映射函数换算为单次事件的等效瞬时冲击应力幅值；将连续多个瞬态冲击事件对应的等效瞬时冲击应力幅值按照事件发生先后顺序排列，并结合各事件的发生时间间隔，共同构成冲击应力谱。

7、作为本发明输送机多感知融合智能在线监测预警方法的一种优选方案，其中：常规疲劳累积损伤的具体获取方式为：对实时应力幅值时序数据进行雨流循环计数，提取出各次完整应力循环的幅值和均值，再依据miner线性累积准则，将各次循环的损伤分量累加得到常规疲劳损伤值，其中材料的s-n曲线参数根据部件材料类型和热处理状态预设；温度热老化损伤的具体获取方式为：实时采集部件表面温度或内嵌温度传感器测得的内部温度，依据arrhenius方程计算在当前温度下材料老化速率相对于基准温度的加速因子，并对该加速因子在时间上进行积分得到温度累积损伤；冲击加速损伤的具体获取方式为：将冲击应力谱中各次冲击的等效瞬时应力幅值直接代入s-n曲线中，按单次循环计算对应的损伤分量并累加；将上述三种损伤因子按照动态权重系数进行归一化加权叠加，得到综合损伤值；动态权重系数的调整方式为：当前负载率越高时，增大冲击加速损伤的权重系数同时减小温度热老化损伤的权重系数；当前负载率越低时，减小冲击加速损伤的权重系数同时增大温度热老化损伤的权重系数；当前运行速度低于额定速度的比例越大时，增大常规疲劳累积损伤的权重系数；动态权重系数在每次综合损伤值计算前根据当前实测负载率和运行速度实时更新。

8、作为本发明输送机多感知融合智能在线监测预警方法的一种优选方案，其中：等效剩余刚度的推算方式为：预先通过材料级疲劳试验和全尺寸部件疲劳试验，建立该关键部件的“疲劳累积损伤值－剩余刚度比”映射曲线或映射数据表，剩余刚度比为当前刚度与初始刚度的比值；获得当前综合损伤值后，通过在该映射曲线或数据表上进行线性插值或三次样条插值，查找得到对应的剩余刚度比值，再乘以该部件的初始刚度值，即得到当前的等效剩余刚度；将等效剩余刚度值作为动态时变约束边界，回代至动态耦合关系模型中时，具体为对模型中的弹性模量矩阵项进行整体比例缩放、同时对模型中的阻尼矩阵项进行协同修正，使耦合关系模型的幅频特性和相频特性同步适配当前部件的老化退化状态。

9、作为本发明输送机多感知融合智能在线监测预警方法的一种优选方案，其中：分级预警信号包含三级预警等级：第一级为轻度预警，当综合损伤值达到第一预设阈值或耦合模型输出偏差单次超过容限值时触发，该级预警仅向监控系统推送提示性消息，不干预设备运行；第二级为中度预警，当综合损伤值达到第二预设阈值或耦合模型输出偏差在连续三个滑动时间窗口内均超过容限值时触发，该级预警在推送消息的同时向设备控制系统发送降速运行建议信号；第三级为紧急预警，当综合损伤值达到第三预设阈值且耦合模型输出偏差同时超过容限值时触发，该级预警在推送消息的同时发送紧急停机指令；第一预设阈值小于第二预设阈值，第二预设阈值小于第三预设阈值；剩余寿命预估区间的输出方式为：以当前时刻的综合损伤值为起点，以预设的寿命终止损伤值为终点，依据最近一个预设时长内的综合损伤值平均增长速率进行一阶线性外推，得到剩余运行时间的点估计值，同时结合损伤增长速率的波动方差给出预设的置信度给出寿命区间上下限。

10、第二方面，本发明为进一步解决上述技术问题，实施例提供了输送机多感知融合智能在线监测预警系统，其包括：信号采集与耦合分析模块，用于同步采集输送机关键部件的张紧力信号、振动信号和温度信号，建立张紧力与振动之间的动态耦合关系模型并实时计算耦合特征值，当耦合特征值的波动幅度超过预设阈值时输出瞬态冲击标记及对应的信号波形；冲击转换模块，用于根据瞬态冲击标记截取对应的信号波形，将该波形转换为等效瞬时冲击应力数据，并按时间序列生成冲击应力谱；损伤评估模块，内置综合损伤评估模型，用于将常规疲劳损伤、温度热老化损伤和冲击加速损伤进行加权叠加，实时输出综合损伤值；刚度反馈修正模块，用于根据综合损伤值推算部件的等效剩余刚度，并将该剩余刚度回代至耦合分析模块，以对动态耦合关系模型的参数进行在线修正；预警输出模块，用于在综合损伤值达到预设预警阈值或经修正后的耦合模型输出偏差超过容限值时，触发分级预警信号，并输出剩余寿命预估区间；数据存储与更新模块，用于存储历史预警数据和检修反馈数据，并每隔预设运行时长周期或每累积触发预设次数的预警信号后，基于累积数据对耦合分析模块和损伤评估模块的模型参数进行更新。

11、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，其中：计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面的输送机多感知融合智能在线监测预警方法的任一步骤。

12、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面的输送机多感知融合智能在线监测预警方法的任一步骤。

13、本发明的有益效果为：本发明通过同步采集张紧力信号与多点振动信号并建立两者间的动态非线性耦合关系模型，以耦合特征值定量表征张紧力变化对振动响应的激励有效程度，能够在部件发生明显故障之前捕捉到耦合关系的微弱变化，实现早期故障的高灵敏识别；同时将传统上被视为噪声的瞬态冲击信号通过小波包分解与频域反卷积运算转换为等效瞬时冲击应力数据并记录为冲击应力谱，使冲击载荷对部件寿命的消耗得以量化纳入损伤评估；构建涵盖常规疲劳损伤、温度热老化损伤和冲击加速损伤的综合损伤评估模型，并根据负载率和运行速度实时调整三类损伤的动态权重系数，使综合损伤值能够真实反映不同工况下的主导损伤模式，通过预先建立的“疲劳累积损伤值－剩余刚度比”映射曲线推算部件的等效剩余刚度，将该剩余刚度作为动态时变约束边界回代至耦合关系模型中对弹性模量矩阵和阻尼矩阵进行协同修正，使监测模型的幅频特性和相频特性同步适配部件的老化退化状态，解决了现有技术中损伤评估结果无法反向修正监测模型参数的缺陷；当综合损伤值达到预设阈值或修正后耦合模型输出偏差超过容限值时，触发轻度、中度、紧急三级预警信号并输出带有置信度的剩余寿命区间，满足差异化预警需求；同时系统将预警前后全过程的传感数据、耦合特征值变化轨迹和损伤变化曲线存入历史数据库，每隔预设运行时长周期或每累积触发预设次数的预警信号后，基于带实际检修反馈标注的累积数据对耦合模型初始参数和损伤评估模型权重系数进行更新修正，使系统具备长期自适应进化能力；信号采集与耦合分析、冲击转换、损伤评估、刚度反馈修正、预警输出及数据存储与更新六大模块紧密协同，形成“感知→分析→评估→修正→更新”的完整闭环智能监测体系，实现了从短时状态监测到长时寿命预估、从单次评估到持续进化的全生命周期精准监测与主动维护，具有突出的实质性特点和显著的进步。