一种基于声音传感器的生产设备预测性维修方法与系统与流程

1.本发明涉及设备维修领域，尤其涉及一种基于声音传感器的生产设备预测性维修方法与系统。


背景技术：

2.随着工业智能化的发展，智能制造工厂的生产线为了提高生产效率，逐渐使用机器人手臂代替人工，实现半自动化生产。机器人手臂只需要提前设定好程序，便可以高效率、低出错率并且长时间的工作，这是工人远远做不到的。但是缺点是，在智慧工厂环境下，产线上的机器人手臂总会发生一些故障。事后维护成本较高，会引起生产过程的非计划停机，进而引起质量、产能和交期等影响，因此需要尽力避免。尤其是对关键工序上的核心设备而言，一旦设备发生故障，就会影响后续生产步骤的进行，导致生产线全面停滞、原料与产品积压。智能制造工厂现有的设备维护方式多是固定期限检修，每个月或者每年固定时间检修，在故障发生之前更换或者维修可能出现故障的设备。这种方式虽然可以相对有效地预防设备故障问题。但是会耗费相对比较多的人力、物力、财力，因此如何智能的提前发现各生产设备的问题，并对其及时的进行维修是目前急需解决的技术问题。


技术实现要素：

3.为了解决目前智能制造工厂中由于设备在不可预见的情况下出现的一些故障所导致的事后维护成本高，质量、产能和交期不可控的问题，本发明提出了一种基于声音传感器的生产设备预测性维修方法，包括步骤：s01：获取正常状态下各生产设备运转时的音频数据，并对各音频数据进行滤波后得到其对应的标准音频波形文件；s02：通过各标准音频波形文件构建对应的原始音频生成模型，并根据各原始音频生成模型获取各标准音频波形文件对应的预测音频文件；获取各标准音频波形文件对应的预测音频文件的具体方法为：通过音频波形联合概率的条件概率分布函数，利用标准音频波形文件以及标准音频波形文件中音频波形的联合概率获取标准音频波形文件的条件概率分布，该条件概率分布即为原始音频生成模型；通过原始音频生成模型利用门控激活函数获取标准音频波形文件对应的预测音频文件；s03：实时采集各生产设备运转时的音频数据，并对其进行滤波后得到实时音频波形文件；s04：获取各实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度；s05：判断各差异度是否在对应的预设标准范围内，若否，则发出维修预警信息。
4.进一步地，所述音频波形联合概率的条件概率分布函数的表达式为：；式中，x为标准音频波形文件中各音频波形联合概率的集合；t为标准音频波形文
件中音频波形联合概率的个数，t为初始值为1的常数，为标准音频波形文件中第t个音频波形联合概率，h为标准音频波形文件，为标准音频波形文件的条件概率分布。
5.进一步地，所述门控激活函数的表达式为：；式中，为卷积操作，为点乘操作，tanh( )为激活函数，为函数，k为层索引，f为滤波器，g为门，w为可学习的卷积核，t为时间维度，为滤波器对应可学习的线性映射，为门对应可学习的线性映射，为滤波器对应在时间维度的广播向量，为门对应在时间维度的广播向量，为滤波器层索引对应的可学习卷积核，为门对应层索引的可学习卷积核，z为标准音频波形文件对应的预测音频文件。
6.本发明还提出了一种基于声音传感器的生产设备预测性维修系统，包括数据采集器、数据传输装置、数据处理器、显示器以及数据存储器，其中，数据采集器，包括若干个声音传感器，用于获取对应生产设备运转时的音频数据；数据传输装置，包括传感器网关与智能数据终端，所述传感器网关，用于收集并发送各声音传感器的音频数据；所述智能数据终端，用于接收传感器网关发送的各声音传感器的音频数据，并对各音频数据进行滤波处理后得到其对应的波形文件，所述波形文件中包括标准音频波形文件与实时音频波形文件；数据处理器，其用于通过各标准音频波形文件构建对应的原始音频生成模型，并根据各原始音频生成模型获取各标准音频波形文件对应的预测音频文件；获取各实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度；当差异度未在对应的预设标准范围内时发出维修预警信息并在显示器显示；数据存储器，用于存储数据采集器中的音频数据。
7.进一步地，所述数据采集器还包括，与声音传感器个数对应的底盘、支架、收音罩以及固定扣；所述底盘与支架用于固定及支撑声音传感器；所述固定扣用于固定并连接声音传感器与支架；所述收音罩套设于声音传感器上，用于增强声音信号。
8.进一步地，所述数据处理器还包括云监测平台，用于将实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度，以及当差异度未在对应的预设标准范围内时发出的维修预警信息传输至客户端以及显示器。
9.进一步地，所述收音罩的收音范围可调节；收音罩的长度大于声音传感器的长度。
10.进一步地，所述固定扣为可旋转的固定扣，通过旋转固定扣调节声音传感器的收音角度。
11.进一步地，所述支架为可旋转支架，通过旋转支架调节声音传感器的收音角度。
12.与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：（1）本发明通过获取各实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度，即通过设备正常工作时声音与异常工作时声音的不同，利用预测音频文件监测设备实时的音频波形文件，当差异度未在标准范围内时及时发出维修预警信息，在设备真正宕机之前发
现故障并予以维修，解决了目前智能制造工厂中由于设备在不可预见的情况下出现的一些故障所导致的事后维护成本高，故障发现不及时，质量、产能、交期不可控的问题，并极大程度上减小了对生产系统的扰动；（2）本发明中，云监测平台将实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度，以及当差异度未在对应的预设标准范围时发出的维修预警信息实时的传输至客户端以及显示器，保证了维修的及时性；（3）本发明中采用可旋转的支架与固定扣对声音传感器的收音角度进行调节，且收音罩的长度大于声音传感器的长度（收音罩遮罩住声音传感器，将开放区域面向待监测设备，这样能够扩大监测范围，提高信噪比），该技术手段极大的提高了接收到的声音信号的信噪比，信噪比越高则音频数据的质量越好准确度也越高，监测结果也更为准确。
附图说明
13.图1为一种基于声音传感器的生产设备预测性维修方法与系统的方法步骤图；图2为一种基于声音传感器的生产设备预测性维修方法与系统的系统结构图。
14.图中：11、传送带；12、工件；13、加工机械臂；21、底盘；22、固定扣；23、收音罩；24、声音传感器；25、支架；31、传感器网关； 32、智能数据终端；40、数据处理器。
具体实施方式
15.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
16.实施例一为了解决目前智能制造工厂中由于设备在不可预见的情况下出现的一些故障所导致的维修不及时，事后维护成本高，质量、产能和交期不可控的问题，本发明通过获取各实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度，即通过设备正常工作时声音与异常工作时声音的不同，利用预测音频文件监测设备实时的音频波形文件，当差异度未在标准范围内时及时发出维修预警信息，解决了由于故障无法提前预知所导致的问题，如图1所示，本发明提出了一种基于声音传感器的生产设备预测性维修方法，包括步骤：s01：获取正常状态下各生产设备运转时的音频数据，并对各音频数据进行滤波后得到其对应的标准音频波形文件；s02：通过各标准音频波形文件构建对应的原始音频生成模型，并根据各原始音频生成模型获取各标准音频波形文件对应的预测音频文件；获取各标准音频波形文件对应的预测音频文件的具体方法为：通过音频波形联合概率的条件概率分布函数，利用标准音频波形文件以及标准音频波形文件中音频波形的联合概率获取标准音频波形文件的条件概率分布，该条件概率分布即为原始音频生成模型；通过原始音频生成模型利用门控激活函数获取标准音频波形文件对应的预测音频文件；需要说明的是，本发明根据每台生产设备独有的音频数据单独构建原始音频生成模型（wavenet）可以达到更好的抗干扰的效果，能够使预测音频文件更加准确。
17.所述音频波形联合概率的条件概率分布函数的表达式为：
；式中，x为标准音频波形文件中各音频波形联合概率的集合；t为标准音频波形文件中音频波形联合概率的个数，t为初始值为1的常数，为标准音频波形文件中第t个音频波形联合概率，h为标准音频波形文件，为标准音频波形文件的条件概率分布。
18.所述门控激活函数的表达式为：；式中，为卷积操作，为点乘操作，tanh( )为激活函数，为函数，k为层索引，f为滤波器，g为门，w为可学习的卷积核，t为时间维度，为滤波器对应可学习的线性映射，为门对应可学习的线性映射，为滤波器对应在时间维度的广播向量，为门对应在时间维度的广播向量，为滤波器层索引对应的可学习卷积核，为门对应层索引的可学习卷积核，z为标准音频波形文件对应的预测音频文件。
19.s03：实时采集各生产设备运转时的音频数据，并对其进行滤波后得到实时音频波形文件；s04：获取各实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度；s05：判断各差异度是否在对应的预设标准范围内，若否，则发出维修预警信息。
20.本发明通过获取各实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度，即通过设备正常工作时声音与异常工作时声音的不同，利用预测音频文件监测设备实时的音频波形文件，当差异度未在标准范围内时及时发出维修预警信息，在设备真正宕机之前发现故障并予以维修，解决了目前智能制造工厂中由于设备在不可预见的情况下出现的一些故障所导致的事后维护成本高，故障发现不及时，质量、产能、交期不可控的问题，并极大程度上减小了对生产系统的扰动。
21.实施例二为了更好的对本发明的发明思路进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于声音传感器的生产设备预测性维修系统，包括数据采集器、数据传输装置、数据处理器40、显示器以及数据存储器，其中，数据采集器，包括若干个声音传感器24，用于获取对应生产设备运转时的音频数据；本实施例用于智能制造工厂中，智能制造工厂中包含生产装置，生产装置又包含传送带11、工件12、加工机械臂13；其中传送带11、加工机械臂13为待监测的生产设备，每个待监测的生产设备对应设置有声音传感器24，其中声音传感器24的数据采集头需朝向待监测的生产设备，例如朝向传送带11的电机或者机械臂的电动机，所述工件12在所述传送带11上非匀速运动，传送带11与机械臂均靠电机驱动，运转时发出声音。
22.所述数据采集器还包括，与声音传感器24个数对应的底盘21、支架25、收音罩23以及固定扣22；所述底盘21与支架25用于固定及支撑声音传感器24；所述固定扣22用于固定并连接声音传感器24与支架25；所述收音罩23套设于声音传感器24上，用于增强声音信号。
23.所述收音罩23的收音范围可调节；收音罩23的长度大于声音传感器24的长度。
24.所述固定扣22为可旋转的固定扣22，通过旋转固定扣22调节声音传感器24的收音角度。
25.所述支架25为可旋转支架25，通过旋转支架25调节声音传感器24的收音角度。
26.本发明中采用可旋转的支架25与固定扣22对声音传感器24的收音角度进行调节，且收音罩23的长度大于声音传感器24的长度（收音罩23遮罩住声音传感器24，将开放区域面向待监测设备，这样能够扩大监测范围，提高信噪比），该技术手段极大的提高了接收到的声音信号的信噪比，信噪比越高则音频数据的质量越好准确度也越高，监测结果也更为准确。
27.数据传输装置，包括传感器网关31与智能数据终端32，所述传感器网关31，用于收集并发送各声音传感器24的音频数据；所述智能数据终端32，用于接收传感器网关31发送的各声音传感器24的音频数据，并对各音频数据进行滤波处理后得到其对应的波形文件，所述波形文件中包括标准音频波形文件与实时音频波形文件；需要说明的是，本实施例中的传感器网关31可收集多路声音传感器24的数据，一个传感器网关31最多可连接6路声音传感器24的数据。
28.本实施例中，所述智能数据终端32在对各音频数据进行滤波处理前还包括对其本地数据的清理，滤除无效数据后在进行滤波，滤波后通过wifi无线传输技术将滤波后的音频波形文件发送给所述数据处理器40。
29.数据处理器40，其用于通过各标准音频波形文件构建对应的原始音频生成模型，并根据各原始音频生成模型获取各标准音频波形文件对应的预测音频文件；获取各实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度；当差异度未在对应的预设标准范围内时发出维修预警信息并在显示器显示；所述数据处理器40由3到5台服务器集群组成，集群中运行处理程序，处理程序的主要逻辑是：获取正常状态下声音传感器24采集的对应生产设备的音频数据（h_wav），对该音频数据滤波后构建其对应的原始音频生成模型（model_wav），并通过该模型生成该生产设备对应的预测音频文件，然后对比实时获取的该生产设备的音频波形文件与对应预测音频文件的差异度，通过判断差异度，得到监测结果。
30.本实施例中，所述差异度包含音频文件之间频率和音量的差异度。
31.所述数据处理器40还包括云监测平台，用于将实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度，以及当差异度未在对应的预设标准范围内时发出的维修预警信息传输至客户端以及显示器。
32.需要说明的是，所述维修预警信息中包括对应的设备信息以及设备的位置信息。
33.本发明中，云监测平台支持有线通讯和无线通讯，支持互联网和物联网，通过安装手机app应用支持与手机连接共享应用，其用于将数据传输至手机app（即客户端）显示。所述云监测平台还用于将生产设备的实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度、以及当差异度未在对应预设标准范围内时发出的对应生产设备的维修预警信息图像化后传输至客户端与显示器，使得后续维修的位置查找更加的精准。
34.需要说明的是，云监测平台将实时音频波形文件与其对应的预测音频文件的差异度，以及当差异度未在对应的预设标准范围时发出的维修预警信息实时的传输至客户端以
及显示器，保证了维修的及时性。
35.数据存储器，用于存储数据采集器中的音频数据。
36.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。