基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统的制作方法

1.本发明涉及电数字数据处理技术领域，具体涉及基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统。


背景技术：

2.随着社会的发展，各个行业的机械化也日益完善，还有一些行业采用数字计算设备或数据处理方法使机械发展自动化，其中食品机械作为用于食物成品加工的机械装置，其研究和发展对于满足人们的食品需求具有重要意义。
3.当食品需要通过脱水保存或者制成干味道食品时，大多采用食品脱水机进行处理。在食品脱水机的工作过程中，对于故障的检测一般通过人为观察食品脱水机的振动情况，而不同的人对于振动的判断不同，可能会由于主观性导致判断失误；并且在发现振动异常时进行后续停机检测，可能会导致检测滞后，不能及时解决机器故障，造成较大损失。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统，所采用的技术方案具体如下：
5.本发明一个实施例提供了一种基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统，该系统包括以下模块：
6.数据采集模块，用于采集连接轴的温度和振动数据、转鼓的转速和振动加速度；
7.工作状态分析模块，用于在预设时段内，根据所述转速的变化、所述振动信息的差异以及所述温度的变化获取食品脱水机的状态漂移程度；
8.脱水效果评估模块，用于获取相邻的预设时段之间的温度相似度；基于相邻的预设时段的振动加速度的变化情况获取转鼓姿态的改变程度；利用所述温度相似度和所述改变程度获取短期脱水指标，进而获取预设时间内的累积脱水指标；所述预设时间包括多个所述预设时段；
9.智能控制模块，用于利用相邻的预设时段之间的状态漂移程度的差异以及所述短期脱水指标获取短期异常程度；利用预设时间后预设时段的状态漂移程度和所述累积脱水指标获取长期异常程度，结合所述短期异常程度以及所述长期异常程度判断食品脱水机是否故障，并控制其停机以及预警。
10.优选的，所述数据采集模块包括：
11.振动加速度采集单元，用于通过加速度计采集转鼓的测量加速度，根据转速和转鼓半径计算转鼓的离心加速度，以所述测量加速度和所述离心加速度的差值作为所述振动加速度。
12.优选的，所述数据采集模块还包括：
13.转速选取单元，用于采集待脱水食品的重量，根据重量选取使待脱水食品脱水效果最好的转速作为其对应的初始转速。
14.优选的，所述工作状态分析模块包括：
15.振动差异获取单元，用于根据所述预设时段内振动信息的极差以及振动信息的平均值获取振动信息的差异。
16.优选的，所述脱水效果评估模块包括：
17.改变程度获取单元，用于获取相邻的预设时段的振动加速度之间的相似度，根据所述相似度获取所述改变程度；所述相似度与所述改变程度呈负相关关系。
18.优选的，所述脱水效果评估模块还包括：
19.短期脱水指标获取单元，用于以温度相似性作为预设值的指数获取温度指标，根据温度指标和改变程度获取短期脱水指标；所述温度指标与短期脱水指标呈正相关关系，所述改变程度与短期脱水指标呈负相关关系。
20.优选的，所述智能控制模块还包括：
21.异常判断单元，用于当短期异常程度大于第一异常阈值时，对应的预设时段内食品脱水机出现异常；并利用长期异常程度对判断结果进行验证。
22.本发明实施例至少具有如下有益效果：
23.通过食品脱水机的数据获取反映其工作状态的状态漂移程度，再利用温度和振动加速度计算脱水指标，然后分别在短期的预设时段内和长期的预设时间内结合状态漂移程度和脱水指标获取食品脱水机的异常程度，该系统特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法，能够通过计算机辅助设计实时监测食品脱水机在脱水过程中的工作状态，及时进行故障预警并自动停机，应用于大数据资源服务、数据库和云数据库服务等互联网数据服务。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
25.图1为本发明一个实施例提供的基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统的系统框图。
具体实施方式
26.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
28.食品脱水机包括用于进料的进料斗、电机、转鼓以及电机与转鼓之间的连接轴，食品通过转鼓旋转带走食品中的水分，达到脱水效果。下面结合附图具体地说明本发明所提
供的基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统的具体方案。
29.请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的基于多模态物联网的食品脱水机智能控制系统的系统框图，该系统包括以下模块：
30.数据采集模块100、工作状态分析模块200、脱水效果评估模块300以及智能控制模块400。
31.数据采集模块100，用于采集连接轴的温度和振动数据、转鼓的转速和振动加速度。
32.具体的，数据采集模块100包括：连接轴数据采集单元110、振动加速度采集单元120以及转速选取单元130。
33.连接轴数据采集单元110，用于采集连接轴的温度和振动数据。
34.温度传感器分别安装在连接轴上以及转鼓的相对两侧，用于检测连接轴以及转鼓的实时温度，三个部位的温度数据分别为ta、tb和tc，采集频率为每秒一次。
35.转鼓在旋转过程中产生振动，并传递给连接轴，振动传感器安装在连接轴上，记录连接轴产生的振动信息os，采集频率为每秒一次。
36.振动加速度采集单元120，用于通过加速度计采集转鼓的测量加速度，根据转速和转鼓半径计算转鼓的离心加速度，以测量加速度和离心加速度的差值作为振动加速度。
37.在转鼓的上下两个平面上均匀安装四个加速度计并且两个平面上的加速度计对应位置对称，加速度计总共8个，用于测量转鼓旋转过程中的加速度数据。每个加速度计在工作中每间隔1s测量一次数据，四对加速度计采集的测量加速度为间隔1s测量一次数据，四对加速度计采集的测量加速度为通过测量计算对称的加速度的变化，可以得出转鼓在工作中的倾斜变化情况。
38.转鼓旋转时，在其边缘产生较大的离心力，离心力与转鼓的转速、半径和质量有关，因此，可以通过测量的转鼓的转速、半径和质量计算出转鼓的实时离心力，加速度计在测量的时候会有离心力的干扰。因此，需要计算出转鼓旋转中理论上的离心力大小。
39.经过采集到的转鼓转速数据及转鼓半径，得到转鼓理论上的离心加速度数据为对于处的振动加速度为同样的，每个测量加速度与离心加速度做差的绝对值为对应的振动加速度，依据上述公式计算出8个加速计处的振动加速度为度做差的绝对值为对应的振动加速度，依据上述公式计算出8个加速计处的振动加速度为
40.去除离心加速度，能够有效提取由转鼓异常晃动产生的加速度，给最终得到脱水机的故障信息提供强有力的数据支撑。
41.转速选取单元130，用于采集待脱水食品的重量，根据重量选取使待脱水食品脱水效果最好的转速作为其对应的初始转速。
42.称重传感器安装在进料斗底部，用于测量待脱水食品的重量m1。使用k-means算法将食物的重量分成10个重量区间，每个重量区间对应一个能够使其脱水效果最好的转速。称重传感器感知到食品重量，将感知到的重量信息发送给智能控制中心，控制中心下达电机对应转速的指令，该转速是电机的初始转速。
43.需要说明的是，若食品脱水机正常工作时，选取的转速为使当前食品脱水效果最好的转速，且一直保持该转速对食品进行脱水；若食品脱水机工作状态异常时，转速可能会
因异常改变。
44.光电编码器安装在转鼓电机内部，用于测量电机的实时转速v。
45.工作状态分析模块200，用于在预设时段内，根据转速的变化、振动信息的差异以及温度的变化获取食品脱水机的状态漂移程度。
46.具体的，工作状态分析模块200包括：振动差异获取单元210和状态漂移程度获取单元220。
47.振动差异获取单元210，用于根据预设时段内振动信息的极差以及振动信息的平均值获取振动信息的差异。
48.在本发明实施例中预设时段为5秒，振动信息的差异δos的计算公式为：
[0049][0050]
其中，os
max
表示预设时段内振动信息的最大值，os
min
表示预设时段内振动信息的最小值，osi表示第i秒的振动信息。
[0051]
转鼓在旋转过程中若发生较大振动，电机与转鼓的连接轴处的振动会较为明显，因此，转鼓的振动信息在预设时段的极差代表转鼓这一段时间内的振动剧烈程度，再除以平均值表示连接轴的振动信息的差异。
[0052]
状态漂移程度获取单元220，用于在预设时段内获取食品脱水机的状态漂移程度。
[0053]
在本发明实施例中，转速的变化和温度的变化均由对应数据的标准差表示，在其他实施例中还可以采用方差等其他能够表示数据变化的物理量表示转速的变化和温度的变化。
[0054]
状态漂移程度的计算公式为：
[0055]
u＝ln[1 std(v)]*δos*std(t)
[0056]
其中，u表示预设时段内的状态漂移程度，std(v)表示预设时段内转速的标准差，std(t)表示预设时段内温度的标准差。
[0057]
转鼓的速度变化会影响食品脱水机的工作效率，进而影响到食品脱水机整体的状态漂移程度，连接轴附近的温度变化大，可能是连接轴温度异常升高，说明轴承等部位缺乏润滑，说明工作状态较差，对应的状态漂移程度数值较大。
[0058]
脱水效果评估模块300，用于获取相邻的预设时段之间的温度相似度；基于相邻的预设时段的振动加速度的变化情况获取转鼓姿态的改变程度；利用温度相似度和改变程度获取短期脱水指标，进而获取预设时间内的累积脱水指标；预设时间包括多个预设时段。
[0059]
具体的，脱水效果评估模块300包括：温度相似度获取单元310、改变程度获取单元320、短期脱水指标获取单元330以及累积脱水指标获取单元340。
[0060]
温度相似度获取单元310，用于获取相邻的预设时段之间的温度相似度。
[0061]
以所有位置处的平均温度组成的温度序列在相邻预设时段，即相邻的两个5秒之间的余弦相似度作为温度相似度：
[0062][0063]
其中，d(x,y)表示第x个预设时段和第y个预设时段之间的温度相似度，且x与y为相邻数字，即x＝y 1或者x＝y-1；表示在第x个预设时段内连接轴的温度平均值，
分别表示第x个预设时段内转鼓两侧的温度平均值；表示在第y个预设时段内连接轴的温度平均值，分别表示第y个预设时段内转鼓两侧的温度平均值。
[0064]
通过计算脱水机的温度相似度判断食品脱水机的转动部件是否出现故障，脱水机会在运行一段时间后，其温度不再有明显的变化，发生明显变化时说明食品脱水机运行状态异常导致部件发热。
[0065]
改变程度获取单元320，用于获取相邻的预设时段的振动加速度之间的相似度，根据相似度获取改变程度；相似度与改变程度呈负相关关系。
[0066]
通过计算相邻的预设时段，即相邻的两个5秒在同一位置处的振动加速度序列的dtw距离获取振动加速度之间的相似度：
[0067][0068]
其中，r(x,y)表示第x个预设时段和第y个预设时段之间的振动加速度相似度，且x与y为相邻数字，即x＝y 1或者x＝y-1；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，
表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离；表示第x个预设时段在处的振动加速度序列，表示第y个预设时段在处的振动加速度序列，表示第x个预设时段和第y个预设时段在处的振动加速度序列之间的dtw距离。
[0069]
dtw距离越大，说明两个序列之间的差异越大，以两个序列的dtw距离作为自然常数e的负指数，得到两个序列的相似性，dtw距离越大，两个序列的相似性越小。
[0070]
改变程度转鼓在不同时刻的姿态是在一直变化的，振动加速度的相似性越高，说明转鼓的姿态关联度越强，相邻时段的转鼓姿态变化越小。
[0071]
短期脱水指标获取单元330，用于以温度相似性作为预设值的指数获取温度异常指数，根据温度异常指数和改变程度获取短期脱水指标；温度异常指数与短期脱水指标呈正相关关系，改变程度与短期脱水指标呈负相关关系。
[0072]
具体的计算公式为：
[0073][0074]
其中，e(x,y)表示第x个预设时段和第y个预设时段组成的相邻时段的短期脱水指标，其值越大，脱水效果越好。
[0075]
特别说明的是，短期脱水指标是在食品脱水机稳定工作之后进行计算的，正常工作状态下，根据重量确定初始转速后一直以能达到最佳脱水效果的转速进行脱水，若相邻时段的温度相似度低，说明温度差异在一段时间突然增大，轴承等部位异常产热，食品脱水机的短期脱水指标降低；若转鼓在旋转中姿态改变程度大，说明可能出现异常晃动，会降低食品脱水机的脱水效能，短期脱水指标降低。
[0076]
累积脱水指标获取单元340，用于依据预设时间内的短期脱水指标获取累积脱水指标。
[0077]
每两个相邻的预设时段构成的相邻时段计算得到一个短期脱水指标，在本发明实施例中预设时间为1分钟，包括12个预设时段，组成11个相邻时段，将所有相邻时段的短期脱水指标相加得到累积脱水指标在本发明实施例中x＝y-1。
[0078]
脱水机在不同的相邻时段的短期脱水指标可能处于缓慢的变化之中，通过计算累积脱水指标，可以有效增加控制系统的诊断准确性。
[0079]
智能控制模块400，用于利用相邻的预设时段之间的状态漂移程度的差异以及短期脱水指标获取短期异常程度；利用预设时间后预设时段的状态漂移程度和累积脱水指标获取长期异常程度，结合短期异常程度以及长期异常程度判断食品脱水机是否故障，并控制其停机以及预警。
[0080]
具体的，智能控制模块400包括：短期异常程度获取单元410、长期异常程度获取单元420以及异常判断单元430。
[0081]
短期异常程度获取单元410，用于利用相邻的预设时段之间的状态漂移程度的差
异以及短期脱水指标获取短期异常程度。
[0082]
计算短期健康程度z：
[0083][0084]
其中，uy表示第y个预设时段的状态漂移程度，u
x
表示第x个预设时段的状态漂移程度，且y＝x 1。
[0085]
需要说明的是，是对短期脱水指标的归一化，该值越大，脱水效果越好，食品脱水机的短期健康程度越大；根据状态漂移程度u的计算公式可知其值域为[0,1]，相邻的预设时段之间的状态漂移程度的差异越大，食品脱水机的工作状态越有可能发生异常，短期健康程度越小。
[0086]
计算短期异常程度z
δ
＝1-z，短期健康程度越小，越可能发生异常，短期异常程度z
δ
的值越大。
[0087]
长期异常程度获取单元420，用于利用预设时间后预设时段的状态漂移程度和累积脱水指标获取长期异常程度。
[0088]
首先获取长期健康程度z
′
：
[0089][0090]
其中，u
′
表示预设时间后的预设时段的状态漂移程度，表示预设时间内的平均状态漂移程度。
[0091]
同样计算长期异常程度z
′
δ
＝1-z
′
。由于食品脱水机的故障是缓慢变化的过程，通过计算脱水机长期异常程度，提高诊断故障的准确程度。
[0092]
异常判断单元430，用于当短期异常程度大于第一异常阈值时，对应的预设时段内食品脱水机出现异常；并利用长期异常程度对判断结果进行验证。
[0093]
将短期异常程度与第一异常阈值进行比较，当短期异常程度大于第一异常阈值时，食品脱水机的异常程度较大，继续运行有较大可能会造成食品脱水机损伤，此时应当控制食品脱水机自行停机，并对工作人员进行异常预警。
[0094]
作为一个示例，本发明实施例中第一异常阈值为0.6。
[0095]
食品脱水机运行时，将长期异常程度与第二异常阈值进行比较对异常结果进行验证，当通过短期异常程度判断食品脱水机的工作状态为正常，而长期异常程度判断其状态异常时，说明食品脱水机在短期的工作状态下没有异常，而在时序上的较长期状态下出现异常，此时也应当进行异常预警，增加故障判断的可靠性。
[0096]
作为一个示例，本发明实施例中第二异常阈值为0.6。
[0097]
综上所述，本发明实施例包括以下模块：
[0098]
数据采集模块100、工作状态分析模块200、脱水效果评估模块300以及智能控制模块400。
[0099]
具体的，通过数据采集模块采集连接轴的温度和振动数据、转鼓的转速和振动加速度；通过工作状态分析模块在预设时段内，根据转速的变化、振动信息的差异以及温度的变化获取食品脱水机的状态漂移程度；通过脱水效果评估模块获取相邻的预设时段之间的
温度相似度；基于相邻的预设时段的振动加速度的变化情况获取转鼓姿态的改变程度；利用温度相似度和改变程度获取短期脱水指标，进而获取预设时间内的累积脱水指标；通过智能控制模块利用相邻的预设时段之间的状态漂移程度的差异以及短期脱水指标获取短期异常程度；利用预设时间后预设时段的状态漂移程度和累积脱水指标获取长期异常程度，结合短期异常程度以及长期异常程度判断食品脱水机是否故障，并控制其停机以及预警。本发明实施例能够实时监测食品脱水机在脱水过程中的工作状态，及时进行故障预警并自动停机，避免造成更大的损失。
[0100]
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0101]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0102]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。