机械设备故障诊断云服务研究

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摘要：为了提高工厂效率，对设备测点故障进行专业的诊断，利用故障诊断云系统完成故障信息的检测与收集，实现专家资源共享。用MySQL进行数据库的搭建，形成若干测点设备、车间、工厂和云端的数据共享；利用Java进行前后端的搭建，建立人机交互，远程监测，获取数据及诊断故障。设计一套基于JavaWeb的故障诊断云服务系统，该系统主要特点是将传统故障诊断与云平台相联系，将设备振动数据实时存储在云数据库，并通过云平台以图形化形式呈现给用户，从而实时监控企业机械设备的运行状态。

关键词：故障诊断；云数据库；专家系统；设备远程故障诊断中心；诊断架构

1研究内容

研究在适应互联网＋的新生态下的云端储存，本文研究的主要内容是机械设备的云诊断系统的搭建。研究的对象包括：设计基于云存储的智能设备故障诊断系统。故障诊断系统的所有分析和存储任务将在云端完成。然后，云端通过网络将处理后的结果返回给用户，这种方法具有低成本和强大的可扩展性两个特点。系统传感器用作数据输入，以将所有数据同步到云平台，包括振动、温度和其他收集的数据、数据处理和显示，并提供被测设备的运行状态检测。设计云端数据库并实现与云端数据库的连接。通过登录本系统的云平台主界面，用户可以实时查看某一测点的时域波形、频域波形、包络时域波形、包络频域波形，以及该测点振动烈度值及其超标时的报警信息，同时还可以查看系统的报警历史记录。

2目的意义

随着故障诊断技术和互联网技术的不断发展，故障诊断与云计算的结合势必成为未来行业的发展趋势。如今，随着企业设备的管理逐渐智能化，故障诊断技术在设备的稳定运行和企业安全生产中具有很高的地位。其中，故障诊断行业的数据越来越复杂，传统的诊断方法已经不能满足故障诊断行业的效率要求。传统的故障诊断方法存在很多缺点，如数据存储效率低、存储不容易、容易出错、数据共享不便、故障检测不及时等。因此，开发基于Ja-vaWeb的故障诊断云系统具有符合现代互联网发展的要求。

3国内外研究现状分析与评价

3．1研究现状。不同于局限于有限资源的个人电脑，云计算为用户提供了一种全新的模型来使用计算资源。云计算使人们可以轻松，快速地使用远程即云端服务器。计算资源的位置称为云，输入／输出设备称为云终端。终端是我们控制云的工具，云位于“远处”（与实际所在地无关，需要通过网络进行控制），两者通过计算机网络连接。云终端与云之间是标准的C／S模式，即客户端／服务器模式———客户端通过网络向云发送请求消息，然后云处理该请求并将结果返回给客户端［1］。随着科技的不断进步，互联网迎来了快速发展的时代，企业为满足用户的全新需求提出了新的考验。以Amazon在2006年3月13日的S3服务为起点，到2008年“云计算”的概念被Google提出来，如今其发展已经经历了数个互联网发展浪潮，从鲜为人知到被人们所接受，再到大众的积极传播，它正经历着如日问中天的发展。此前，当云计算的概念还未被大众熟知和认可时，其带来的经济及技术效应已经成为了IT业界、媒体传播渠道，乃至所有涉及IT信息化、政府宏观规划、国民生计的各大行业关注的焦点。与此同时，一些基于云服务的商业模式与解决方案应运而生［2］。中国在云计算的部署规模，技术创新及商业模式中得以迅猛发展的三大因素在于：其一，中国互联网用户的数量庞大，信息终端普及率很高；其二，企业和消费者对IT技术的理解和接受度很高；其三，政府对云计算行业的大力支持以及带宽中国战略的大力发展。各种“云计算”应用程序服务的范围正在扩大，对大数据处理的需求也在扩大。目前国内外的很多企业都开发了关于“云”的服务平台。比如，国外有国际商业机器中心（IBM）的“IBMCloud”、Amazon的“（EC2、S3）”、Salesforce的“CRM”等等，国内的云平台有阿里巴巴公司的“阿里云OSS”，腾讯公司的“CEE”、华为公司的“华为云”等等。美国加州大学计算机领域的导师们带领他们的组员们开发研究“Amazon”的“EC2”和“S3”出来的“Eucalyptus”，澳大利亚墨尔本大学的Buyya教授带来的团队中研究的“云计算技术仿真模拟器C1oudSim”。这种类似的研究极大地促进了云技术的发展，并成功地将云计算方法与医疗、卫生、教育、制造业、政府、模块、金融业、交通和农业相关领域相结合，从而促进了云计算平台的发展。随着Internet技术的快速发展，大量新技术已开始用于远程诊断系统。例如，欧洲开发的DAME系统将网格技术应用于飞机发动机故障诊断，为了使系统更快地发现异常数据信号，系统将飞机发动机传感器的数据快照与模型进行比较。国内的合肥工业大学对网格技术和远程故障诊断相结合的故障诊断系统进行了深入的分析和研究，并提出了故障诊断网格中的任务调度架构。通过仿真软件验证了该方法的可行性；上海交通大学对基于服务导向架构的设备故障诊断系统进行了大量研究，并开发了一套基于SOA的在线故障诊断系统。该系统可以充分利用现有的故障诊断系统来满足各种要求。样品设备的诊断要求已经实现了各种诊断资源的结合。该项目利用云计算的构架来设计基于云端的故障诊断系统架构。云计算技术被应用于机械故障诊断系统，以提高故障诊断的稳定性。3．2分析及评价。在IT行业中，也存在着和摩尔定律相似的现象，存在一个以15年为的周期现象。从1966年到可预见的未来，它可以分为6个周期。每个周期的热门技术如下：1966～1980是大型机时代，1981～1995是个人计算机时代，1996～2010是互联网时代，2011～2025是云计算时代，2025～2040是人工智能时代。每个周期都是基于前一个周期的产品。可以看出，在21世纪，技术热点的迭代是非常迅速的，但这并不意味着前一个周期的产品将消失。当前的云计算正处于蓬勃发展的时代。与传统计算机不同，云计算引入了一种使用云端资源进行计算的新模式，该模式可以快速响应，所需的管理工作较传统模式少了许多，与传统客户相比交互最少。云计算的概念是较难定义的，但其在基础架构服务级别的应用更加具体和生动，即云存储。云存储是使用云计算技术来部署和部署可用计算资源的新一代计算模型。

4研究技术路线及基础架构设计

4．1研究的技术路线。系统分为硬件和软件两部分，硬件部分主要实现振动数据的采集和传输。本系统通过传感器来采集振动信息，然后利用LabVIEW对数据进行时域、频域、包络分析及振动烈度计算，并把数据实时上传至云服务器。软件部分就是利用Java进行Web前端开发、数据库设计、服务器端与浏览器端数据通信方式设计、在浏览器端呈现从云端数据库获取的各个测点数据，以及云服务器的搭建等。采集的数据可以作为大数据分析的基础数据库，用于历史查询故障诊断。系统总体结构如图1所示。图1云服务故障诊断系统结构云终端是整个故障诊断云服务系统设计和研究的重点。它负责与客户和云服务中心建立联系。云终端与企业设备之间的通信通过作为转移站的云数据库完成。传感器实时收集企业设备的振动数据，并将其实时传输到云数据库。云终端实时读取数据库的最新振动数据，并以图形形式在云终端上显示；云终端与云服务中心之间的通信通过网络连接。该设计的重点是云终端的设计。云终端将客户请求发送给云服务中心，并根据用户请求的内容进行处理，并将处理后的结果返回给浏览器。云终端的结构设计如图2所示。云服务故障诊断系统具有以下功能：1）故障诊断功能。振动强度值用作设备故障的量度。传感器测量轴承诊断数据并对其进行处理后，使用振动标准（ISO2732）确定轴承的安全状态。当振动强度值异常时，启动报警功能，并及时通知用户。对于故障诊断，用户可以根据振动趋势分析图上的国际振动强度标准，在页面上调整报警线。诊断完成后，诊断人员将上载诊断报告，并且可以通过云终端修改传感器参数。客户可以下载诊断报告，了解故障原因，并根据诊断报告积累诊断经验。用户还可以实时查看系统监视点的原始信号，包络时域信号和包络频域信号图。2）系统权限管理。系统身份认证包括普通用户和管理员，其中管理员包括诊断人员。普通用户登录系统时需要验证其身份，并且可以登录系统进行操作。管理员还需要验证身份，以确保系统的安全和稳定，以防止外部用户登录到系统。管理员用户可以在后端系统中添加、删除和修改操作，例如工厂、车间、设备和监视点。3）历史报警记录查询功能。云终端提供历史数据查询功能，根据用户的查询条件，可以从云数据库中提取满足要求的数据并显示给用户。具体来说，云终端需要完成系统管理、后台系统管理和诊断管理三个功能。具体功能模块图如图3所示。安装在设备上的传感器采集振动的信息，然后由LabVIEW设计的数据处理系统对数据进行时频域等的分析处理，把数据上传至云服务器。云终端实时从数据库拉取最新的数据，显示在客户端，用户可通过云终端与云服务中心交互，完成各种操作，比如查看设备的运行状态以及历史数据等。本项目在整体系统研发的基础上主要完成软件部分设计。云终端负责与企业设备和云服务中心通信，客户通过网络中心与云服务中心通信。云服务中心负责存储所有数据以及数据的共享，并且数据存储在云服务中心不必担心数据丢失问题。本项目的重点在于云终端的设计，云终端把客户请求发送到云服务中心并且根据用户请求的内容，进行相应的处理。云服务中心通过网络中心与机械设备相连，用户通过互联网与云服务中心交互。4．2基础架构设计。系统要实现哪些功能，如果选对方法则事半功倍。期间不仅要考虑预期过程，还要考虑预期结果，以及这种方法带来的副作用，比如数据传输，采用哪种通信方式、哪种数据格式、数据怎么显示出来、数据怎么存储、数据库怎么设计等等，一系列问题都要考虑进去。本项目开发是基于云服务的机械故障诊断，云平台界面的开发是基于Java进行Web开发的，采用的框架是SSH，整体思路是MVC模式，该框架的好处就是开发过程层层分明，功能模块与显示模块既分离又相互耦合，而且程序有很强的扩展移植性，系统Ajax技术进行服务器与客户端的数据传输。Eclipse是目前使用Java进行Web开发最好的一款开发环境，由于其容易纠正编程错误、进行代码自动装配快等特点，一经推出就广受欢迎。数据库选择的是MySQL，其开源，适合中小型企业，与MySQL相关的开发工具也是开源。数据传输格式采用的是JSON格式，JSON拥有简介清晰的数据格式，易于解析也容易生成，有利于提高网络传输速率，并且数据可视化插件Echart通常数据输入的也是JSON格式。本文为数据库使用关系数据模型。数据结构是一个二维数据表，每个二维表是一个关系。关系数据模型具有清晰，简单和易于理解的数据关系的特征。关系数据库是在严格的数学基础上设计的，简化了数据库建立的复杂过程，因此可以在数据库系统中快速广泛地使用。数据库设计分为六个阶段。第一阶段是执行系统需求分析。需求分析是为了弄清用户的需求，清楚地了解要处理的各种对象，并进行细分，充分了解系统的工作概况，并定义系统的需求。在设计需求时，我们不仅要考虑当前用户的需求，还要考虑当前用户的需求。未来用户需求的扩展。因此，我们必须考虑数据库的长期设计，以便将来可以根据用户的新需求修改数据库；第二阶段是概念结构设计阶段。所谓的概念结构设计是将用户需求抽象为信息结构的过程。通常，ER图用于概念设计。每个表都被抽象为实体和属性之间的关系。属性已关联。例如，本文数据库设计中的车间表（wkshop）通过属性（fid）和工厂表（wkshop）建立了两者之间的关系；第三阶段是逻辑结构设计；第四阶段是物理结构设计。选择最适合数据库的应用程序环境。在设计物理结构时，必须考虑数据存储时间，数据存储内存以及以后的维护成本。但是，这三个方面是相互制约的。例如，当添加数据的描述信息时，数据访问时间会缩短，但是数据库的存储空间会变大。因此，在设计数据库时，请专注于数据库并根据用户的实际需求选择合理的设计；第五阶段是数据库的实际实现，即将数据组织到数据库中并执行功能测试；第六阶段是数据库的定期维护［3］。本文根据云服务故障诊断系统的需求分析数据库表实体类，然后设计E－R关系图，创建新的数据表，最后形成数据表。在用户登录界面中，需要提供用户名和密码字段，并将用户分为普通用户和超级用户，并且需要设计两个用户表：用户表和adminuser表。在主页菜单中，有工厂、车间、设备和测量点，因此分为工厂表（factory）、车间表（wkshop）、设备表（device）、测量点表（cat-egorys）、数据表（chart）、历史警报信息表（hisy）。工厂表和车间表是一对多关系，车间表和设备表是一对多关系，设备表和测量点表是一对多关系关系，测量点表和数据表以及历史报警信息表是一对多和多对一的关系。通过在数据表中设置外键来建立数据表之间的关系。数据表如表1所示。本系统Web端采用的是SSH框架和JSP技术进行系统Web端的开发，Struts2是一个Web层的框架，主要用来处理JSP页面用户的请求，如果该请求涉及到业务层的话，再把该请求传到Action，由控制层处理。Struts2采用MVC模式进行处理。Hibernate用来管理实体类对象，并把实体类对象映射到数据库中相应的表中。很大程度上简化了很多数据库操作的步骤，使开发变得更简单。控制层细分的话分为action、service、Dao层，其中action中调用相应的service，service再调用相应的Dao，而Spring就是把这种调用关系的注入交给配置文件，通过这种方式把Web页面显示、业务层、Dao层和数据库联系在一起，并且层次分明，各部分相互耦合，有利于后期系统的维护。故障诊断云服务系统根据功能需求分为用户登录、注册模块、个人信息管理、历史报警数据查询模块、数据采集模块以及数据实时显示模块、异常报警和后台系统管理模块。其中用户登录流程图如图4所示。在数据显示模块，使用图像化显示工具把原始振动数据、包络时域信号、包络频域信号、振动烈度以图表的形式呈现给用户。数据的实时显示是通过实时读取数据库中数据来达到的，数据传输时采用的是JSON数组的形式，同时，数据是以JSON数据格式存在云服务器中，数据库中存的是文件所在的位置，这样可以充分利用云服务器的优势，解决了数据传输缓慢、消耗数据库内存、降低查询速率等问题。其中，数据实时显示与历史报警查询的流程图如图5所示。

5结束语

本文设计了一套基于JavaWeb的故障诊断云服务系统。该系统的主要功能是将传统故障诊断与云平台链接起来。设备振动数据实时存储在云数据库中，并通过云平台以图形形式呈现给用户，从而实现对企业机械设备运行状态的实时监控。与传统的物理服务器相比，云服务器具有以下优势：1）快速灵活。云服务器支持灵活分配资源，即用户可以根据系统的实际需求自主增加或减少CPU、内存等资源。例如，在一定时间段内，并发用户访问系统的数量很大，则开发人员可以增加云量。服务器的CPU、内存和其他资源可以减少此时间段后的资源投入，并且只需要花费一定的时间即可。几个小时即可完成云服务器资源的增加或减少。传统服务器受单个服务器限制。如果要增加服务器资源，则需要专业技术人员来增加物理服务器中的内存，此过程将花费更多时间。2）成本低。用户可以根据需要购买服务器的特定配置。有多种计费方法，例如根据某些类型的资源（例如内存、CPU、存储设备等）的使用情况和持续时间进行计费，或者可以根据每次使用情况进行计费。用户根据并发用户数购买具有一定内存量的服务器，以避免浪费资源。传统服务器还需要支付额外的带宽成本、托管成本等。3）无需维护。云服务器由云服务器提供商维护，不需要用户。传统服务器需要专业维护和额外费用。4）安全可靠。云服务器使用分布式存储，具有良好的可扩展性和安全性。如果一个节点发生故障，其他节点可以继续工作而不会丢失数据。传统服务器无法实现分布式存储。一旦计算机发生故障，数据安全就会受到威胁，并且可能无法检索。例如，阿里云为所有数据中心提供灾难恢复计划。5）高稳定性。云中的集中监视和部署使控制病毒、恶意软件和黑客变得更加容易。

作者:张宝霖 苑宇 高园园 张典 单位:大连交通大学机车车辆工程学院