物聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)重傳感器生命周期及故障預警研究

回顧過(guò)去，作為電子地磅稱(chēng)重系統的核心部件，應變式稱(chēng)重傳感器的發(fā)展主要經(jīng)歷了從模擬式到數字式的轉變[1,2,3]:20世紀40年代，利用粘貼式電阻應變計的模擬式稱(chēng)重傳感器問(wèn)世；20世紀80年代中期，為克服模擬式稱(chēng)重傳感器的固有缺陷（如輸出信號小、傳輸距離短、抗干擾能力差、安裝調試不方便等），國際上有公司把“數字式”概念引入電子稱(chēng)重領(lǐng)域———將微處理器技術(shù)、數字補償技術(shù)與應變式稱(chēng)重傳感器技術(shù)相結合，研制出數字式稱(chēng)重傳感器。關(guān)于數字式、數字化、數字型、整體型和分離型等概念的辨析，國內衡器行業(yè)的專(zhuān)家多次發(fā)文強調[1,2,3,4]，討論核心是模擬傳感器所附加的數字控制電路的處理能力以及該數字模塊是置于傳感器內部還是外部，國外則統一用數字稱(chēng)重傳感器（digital load cell）表示。稱(chēng)重傳感器被冠以“物聯(lián)網(wǎng)”，并非指在傳感器上使用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而是指該類(lèi)型傳感器可以與具備物聯(lián)網(wǎng)功能的電子稱(chēng)重儀表連接，并能雙向交互數據信息和狀態(tài)信息。事實(shí)上，就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將原本丟棄或存儲在稱(chēng)重儀表本地的數據上傳到遠程服務(wù)器中進(jìn)行管理，通過(guò)儀表的聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)施了對傳感器及儀表本身工作狀態(tài)的監測，對傳感器制造廠(chǎng)家而言，收集到物聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)重傳感器和物聯(lián)網(wǎng)儀表的各種工作狀態(tài)數據，就可以很方便的實(shí)現其生命周期及故障預警模型研究，從而為提高產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和準確度服務(wù)。

作為國內應變式稱(chēng)重傳感器的主要企業(yè)，我們希望通過(guò)產(chǎn)品生命周期管理（product lifecycle management,PLM）的研究縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量與服務(wù)價(jià)值。但本質(zhì)上，產(chǎn)品生命周期是一個(gè)關(guān)于產(chǎn)品管理的體系，是產(chǎn)品從原材料入廠(chǎng)、制造過(guò)程、出廠(chǎng)運輸、實(shí)際使用、最終退市等全過(guò)程的信息傳遞的渠道，需要企業(yè)有良好的信息化基礎，才能支持產(chǎn)品生命周期信息的創(chuàng )建、管理、分發(fā)和應用，它也體現了現代企業(yè)通過(guò)信息技術(shù)管理自身業(yè)務(wù)的理念。在非物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的條件下，傳感器和儀表發(fā)給用戶(hù)，使用的各種狀態(tài)很難全面獲取，一般都是衡器出故障或失準了，終端用戶(hù)通過(guò)電話(huà)聯(lián)系衡器廠(chǎng)家解決問(wèn)題。但到底是哪個(gè)部件的問(wèn)題？問(wèn)題到底是如何產(chǎn)生的？各制造環(huán)節有沒(méi)有工藝、質(zhì)量問(wèn)題？這些問(wèn)題有沒(méi)有經(jīng)濟有效的解決途徑？等等諸如此多的問(wèn)題都很難徹底解決，導致國內衡器及其配件質(zhì)量和技術(shù)水平都在同質(zhì)化惡性競爭中難以提升。為此，我們率先從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)入手，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統圍繞秤臺實(shí)際的各種工況條件展開(kāi)研究，在多物理量傳感器、限位距離監測、角度監測、秤臺撓度監測、基礎強度和水平度監測等非稱(chēng)重物理量上大量展開(kāi)研究，以便能更好的發(fā)現秤臺工作中的各種變化和影響準確性的因素，通過(guò)傳感器智能化與物聯(lián)網(wǎng)化創(chuàng )新、其它物理量輔助采集，以邊緣計算及多物理量融合技術(shù)來(lái)發(fā)現上述這些應用問(wèn)題的根源。首先，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺及大數據分析技術(shù)，一方面分析回收傳感器的故障分析統計數據，追溯至研發(fā)、使用和制造等環(huán)節進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化；另一方面，分析稱(chēng)重現場(chǎng)的傳感器使用數據，通過(guò)模型訓練來(lái)預測傳感器健康狀態(tài)（包括功能壽命和物理壽命）的衰退趨勢。最終，結合使用和回收環(huán)節分析得到的信息開(kāi)發(fā)產(chǎn)品故障預警系統，并根據不同的使用場(chǎng)景及可能的故障類(lèi)型實(shí)現個(gè)性化產(chǎn)品定制，分析研究流程具體如圖1所示；其次，通過(guò)大數據分析給用戶(hù)提供衡器秤體、限位和基礎等的改善建議報告，最終為計量更加準確和產(chǎn)品更可靠而增值，為實(shí)現國內衡器由數量轉向高質(zhì)量發(fā)展服務(wù)，這種需求的實(shí)現技術(shù)就得依靠物聯(lián)網(wǎng)，我們衡器行業(yè)人士應該毋容置疑，我們每年在國際國內舉辦上百場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品巡回服務(wù)，正在為衡器物聯(lián)網(wǎng)系統的普及和推廣不懈努力中。

關(guān)于電子汽車(chē)衡的變化研究，在傳統衡器的經(jīng)驗依據下，其最為直觀(guān)的可見(jiàn)變化就是零位的變化，即當一臺汽車(chē)衡配置完整安裝在現場(chǎng)時(shí)，其空秤臺的總重是一定的，起始每只傳感器的零點(diǎn)和靈敏度也是被確定了的，所以，理論上這臺衡器的空秤臺零點(diǎn)應該在一段時(shí)間內不會(huì )發(fā)生較為明顯的變化，以前由于汽車(chē)衡不聯(lián)網(wǎng)，這些數據的變化與否以及變化大小，都基本無(wú)人關(guān)注，當汽車(chē)衡出現故障或失去準確性時(shí)，也是盲目的對傳感器和儀表經(jīng)過(guò)設備廠(chǎng)家的維修人員檢修后，只要發(fā)現有異常的就予以更換，無(wú)人知道和分析這些故障產(chǎn)生的原因，這對衡器設備廠(chǎng)商和傳感器、儀表廠(chǎng)家都是技術(shù)提升的不利因素。目前推廣物聯(lián)網(wǎng)系統以后，我們通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)重傳感器正常使用時(shí)產(chǎn)生的歷史數據，提取辨識傳感器的運行工況特征，結合秤臺定期檢定及校準時(shí)記錄的傳感器數據及退回故障傳感器的歷史使用數據，訓練建立傳感器健康狀態(tài)的評價(jià)模型。針對不同故障類(lèi)型，在傳感器全生命周期中追溯“致命”原因，提供改進(jìn)措施。對于實(shí)時(shí)在線(xiàn)的稱(chēng)重及狀態(tài)數據，可以通過(guò)建立的健康評價(jià)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)評價(jià)及健康衰退趨勢的分析預測，給終端用戶(hù)提供故障預警服務(wù)建議。在物聯(lián)網(wǎng)衡器系統中，我們在以物聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)重傳感器為技術(shù)基礎的優(yōu)勢上，重點(diǎn)將對每只傳感器內碼（即數字傳感器零點(diǎn)）變化做實(shí)時(shí)采集和變化規律分析研究，從而推斷汽車(chē)衡使用中的偏載誤差、超載情況及次數、稱(chēng)重過(guò)程對傳感器內碼的影響等，來(lái)分析傳感器內碼變化作相關(guān)討論。其中，數據準備工作包括數據清洗以及基于一定規則將傳感器內碼序列按秤臺的不同狀態(tài)———空秤穩定狀態(tài)、非穩定狀態(tài)以及負載穩定狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。

對傳感器內碼進(jìn)行分析之前，需要了解多節秤臺衡器上不同位置傳感器的受力關(guān)系，理想的受力關(guān)系需滿(mǎn)足，即多個(gè)傳感器的內碼之間存在一定關(guān)系（y理論=f(x)），通過(guò)研究不同狀態(tài)的X與實(shí)際輸出y實(shí)際，發(fā)現傳感器使用的經(jīng)驗規律f，不斷優(yōu)化傳感器的生命周期管理。

對于物聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)衡設備，我們以表1的格式為例，列出基本信息，其中設備代號A30120右上角的數字30代表使用的傳感器滿(mǎn)量程值（30t），右下角的數字120代表儀表設置的秤臺標定滿(mǎn)量程值（120t），文字“砂石”代表使用場(chǎng)景（砂石廠(chǎng)）。另外用于參考的信息還包括：安裝城市，用于關(guān)聯(lián)汽車(chē)衡使用的環(huán)境天氣數據（可從氣象網(wǎng)站爬取數據）；基坑類(lèi)型：分無(wú)基坑/淺基坑/未知；傳感器名稱(chēng)，如QS-D30t(E），提供了傳感器的結構、材料、滿(mǎn)量程、數字模塊類(lèi)型等具體信息。理論上，傳感器安裝于秤臺下方正常受力時(shí)，初始空秤總內碼與秤臺自重正相關(guān)，隨著(zhù)傳感器自身零位以及受力位置的變化，實(shí)際的空秤總內碼會(huì )發(fā)生變化，所以表1中同時(shí)給出了“初始空秤總內碼”與“最新空秤總內碼”，作為快速判斷系統受力變化的參考。

以某臺10只傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)衡過(guò)磅過(guò)程為例，收集到的內碼數據變化所繪制的物聯(lián)網(wǎng)傳感器內碼隨時(shí)間變化的圖形，可以看到其能很明顯的展示該汽車(chē)衡在一次完整稱(chēng)重過(guò)程中傳感器內碼的變化，包括上下秤的非穩定狀態(tài)以及車(chē)輛停止在秤臺上的穩定狀態(tài)，其中穩定狀態(tài)持續時(shí)間約為160s，而車(chē)輛上下秤過(guò)程都不超過(guò)20s，同時(shí)可以根據不同傳感器內碼的變化順序判斷安裝位置（依舊是(1)(2)、(3)(4)、(5)(6)、(7)(8)、(9)(10)為同軸傳感器），從曲線(xiàn)圖觀(guān)察到該臺秤的(5)(6)號傳感器受力有偏差（即(6)號傳感器內碼大于(5)號）。另外，在車(chē)輛下秤過(guò)程中，(2)號傳感器受沖擊較嚴重（傳感器內碼瞬時(shí)增大），直接影響就是上文中提到的傳感器零位（空秤/空載內碼）變化。如果本次過(guò)磅過(guò)程中有人為作弊行為，則圖4中的曲線(xiàn)也會(huì )發(fā)生明顯的異常變化，會(huì )背離正常過(guò)磅的曲線(xiàn)變化趨勢，便可做出必要的作弊預警提示，并以過(guò)磅日志形式存儲在服務(wù)器，便于數據可靠性、真實(shí)性的追溯?？梢?jiàn)，通過(guò)分析秤臺非穩定狀態(tài)下傳感器內碼的變化，可以提取傳感器安裝位置與車(chē)輛上下秤行為的信息，量化傳感器在使用中受到的外界和載荷作用的影響，結合傳感器使用、更換維修等日志，為傳感器可靠性、數據真實(shí)性分析提供了研究的基礎。