CN103487275B - 基于二维投射的煤矿设备状态识别和预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿设备状态识别和预警方法，涉及煤矿主扇风机和提升机。本发明的诊断方法是从设备监测监控***中提取振动信号，经数据分析和计算得出24个特征指标用以描述设备运行状态，利用二维投射方法将所述24个特征指标投射到二维空间，得到投射值的分布特征。由于所述特征指标的投射值分布对于某一固定设备在正常运转状态下是固定不变的，并以此建立特征评价指标体系，那么通过观察待评估的某一时刻的24个特征指标的投射分布与所述特征评价指标体系相对比，即可判断所述某一时刻设备运行状态是否存在异常，进而提醒工作人员采取相应的维护措施。

Description

基于二维投射的煤矿设备状态识别和预警方法

技术领域

本发明属于煤矿设备故障诊断技术领域，具体涉及一种利用设备振动数据计算24特征指标向量，经寻优计算得到最佳投射方向矩阵，然后根据最佳投射方向矩阵下各典型状态的投射分布形成特征指标评价体系，通过判断未知状态在最佳投射方向矩阵下的投射分布实现对设备故障的识别和预警。

背景技术

煤矿设备发生故障会严重影响生产进度，甚至酿成灾难性事故，对人员和财产都造成了极大的危害。而现有的设备运行状况监测技术远远不能满足判断设备运行状况是否存在异常和故障状态识别的要求。

设备运行状态识别和故障预警是一项技术含量高、难度大的工作，现目前国内外多数都采用搭建实时监测***的方式，采集振动信号、温度信号、压力信号和电参量信号等，这些监测手段对监测设备故障起到积极作用。但是，在对监测数据进行故障报警处理方面，都是通过给定阈值进行故障报警的，阈值报警存在严重弊端：故障识别滞后，不能实现故障潜藏期预警，造成设备维护管理工作非常被动。

设备故障从存在异常到故障是一个逐渐劣化的过程，对此过程最敏感的信号是频域信号，目前也有借助频域信号进行设备故障诊断的，但是主要是借助典型频率分量来判断，但典型频率分量经常会有波动或偏差，而且与不同故障类型的对应关系难以确定。同时加上煤矿工作条件恶劣、工况复杂，因此仅靠典型频率分量无法实现快速状态判断和精准故障识别。由于典型频率分量法无法达到预期目的，所以目前煤矿工程中依然采用前面提到的比较原始被动的阈值报警法。由此可见，对现有设备运行状态识别和故障预警方法进行深入研究意义重大。

发明内容

本发明的目的是针对所述煤矿设备运行状态识别和故障预警方法的不足，提出一种实时诊断方法，一种预报结果较为准确的预警方法。该方法综合了24特征指标向量的投射值分布特征，发明了具有自适应能力，预测准确性较高的煤矿设备运行状态识别和故障预警方法。

本发明的技术方案是：

（1）在煤矿设备关键部位——轴承的水平、垂直、轴向三个方向上安装加速度振动传感器，不间断地监测设备运行过程中的振动数据并将所述振动数据发送至后端接收和处理***，并存入相关数据文件；

（2）对加速度振动传感器中提取的振动数据{a_i,i＝1,2,...,n}进行处理，具体步骤为：

①对所述振动数据{a_i,i＝1,2,...,n}进行傅里叶变换得到{x_i,i＝1,2,...,n}；

②按下列公式计算出能够描述设备运行状态的24特征指标向量X^*＝{x_av,x_p,x_rms,x_r,D_x,x_p-p,α,β,C_f,S_f,I_f,CL_f,K_v,f_avg,f_b,f_bb,f_v,f_rv,S,E_r1,E_r2,，E_r3,E_r4,E_r5}

绝对均值： $x_{\mathrm{av}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|x_i\right|;$

峰值：x_p＝max|x_i|；

有效值（均方根值）： $x_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2};$

方根幅值： $x_r={\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\left|x_i\right|}\right)}^2;$

方差： $D_x=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-x_{\mathrm{av}})}^2;$

峰-峰值：x_p-p＝max(x_i)-min(x_i)；

偏态指标： $\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{6n}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{x_i-x_{\mathrm{av}}}{\sqrt{D_x}}\right)}^3;$

峭度指标： $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{n}{24}}[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{x_i-x_{\mathrm{av}}}{\sqrt{D_x}}\right)}^4-3];$

峰值指标： $C_f=\frac{x_p}{x_{\mathrm{rms}}};$

波形指标： $S_f=\frac{x_{\mathrm{rms}}}{x_{\mathrm{av}}};$

脉冲指标： $I_f=\frac{x_p}{x_{\mathrm{rms}}};$

裕度指标： ${\mathrm{CL}}_f=\frac{x_p}{x_r};$

变异系数： $K_v=\frac{\sqrt{D_x}}{x_{\mathrm{av}}};$

重心频率（平均频率）： $f_{\mathrm{avg}}=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{fp}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}};$

均方频率： $f_b=\frac{{\∫}_0^{\∞}{f}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}};$

均方根频率： $f_{\mathrm{bb}}={\left(\frac{{\∫}_0^{\∞}{f}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}}\right)}^{1/2};$

频率方差： $f_v=\frac{{\∫}_0^{\∞}{(f-f_{\mathrm{avg}})}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}};$

频率标准差： $f_{\mathrm{rv}}={\left[\frac{{\∫}_0^{\∞}{(f-f_{\mathrm{avg}})}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}}\right]}^2;$

谱峰稳定指数： $S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}\{{f_i}^2\·P\left(f_i\right)\}}{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}P\left(f_i\right)}}/\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}\{{f_i}^4\·P\left(f_i\right)\}}{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}{f_i}^2\·P\left(f_i\right)}};$ 第一频带相对能量： $E_{r1}={\∫}_0^{B_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第二频带相对能量： $E_{r2}={\∫}_{B_f}^{{2B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第三频带相对能量： $E_{r3}={\∫}_{2B_f}^{{3B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第四频带相对能量： $E_{r4}={\∫}_{3B_f}^{{4B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第五频带相对能量： $E_{r5}={\∫}_{4B_f}^{{5B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df},$

所述24个特征指标计算公式中f表示信号的频率，p(f)表示信号的功率谱，B_f表示1/5频段值，F_s表示最高频率值；

（3）对24特征指标向量X^*进行处理实现设备运行状态的识别和故障预警，具体步骤为：

①24特征指标向量X^*的训练样本的预处理：

设备某一工作状态，所述状态可为正常状态或某一典型故障状态，用{q_i,i＝1,2,...,s}表示，所述某一状态下的24特征指标向量X^*构成训练样本空间可以用p×n的矩阵X^*＝{x^*(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}来表示，其中，x^*(i,j)为第j个状态样本的第i个特征指标，p表示样本空间的维数，即特征指标的数量，n表示训练样本的个数；

为消除各特征指标量纲的影响并统一其值的波动范围，需要对样本数据进行归一化处理：其中，x_max(j)，x_min(j)分别表示原始数据x^*(i,j)第i个指标的最大值和最小值，X＝{x(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}表示X^*＝{x^*(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}归一化处理后的序列；

②将24个特征指标向量进行投射，分析其投射值分布特点：

所述投射就是把p维数据{x(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}转化为以矩阵a＝{a(1),a(2),a(3),...,a(p)}为投射方向的一维投射值z(j)：

$z\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}a\left(i\right)x(i,j),j=\mathrm{1,2},...,n,$

其中a表示单位长度向量，然后按照投射值{z(j)|j＝1,2,...,n}的分布特点进行归类。

③为了将所述步骤（3）②中各典型设备状态下的投射值区域分开来，构造投射目标函数以寻求最佳的投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]（其中包含最优投射方向a_b）。

投射目标函数指标可表达成：Q(a)＝S_zD_z，其中，S_z用投射值z(i)标准差来描述类间距离；D_z用投射值z(i)局部密度来描述类内密度，即

$S_z=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(z\left(i\right)-E\left(z\right))}^2}{n-1}},$

$D_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(R-r(i,j))\·u(R-r(i,j)),$

其中，E(z)为序列z＝{z(i)|i＝1,2,...,n}的平均值；R为局部密度的窗口半径，它的取值范围一般为：p为特征指标的数量；r(i,j)表示样本之间的距离，r(i,j)＝|z(i)-z(j)|；单位阶跃函数 $u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t\≥0\\ 0,& t\≥0\end{array}\right.,$

最大化目标函数：Max:Q(a)＝S_z·D_z，

约束条件： $\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}^2\left(j\right)=1,$

在最佳投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]下，所述各典型设备状态下的24特征指标向量投射值w_i(i＝1,2,...,s)成带状分布，所述带状分布体系即形成了设备状态评价指标体系W；

④对于设备某一未知状态q′进行评估，对所述未知状态q′的振动数据同样经所述步骤（1）（2）生成24特征指标向量，然后将所述24特征指标向量在所述步骤（3）③中得到的最佳投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]下进行投射，得到投射值w′，根据所述投射值w′的分布位置便可判断出设备状态识别结果为q′，即判断出煤矿设备是否存在异常，并同时识别出所述异常属于何种故障类型，那么根据所述状态识别结果向工作人员提出故障预警。

相对于现有技术，本发明具有以下显著优点：

1、本方法中对24个特征指标和目标函数的选择，是建立在实验室对设备故障振动信号特征的研究结论并结合专业人员多年的实践经验所筛选出来的，所选择的各项特征指标针对性强、敏感性强、聚类效果明显、能准确反映设备运行状态的微小变化，其判断结果与实际情况非常吻合；

2、本方法中诊断所采用的24个特征指标均经归一化处理转化为无量纲指标，因而在设备运行状态识别过程中，对不同的环境和设备具有同样的自适应能力，对各种类型的煤矿均可使用；

3、本方法提出利用最佳投射方向矩阵建立设备运行状态评价指标体系，有效的避免了单一投射方向下在寻优过程中对新空间的探索能力有限、容易收敛到局部最优解、结果稳定性可靠性差的缺点，实现对监测的高维数据进行降维的同时，给出设备运行状态衡量标准：即24特征指标向量投射的主轴线位置和区域分布范围；

4、本方法提出的设备运行状态的识别和故障预警方法，即便是在缺少各类典型故障的振动数据的情况下，依然能够通过观察待测状态的24特征指标向量投射是否偏离正常状态的24特征指标向量投射，来判断设备运行是否有异常，如偏离则说明有异常；反之则正常。

附图说明

图1为轴承振动传感器安装方式；

图2为滚子正常状态和四种不同损伤尺寸下的状态评价指标体系；

图3为滚子损伤尺寸分别为0.014英寸和0.021英寸下的评价指标体系；

图4为待测样本投射分布情况；

图5为煤矿设备运行状态的识别和故障预警工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

（1）轴承作为大型旋转机械设备的关键零部件，其故障类型分为滚动体故障、内圈故障、外圈故障、保持架故障四大类，另外所述四大类故障根据不同的损伤程度又进一步划分为不同的小类，可根据具体情况进行划分。在待评估的轴承的水平、垂直、轴向三个方向上安装加速度振动传感器（如图1所示），不间断地监测设备运行过程中轴承的振动数据，并将所述振动数据发送至后端接收和处理***，并存入相关数据文件中以供后端分析使用。

（2）对加速度振动传感器中提取的振动数据{a_i,i＝1,2,...,n}进行处理，具体步骤为：

①对振动数据{a_i,i＝1,2,...,n}进行傅里叶变换得到{x_i,i＝1,2,...,n}；

②按下列公式计算出能够描述轴承运行状态的24特征指标向量X^*＝{x_av,x_p,x_rms,x_r,D_x,x_p-p,α,β,C_f,S_f,I_f,CL_f,K_v,f_avg,f_b,f_bb,f_v,f_rv,S,E_r1,E_r2,，E_r3,E_r4,E_r5}

绝对均值： $x_{\mathrm{av}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|x_i\right|;$

峰值：x_p＝max|x_i|；

有效值（均方根值）： $x_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2};$

方根幅值： $x_r={\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\left|x_i\right|}\right)}^2;$

方差： $D_x=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-x_{\mathrm{av}})}^2;$

峰-峰值：x_p-p＝max(x_i)-min(x_i)；

偏态指标： $\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{6n}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{x_i-x_{\mathrm{av}}}{\sqrt{D_x}}\right)}^3;$

峭度指标： $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{n}{24}}[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{x_i-x_{\mathrm{av}}}{\sqrt{D_x}}\right)}^4-3];$

峰值指标： $C_f=\frac{x_p}{x_{\mathrm{rms}}};$

波形指标： $S_f=\frac{x_{\mathrm{rms}}}{x_{\mathrm{av}}};$

脉冲指标： $I_f=\frac{x_p}{x_{\mathrm{rms}}};$

裕度指标： ${\mathrm{CL}}_f=\frac{x_p}{x_r};$

变异系数： $K_v=\frac{\sqrt{D_x}}{x_{\mathrm{av}}};$

重心频率（平均频率）： $f_{\mathrm{avg}}=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{fp}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}};$ 均方频率： $f_b=\frac{{\∫}_0^{\∞}{f}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}};$

均方根频率： $f_{\mathrm{bb}}={\left(\frac{{\∫}_0^{\∞}{f}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}}\right)}^{1/2};$

频率方差： $f_v=\frac{{\∫}_0^{\∞}{(f-f_{\mathrm{avg}})}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}};$

频率标准差： $f_{\mathrm{rv}}={\left[\frac{{\∫}_0^{\∞}{(f-f_{\mathrm{avg}})}^{2}p\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}p\left(f\right)\mathrm{df}}\right]}^2;$

谱峰稳定指数： $S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}\{{f_i}^2\·P\left(f_i\right)\}}{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}P\left(f_i\right)}}/\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}\{{f_i}^4\·P\left(f_i\right)\}}{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\mathrm{\Σ}}}{f_i}^2\·P\left(f_i\right)}};$

第一频带相对能量： $E_{r1}={\∫}_0^{B_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第二频带相对能量： $E_{r2}={\∫}_{B_f}^{{2B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第三频带相对能量： $E_{r3}={\∫}_{2B_f}^{{3B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第四频带相对能量： $E_{r4}={\∫}_{3B_f}^{{4B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df};$

第五频带相对能量： $E_{r5}={\∫}_{4B_f}^{{5B}_f}p\left(f\right)\mathrm{df}/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)\mathrm{df},$

所述24个特征指标计算公式中f表示信号的频率，p(f)表示信号的功率谱，B_f表示1/5频段值，F_s表示最高频率值。

（3）对24特征指标向量X^*进行处理，实现轴承运行状态的识别和故障预警，具体步骤为：

①24特征指标向量X^*的训练样本的预处理：

轴承某一工作状态，所述状态可为正常状态或某一典型故障状态，用{q_i,i＝1,2,...,s}表示，所述某一状态下的24特征指标向量X^*构成训练样本空间可以用p×n的矩阵X^*＝{x^*(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}来表示，其中，x^*(i,j)为第j个状态样本的第i个特征指标，p表示样本空间的维数，即特征指标的数量，n表示训练样本的个数。

为消除各特征指标量纲的影响并统一其值的波动范围，需要对样本数据进行归一化处理：其中，x_max(j)，x_min(j)分别表示原始数据x^*(i,j)第i个指标的最大值和最小值，X＝{x(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}表示X^*＝{x^*(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}归一化处理后的序列。

②将24个特征指标向量进行投射，分析其投射值分布特点：

所述投射就是把p维数据{x(i,j)|i＝1,2,...,p;j＝1,2,...,n}转化为以矩阵a＝{a(1),a(2),a(3),...,a(p)}为投射方向的一维投射值z(j)：

$z\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}a\left(i\right)x(i,j),j=\mathrm{1,2},...,n$

其中a表示单位长度向量，然后按照投射值{z(j)|j＝1,2,...,n}的分布特点进行归类。

③为了将所述步骤（3）②中各典型轴承状态下的投射值区域分开来，构造投射目标函数以寻求最佳的投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]（其中包含最优投射方向a_b）。

其中，S_z用投射值z(i)标准差来描述类间距离；D_z用投射值z(i)局部密度来描述类内密度，即

$S_z=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(z\left(i\right)-E\left(z\right))}^2}{n-1}}$

$D_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(R-r(i,j))\·u(R-r(i,j))$

其中，E(z)为序列z＝{z(i)|i＝1,2,...,n}的平均值；R为局部密度的窗口半径，它的取值范围一般为：p为特征指标的数量；r(i,j)表示样本之间的距离，r(i,j)＝|z(i)-z(j)|；单位阶跃函数 $u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t\≥0\\ 0,& t\≥0\end{array}\right..$

最大化目标函数：Max:Q(a)＝S_z·D_z

约束条件： $\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}^2\left(j\right)=1$

在最佳投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]下，所述轴承各典型状态下的24特征指标向量投射值w_i(i＝1,2,...,s)成带状分布，分别对应着轴承典型状态q_i(i＝1,2,...,s)亦即形成了轴承状态评价指标体系W，

如图2所示为轴承滚动体正常及损伤尺寸分别为0.007英寸、0.014英寸、0.021英寸、0.028英寸五种状态下的评价指标体系，可以看出：正常状态下投射值分布在主轴线=0.5附近（☆所示）；滚动体损伤尺寸为0.007英寸时投射值分布在主轴线=-8附近（△所示）；滚动体损伤0.028英寸时投射值分布在主轴线=-13附近（×所示）；滚动体损伤0.014英寸（□所示）和0.021英寸（*所示）时投射值重叠在一起，分布在主轴线=-11附近，那么为了区分两种状态对其进行单独投射，投射值分布如图3所示：滚动体损伤0.014英寸时投射值分布在主轴线=-14附近（□所示），滚动体损伤0.021英寸（*所示）时投射值分布在主轴线=8附近（*所示）。图2和图3即形成了这五种状态下完整的评价指标体系。

④对于轴承某一未知状态q′进行评估。对未知状态q′的振动数据经上述步骤（1）（2）生成24特征指标向量，然后将其在上述步骤（3）③中得到的最佳投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]下进行投射，得到投射值w′，根据w′在评价指标体系w中的分布位置便可判断出轴承状态为q′，即与w′重叠效果好的便是此刻轴承所处的状态。如图4所示，待测样本在上述最优投射方向矩阵下的投射值（○所示）的分布，可以看出其基本与滚动体损伤0.028英寸时的投射值相重叠，因此可以判断出此时滚动体的状态为：滚动体损伤0.028英寸。然后将此状态识别结果提交给工作人员供其参考并采取相应应对措施。

Claims (1)

1.一种煤矿设备状态识别和预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在煤矿设备关键部位——轴承的水平、垂直、轴向三个方向上安装加速度振动传感器，不间断地监测设备运行过程中的振动数据并将所述振动数据发送至后端接收和处理***，并存入相关数据文件；

(2)对加速度振动传感器中提取的振动数据{a_i,i＝1,2,...,n}进行处理，具体步骤为：

①对所述振动数据{a_i,i＝1,2,...,n}进行傅里叶变换得到{x_i,i＝1,2,...,n}；

②按下列公式计算出能够描述设备运行状态的24特征指标向量X^*＝{x_av,x_p,x_rms,x_r,D_x,x_p-p,α,β,C_f,S_f,I_f,CL_f,K_v,f_avg,f_b,f_bb,f_v,f_rv,S,E_r1,E_r2,E_r3,E_r4,E_r5}，

绝对均值： $x_{av}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|x_i\right|;$

峰值：x_p＝max|x_i|；

有效值： $x_{rms}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i^2};$

方根幅值： $x_r={\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\sqrt{\left|x_i\right|}\right)}^2;$

方差： $D_x=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_i-x_{av})}^2;$

峰-峰值：x_p-p＝max(x_i)-min(x_i)；

偏态指标： $\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{6n}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\frac{x_i-x_{av}}{\sqrt{D_x}}\right)}^3;$

峭度指标： $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{n}{24}}\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\frac{x_i-x_{av}}{\sqrt{D_x}}\right)}^4-3\];$

峰值指标： $C_f=\frac{x_p}{x_{rms}};$

波形指标： $S_f=\frac{x_{rms}}{x_{av}};$

脉冲指标： $I_f=\frac{x_p}{x_{rms}};$

裕度指标： ${\mathrm{CL}}_f=\frac{x_p}{x_r};$

变异系数： $K_v=\frac{\sqrt{D_x}}{x_{av}};$

重心频率： $f_{avg}=\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}fp\left(f\right)df}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}p\left(f\right)df};$

均方频率： $f_b=\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{f}^{2}p\left(f\right)df}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}p\left(f\right)df};$

均方根频率： $f_{bb}={\left(\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{f}^{2}p\left(f\right)df}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}p\left(f\right)df}\right)}^{1/2};$

频率方差： $f_v=\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{(f-f_{avg})}^{2}p\left(f\right)df}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}p\left(f\right)df};$

频率标准差： $f_{rv}={\[\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{(f-f_{avg})}^{2}p\left(f\right)df}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}p\left(f\right)df}\]}^{1/2};$

谱峰稳定指数： $S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\Σ}}\{f_i^2\·p\left(f_i\right)\}}{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\Σ}}p\left(f_i\right)}}/\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\Σ}}\{f_i^4\·p\left(f_i\right)\}}{\underset{i=1}{\overset{n/2}{\Σ}}{f}_i^2\·p\left(f_i\right)}};$

第一频带相对能量： $E_{r1}={\∫}_0^{B_f}p\left(f\right)df/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)df;$

第二频带相对能量： $E_{r2}={\∫}_{B_f}^{2B_f}p\left(f\right)df/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)df;$

第三频带相对能量： $E_{r3}={\∫}_{2B_f}^{3B_f}p\left(f\right)df/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)df;$

第四频带相对能量： $E_{r4}={\∫}_{3B_f}^{4B_f}p\left(f\right)df/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)df;$

第五频带相对能量： $E_{r5}={\∫}_{4B_f}^{5B_f}p\left(f\right)df/{\∫}_0^{F_s}p\left(f\right)df;$

所述24个特征指标计算公式中f表示信号的频率，p(f)表示信号的功率谱，B_f表示1/5频段值，F_s表示最高频率值；

(3)对24特征指标向量X^*进行处理实现设备运行状态的识别和故障预警，具体步骤为：

①24特征指标向量X^*的训练样本的预处理：

设备某一工作状态，所述状态可为正常状态或某一典型故障状态，用表示，所述某一状态下的24特征指标向量X^*构成训练样本空间可以用p×n的矩阵X^*＝{x^*(i,j)|i＝1,2,...,p；j＝1,2,...,n}来表示，其中，x^*(i,j)为第j个状态样本的第i个特征指标，p表示样本空间的维数，即特征指标的数量，n表示训练样本的个数；

为消除各特征指标量纲的影响并统一其值的波动范围，需要对样本数据进行归一化处理：其中，x_max(j)，x_min(j)分别表示原始数据x^*(i,j)第i个指标的最大值和最小值，X＝{x(i,j)|i＝1,2,...,p；j＝1,2,...,n}表示X^*＝{x^*(i,j)|i＝1,2,...,p；j＝1,2,...,n}归一化处理后的序列；

②将24特征指标向量进行投射，分析其投射值分布特点：

所述投射就是把p维数据{x(i,j)|i＝1,2,...,p；j＝1,2,...,n}转化为以矩阵a＝{a(1),a(2),a(3),...,a(p)}为投射方向的一维投射值z(j)：

$z\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\Σ}}a\left(i\right)x(i,j),j=1,2,...,n,$

其中a表示单位长度向量，然后按照投射值{z(j)|j＝1,2,...,n}的分布特点进行归类；

③为了将所述步骤(3)②中各典型设备状态下的投射值区域分开来，构造投射目标函数以寻求最佳的投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]，其中包含最优投射方向a_b，

投射目标函数指标可表达成：Q(a)＝S_zD_z，

其中，S_z用投射值z(i)标准差来描述类间距离；D_z用投射值z(i)局部密度来描述类内密度，即

$S_z=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(z\right(i)-E(z\left)\right)}^2}{n-1}},$

$D_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(R-r(i,j\left)\right)\·u(R-r(i,j\left)\right),$

其中，E(z)为序列z＝{z(i)|i＝1,2,...,n}的平均值；R为局部密度的窗口半径，它的取值范围一般为：p为特征指标的数量；r(i,j)表示样本之间的距离，r(i,j)＝|z(i)-z(j)|；单位阶跃函数 $u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t\&GreaterEqual;0\\ 0,& t<0\end{array}\right.,$

最大化目标函数：Max:Q(a)＝S_z·D_z，

约束条件： $\underset{j=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}{a}^2\left(j\right)=1,$

在最佳投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]下，所述各典型设备状态下的24特征指标向量投射值w_i(i＝1,2,...,s)成带状分布，所述带状分布体系即形成了设备状态评价指标体系W；

④对于设备某一未知状态q′进行评估，对所述未知状态q′的振动数据同样经所述步骤(1)(2)生成24特征指标向量，然后将所述24特征指标向量在所述步骤(3)③中得到的最佳投射方向矩阵A＝[a₁,a₂,...,a_m]下进行投射，得到投射值w′，根据所述投射值w′的分布位置便可判断出设备状态识别结果为q′，即判断出煤矿设备是否存在异常，并同时识别出所述异常属于何种故障类型，那么根据所述状态识别结果向工作人员提出故障预警。