張榮 宋新愛

摘 要：傳感器被廣泛應用在醫(yī)療、航空、制造業(yè)等各個領域，生產(chǎn)技術趨于成熟，使用范圍越來越廣，精度越來越高。因此，進行多傳感器可靠性的研究對生產(chǎn)生活具有重要意義。本文針對多傳感器可靠性及故障檢測的準確性問題，利用二項分布的多傳感器可靠性模型，進行了融合表決策略的多傳感器可靠性研究。為了判定多傳感器系統(tǒng)的準確性以及系統(tǒng)中出現(xiàn)的傳感器故障數(shù)目，對可靠性模型進行一票否決和少數(shù)服從多數(shù)研究，進而更可靠、準確、迅速和全面地進行故障檢測與報警，為采取相應的措施提供依據(jù)。

關鍵詞：表決策略;多傳感器;一票否決;少數(shù)服從多數(shù)

文章編號：2095-2163（2019）04-0237-04 中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A

0 引 言

隨著醫(yī)療技術、安全防御系統(tǒng)的發(fā)展，對傳感器提出了越來越高的要求。尤其是在安防領域的應用中，要求傳感器具有可靠性、靈活性、監(jiān)視跟蹤的連續(xù)性、反應的快速性以及較強的生存能力。但是傳統(tǒng)的單傳感器系統(tǒng)已難以適應這一苛刻要求，因此多傳感器信息融合技術已然成為新時代備受矚目的焦點研究課題。總地來說，多傳感器信息融合技術主要就是在某種準則的引導下，通過引入計算機技術對傳感器或多元數(shù)據(jù)信息進行自主整合與研究，從而達成預期提出的決策與估計中的信息處理目的[1]。

多傳感器故障檢測與診斷技術具有交叉性與綜合性的特點，以現(xiàn)代控制、信號處理、模式識別、最優(yōu)化設計等作為理論基礎，并隨著大數(shù)據(jù)的理論建設與推廣而得到大規(guī)模應用，時下更新的故障診斷方法主要有：信息融合、主元分析、遺傳算法、小波分析等[2]。因此，對多傳感器可靠性展開研究，其選題意義及實用價值則是不言而喻的。

1 相關研究

目前，多傳感器信息融合技術研究呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢，相繼推出了一系列研發(fā)成果。其中，廖文愷[3]針對多傳感器模糊信息融合在煤礦安全中的應用現(xiàn)狀進行綜合分析，提出多傳感器模糊信息融合在煤礦安全中的應用要點，為相關工作人員提供一定的借鑒。王東明等人[4]將相同或者不同性質(zhì)的多傳感器在進行有效結合的同時，成功獲取目標原始信息，再通過各種特征提取的方法求得目標的多方位、多性質(zhì)的特征值數(shù)據(jù)，對此數(shù)據(jù)利用特征融合算法實現(xiàn)特征融合，進而提升目標識別正確率、減少識別時間。潘崢嶸等人[5]利用多傳感器信息融合通過降低單個傳感器測量中存在的噪聲和誤差來做出準確的距離估計，最終避免四旋翼無人機在飛行期間碰撞障礙物。王世剛[6]利用多傳感器信息融合技術建立瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實時準確地監(jiān)測瓦斯?jié)舛炔⒁罁?jù)此數(shù)據(jù)預測了瓦斯的臨界危險狀態(tài)，有效降低了井下作業(yè)的危險度，保障了井下作業(yè)者的人身安全。楊康等人[7]在基于環(huán)境感知實現(xiàn)計算、通信與物理元素緊密結合的下一代智能信息物理系統(tǒng)中，提出了一種基于融合間隔和歷史測量的傳感器攻擊檢測方法，大幅度提高了隱身攻擊檢測率和識別率?；诖耍疚臄M從多傳感器信息融合的廣泛性入手，對多傳感器的可靠性進行研究，從而精確地獲得傳感器故障概率，以此驗證反饋信息的可靠性。

2 二項分布的多傳感器可靠性

多傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來自于每個單一的傳感器器件，各個傳感器之間彼此獨立，若眾多傳感器中有一個發(fā)生了損壞，亦不會給其它的傳感器帶來影響，由此分析可知多傳感器故障服從于二項分布，其數(shù)學公式可表示為：

3 “一票否決”的多傳感器可靠性模型

如前所述，多傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來源于每一個傳感器器件，傳感器之間相互獨立、協(xié)同工作，如何標定傳感器系統(tǒng)中傳感器的正常工作狀態(tài)以及傳感器故障數(shù)目對于多傳感器系統(tǒng)正常工作的影響也是本文的重點研究內(nèi)容。

眾所周知，現(xiàn)代航空發(fā)動機正朝著高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展[8]，但非理想化的工作環(huán)境對數(shù)控系統(tǒng)傳感器的運行有一定干擾，使得發(fā)動機性能下降，甚至導致飛行事故的發(fā)生。因此，對于具有精湛要求的航空工業(yè)類的領域而言，就要求將傳感器帶來的故障降至最低。故而，傳感器系統(tǒng)中每個傳感器均處于正常工作狀態(tài)即顯得尤為重要。為了提高系統(tǒng)可靠性，在多傳感器系統(tǒng)中，當發(fā)生故障的傳感器數(shù)目為1或者大于1時，就要采取相應的報警措施。多傳感器故障概率可以表示為：

4 “少數(shù)服從多數(shù)”的多傳感器可靠性模型

針對傳統(tǒng)制造業(yè)、社會生產(chǎn)等多傳感器系統(tǒng)的精度要求略低于航空業(yè)的領域而言，多傳感器系統(tǒng)中一個傳感器采集到的異常數(shù)據(jù)并不會影響系統(tǒng)的正常運行。此時，多傳感器系統(tǒng)可以從其它傳感器獲得數(shù)據(jù)加以運算處理后，得到最佳的數(shù)據(jù)以供系統(tǒng)后期的調(diào)取使用。但當系統(tǒng)同時出現(xiàn)多個傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過或者低于系統(tǒng)給定的閾值時，也涉及到與前述同樣的研究課題，即：如何標定傳感器出現(xiàn)異常，采集數(shù)據(jù)準確率過低，以至于影響了系統(tǒng)來獲取最佳數(shù)據(jù)，進一步地還將影響系統(tǒng)的后期運行[9-11]。在多傳感器系統(tǒng)中，多于一半的傳感器采集得到的數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi)，判定多傳感器系統(tǒng)正常;一半、及更多傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過或者低于系統(tǒng)給定的閾值，此時認定多傳感器系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)異常，且準確率過低，為了不會給整個系統(tǒng)的正常運行帶來影響，即需產(chǎn)生報警信號。多傳感器系統(tǒng)正常運行概率見表1。

多傳感器系統(tǒng)在運行中，也可能會出現(xiàn)在長時間不對故障傳感器進行檢測、更換，采集數(shù)據(jù)短路或者斷路的異常現(xiàn)象，即多數(shù)傳感器出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)而少數(shù)傳感器采集到正常的數(shù)據(jù)，但是多傳感器系統(tǒng)判定此時多數(shù)傳感器系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)正常，系統(tǒng)可以依靠采集到的數(shù)據(jù)開啟后續(xù)的工作流程，整個系統(tǒng)卻處于數(shù)據(jù)異常狀態(tài)。為了防止以上異?，F(xiàn)象的發(fā)生，采取少數(shù)服從多數(shù)的原則，也就是：當系統(tǒng)中任何一個傳感器出現(xiàn)異常情況時，就會產(chǎn)生報警信號，但將對系統(tǒng)是否需更換傳感器器件的裁決權利轉(zhuǎn)交給工作人員，而多傳感器系統(tǒng)中的其余器件均處于正常工作中。

在前述分析基礎上，研究可得：對于實際生產(chǎn)中具有較高精確度要求的領域，使用一票否決的工作原則，即多傳感器系統(tǒng)中任一個傳感器采集到的數(shù)據(jù)不在系統(tǒng)給定的閾值范圍內(nèi)，便產(chǎn)生報警信號。而對于精確度要求不高的行業(yè)，采取少數(shù)服從多數(shù)的原則，即當系統(tǒng)中任何一個傳感器出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生報警信號，并將裁決系統(tǒng)是否更換傳感器器件的權利移交給工作人員，多傳感器系統(tǒng)中的其余器件均處于正常運行狀態(tài)。至此，本次研究就有效保證了可以更為準確、迅速地進行故障檢測和報警，并及時采取應對措施，從而切實提升了系統(tǒng)自身的可靠性。

5 應用研究實例

時下，飼養(yǎng)觀賞魚類已經(jīng)成為一種時尚。與之相適應的是，觀賞類魚缸也逐漸走進家庭、酒店、商場等公共場所。但是由于觀賞魚的品種對溫度的要求各有不同，就需要對其生活環(huán)境的溫度進行精密調(diào)控。目前，市面上大多數(shù)對魚缸溫度的調(diào)節(jié)主要就是依靠普通加熱棒來實現(xiàn)。因此，當魚缸溫度檢測僅配備有單一傳感器時，這時若傳感器出現(xiàn)不能正常檢測魚缸溫度的情況，即達到了魚缸水溫設置的上、下限時，而水溫一旦超出魚兒正常生存溫度的規(guī)定界限，將會不利于魚兒的生長。此外，還會存在一種更為嚴重的情況，就是：魚缸中水、鹽等物質(zhì)都會逐漸腐蝕掉溫度傳感器，致使溫度傳感器發(fā)生損壞，假如此時采集到的水溫始終低于設定的閾值，這樣一來，加熱棒就會持續(xù)不停地處于加熱狀態(tài)，從而使魚缸中的魚兒生命受到嚴重威脅。

為了驗證多傳感器的故障概率情況，本次實驗中假設選取5個傳感器來組成多傳感器系統(tǒng)，對魚缸水溫進行檢測。單個傳感器出現(xiàn)故障的概率為10-3，則每個傳感器正常采集數(shù)據(jù)時的概率就為0.999，即：p=0.999。對5個傳感器組成多傳感器系統(tǒng)進行可靠性分析，分析結果見表2。

由表2可以看出傳感器系統(tǒng)中不同傳感器個數(shù)出現(xiàn)異常的概率情況。在多功能智能魚缸中，傳感器全部都可正常采集數(shù)據(jù)的概率為0.995。如果多傳感器系統(tǒng)中有一半以上傳感器能正常工作的情況下，該多功能智能魚缸就可以正常地采集溫度數(shù)據(jù)，就可以較準確地獲得魚缸內(nèi)的水溫，以此對魚缸的溫度進行控制，給魚兒營造舒適的生活環(huán)境。

迄今為止，傳感器已然應用在各個社會生產(chǎn)領域中。本文中，是假設傳感器正常采集數(shù)據(jù)的概率為0.999，但在傳統(tǒng)制造技術不斷進步、創(chuàng)新飛躍的今天，單一傳感器成功采集數(shù)據(jù)的概率已遠遠大于0.999，其采集精度正越來越高，如此就使得多傳感器協(xié)同工作效率也得到了大幅提升。并且，多傳感器系統(tǒng)中傳感器同時出現(xiàn)異常，從而不能實時準確地采集當前真實數(shù)值的概率也在顯著下降。

6 結束語

目前，傳感器已廣泛應用于醫(yī)療、航空、傳統(tǒng)制造業(yè)、高科技新興產(chǎn)業(yè)、交通運輸?shù)雀鱾€領域，其研發(fā)技術也已日趨成熟。但是，考慮到時下生產(chǎn)中來源不同、格式不一的海量數(shù)據(jù)，單一傳感器已很難滿足現(xiàn)代高科技背景下的制造業(yè)生產(chǎn)的實際需求，由多個傳感器所構成的多傳感器系統(tǒng)已然成為各領域?qū)嵺`應用中的熱門研發(fā)設計?；诖?，本文有針對性地開發(fā)提出了融合表決策略的多傳感器可靠性研究方案。大體來說，對于實際生產(chǎn)要求精度較高的領域而言，采取一票否決工作原則，多傳感器系統(tǒng)中任何一個傳感器采集到的數(shù)據(jù)若不在系統(tǒng)給定的閾值范圍內(nèi)，便產(chǎn)生報警信號的措施。而對于生產(chǎn)要求精度不高的行業(yè)，則采取少數(shù)服從多數(shù)的原則，而當系統(tǒng)中任何一個傳感器出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生報警信號，并將裁決系統(tǒng)是否更換傳感器器件的權利交給工作人員，多傳感器系統(tǒng)中的其余器件均將繼續(xù)正常工作。通過文中給出的應用實例表明，本文研究方案能夠有效提升多傳感器系統(tǒng)的可靠性，準確率高，實用性強，并可為后續(xù)的科研工作提供良好有益的借鑒。

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