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CN109934100A - 一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法 - Google Patents

一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法：(1)对需要分析的幅频时变工艺信号设置一个滑动窗口；(2)求取滑动窗口内各工艺信号点的均值，根据均值动态设置工艺曲线下分割阈值点，从而得到下分割线；(3)根据下分割线确定工艺曲线各下分割点，并依据下分割点进行工艺曲线的分割；(4)利用分割曲线中的工艺信号，求取分割曲线相似度，进行分割有效性判断。本发明针对幅频时变工艺曲线，对其进行工艺周期分割，且能适应工艺参数的改变，具有较强的自适应性、稳定性与鲁棒性。

Description

一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法
技术领域
本发明涉及工艺信号分割技术领域，特别涉及一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法。
背景技术
在故障诊断与设备状态监控领域中，都依赖于对工艺曲线特征值的提取，而特征值提取的一种方式就是对工艺曲线进行分割，再针对分割曲线进行特征提取。因此，工艺曲线分割算法是设备故障诊断与运行状态监测的基础。
目前，设备运行工艺曲线分割算法的研究很多，其一般方法是：首先按照信号的极值点、单调性或信号的实际意义定义信号周期内的功能段划分，然后利用信号分割点之间的时间关系、信号分割点的极值特性，用时域分析、倒谱分析、小波变换等方法，对信号分割点进行提取，从而实现信号分割的目的。
然而，在实际生产加工中，工艺参数是实时变化的，导致设备运行工艺曲线是一个变工艺参数曲线，工艺曲线的幅值和频率会随着工艺参数的改变而改变，现有信号分割方法无法适应周期、极值发生改变的工艺信号，往往会出现错误。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)设置一个滑动窗口，并根据幅频时变工艺曲线的工艺周期确定该滑动窗口的窗口大小及滑动步长；
2)利用步骤1)设置的滑动窗口遍历幅频时变工艺曲线并求取滑动均值，滑动均值为滑动窗口内对应各信号点的平均值，根据滑动均值设置幅频时变工艺曲线的下分割阈值点，利用下分割阈值点设置可以对幅频时变工艺曲线进行连续分割的下分割线；
3)根据位于下分割线以下的幅频时变工艺曲线信号最小值点确定幅频时变工艺曲线的下分割点，依据幅频时变工艺曲线的下分割点对幅频时变工艺曲线进行信号的工艺周期分割。
优选的，所述步骤1)中，滑动窗口的大小为所述工艺周期的1.5～3倍，滑动窗口的滑动步长为1～5。
优选的，所述步骤2)中，下分割阈值点在采样时间维度的位置为滑动窗口中心，下分割阈值点在信号值维度的位置等于滑动均值与Δt的差值，Δt为幅频时变工艺曲线峰峰值与系数βt的乘积。
优选的，所述βt的取值范围为0.1～0.3。
优选的，所述步骤2)中，将所有下分割阈值点相连即得到下分割线。
优选的，所述步骤3)中，下分割点的确定具体包括以下步骤：对幅频时变工艺曲线中位于下分割线以下的曲线区段进行提取，通过遍历确定每段曲线区段上对应的信号最小值点。
优选的，所述下分割点的确定还包括以下步骤：将相邻信号最小值点的采样间隔距离与设定的最小距离阈值比较，若相邻信号最小值点的距离大于所述阈值，则保留信号最小值点，反之，则舍弃其中采样时间靠后的信号最小值点，由保留的所有信号最小值点作为下分割点，其中最小距离阈值为2～10。
优选的，所述工艺信号分割方法还包括以下步骤：对步骤3)中分割出的工艺周期信号，求取对应分割曲线的相似度，根据该相似度筛选出有效的工艺周期信号。
优选的，所述分割曲线的相似度采用动态时间弯曲算法(DTW)求取，将每一段分割出的工艺周期信号利用该算法并参照指定的标准工艺周期信号求得相似度值，若相似度值大于设定的阈值(即形状相似)，则保留分割出的该段工艺周期信号；否则，舍弃分割出的该段工艺周期信号。
优选的，所述标准工艺周期信号从所有分割出的工艺周期信号中指定。
本发明有益效果体现在：
本发明针对幅频时变工艺曲线，依据滑动窗口的滑动均值，动态地求取下分割阈值，确定下分割线与下分割点，进而对工艺曲线进行周期分割，能适应工艺参数的改变，具有较强的自适应性、稳定性与鲁棒性。本发明针对各类周期、极值随工艺参数发生改变的工艺信号的分割具有通用性，可以适应工艺过程中各类信号变化情况，实现简便、快速、有效的工艺周期信号分割。
进一步的，本发明根据分割后曲线相似度进行分割效果的评价，能够更好的适应工艺曲线幅值与频率的变化，提高分割结果的自适应性、稳定性与鲁棒性。
附图说明
图1为本发明中基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法流程图。
图2为某智能装备正常运行工艺曲线。
图3为某智能装备工艺曲线分割结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
如图1所示，基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法的流程如下：
(1)对需要分析的幅频时变工艺信号设置一个滑动窗口，确定窗口大小与滑动步长；
定义如图2所示工艺曲线，用矢量X＝[x1,x2,…,xi,…,xn]T代表工艺过程中采集的数据集合，即工艺曲线由n个原始信号点组成(信号点按采样时间依次连接为工艺曲线)；确定滑动窗口大小N为某智能装备(例如，快锻压机)工艺周期的2.2倍，滑动步长为1。
(2)遍历窗口内信号点，求取滑动窗口的滑动均值(滑动均值为滑动窗口内工艺曲线各点的平均值)，据此设置工艺曲线下分割阈值点δb(i)，连接所有下分割阈值点即为下分割线；下分割阈值点具体是采用将滑动均值减一个小量Δt而计算得到，该小量为工艺曲线的峰峰值(Max(X)-Min(X))乘一个系数(βt)的结果，即：
Δt＝βt(Max(X)-Min(X))
其中，X(i)为滑动窗口在工艺曲线当前位置处的中间一个点，βt取为0.2。
从图2中可以看到，所得到的下分割线贯穿了工艺曲线中的每一段，可根据此下分割线对每一个工艺周期的起始点和终止点进行寻找。
(3)工艺曲线分割的关键在于准确找到工艺分割点(本发明中称为下分割点)；
遍历所有原始信号点，低于下分割线，则保留并加入至最小值判断序列，否则舍弃；工艺曲线的下分割点是下分割线以下任意区间的最小值点SLpb：
其中，分别表示区间的前、后端点。
(4)设定最小距离阈值，判断相邻最小值点之间的距离(即两点之间横坐标的距离)；距离大于最小距离阈值，则加入到分割点序列，否则舍弃横坐标较大的一点，本例中最小距离阈值取4。
(5)基于分割点进行工艺曲线周期分割；参见图2，从指定的第一个下分割点起，每p(例如，p＝2)个下分割点进行一次对工艺曲线的分割。
(6)利用分割出的工艺周期信号，求取分割曲线相似度，进行分割有效性判断；
具体判断过程为：指定图3中第一个工艺周期信号为标准工艺周期信号，对分割曲线逐段进行DTW相似性求解，根据设定的阈值，将相似性高的分割曲线保留；
xxj＝[xx1,…,xxj,…,xxm(j)]代表工艺曲线第j个分割出的有效工艺周期的信号数据集合(信号点为k个)，j＝1,…,m。可以看出，Ss为工艺曲线采样开始点，Se为工艺曲线采样结束点，mSs(j)为工艺曲线开始点索引号，mSe(j)工艺曲线结束点索引号；并且有：
如图2所示，某智能装备正常运行曲线呈现一定的周期性，但幅值与频率并不是固定的，而是随着工艺参数的改变而变化的。对该曲线应用本发明的分割方法，得到的结果如图3所示，经相似度判定，不存在需要舍弃的区段，分割结果理想。
总之，本发明所述的基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，通过设置一个滑动窗口，依据滑动均值，确定下分割阈值点，连接为下分割线，根据下分割点对工艺曲线进行工艺周期分割，且还可以根据曲线相似度进行分割效果的评价，得到较好的分割效果。

Claims (10)

1.一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：该工艺信号分割方法包括以下步骤：
1)设置一个滑动窗口，并根据幅频时变工艺曲线的工艺周期确定该滑动窗口的窗口大小及滑动步长；
2)利用步骤1)设置的滑动窗口遍历幅频时变工艺曲线并求取滑动均值，滑动均值为滑动窗口内对应各信号点的平均值，根据滑动均值设置幅频时变工艺曲线的下分割阈值点，利用下分割阈值点设置可以对幅频时变工艺曲线进行连续分割的下分割线；
3)根据位于下分割线以下的幅频时变工艺曲线信号最小值点确定幅频时变工艺曲线的下分割点，依据幅频时变工艺曲线的下分割点对幅频时变工艺曲线进行信号的工艺周期分割。
2.如权利要求1所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述步骤1)中，滑动窗口的大小为所述工艺周期的1.5～3倍，滑动窗口的滑动步长为1～5。
3.如权利要求1所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述步骤2)中，下分割阈值点在采样时间维度的位置为滑动窗口中心，在信号值维度的位置等于滑动均值与Δt的差值，Δt为幅频时变工艺曲线峰峰值与系数βt的乘积。
4.如权利要求3所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述βt的取值范围为0.1～0.3。
5.如权利要求1或3所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述步骤2)中，将所有下分割阈值点相连即得到下分割线。
6.如权利要求1所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述步骤3)中，下分割点的确定具体包括以下步骤：对幅频时变工艺曲线中位于下分割线以下的曲线区段进行提取，通过遍历确定每段曲线区段上对应的信号最小值点。
7.如权利要求6所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述下分割点的确定还包括以下步骤：将相邻信号最小值点的采样间隔距离与设定的最小距离阈值比较，若相邻信号最小值点的采样间隔距离大于所述阈值，则保留信号最小值点，反之，则舍弃其中采样时间靠后的信号最小值点，由保留的所有信号最小值点作为下分割点，其中最小距离阈值为2～10。
8.如权利要求1所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述工艺信号分割方法还包括以下步骤：对步骤3)中分割出的工艺周期信号，求取对应分割曲线的相似度，根据该相似度筛选出有效的工艺周期信号。
9.如权利要求8所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述分割曲线的相似度采用动态时间弯曲算法求取，将每一段分割出的工艺周期信号利用该算法并参照指定的标准工艺周期信号求得相似度值，若相似度值大于设定的阈值，则保留分割出的该段工艺周期信号；否则，舍弃分割出的该段工艺周期信号。
10.如权利要求9所述一种基于滑动窗口的幅频时变工艺信号分割方法，其特征在于：所述标准工艺周期信号从所有分割出的工艺周期信号中指定。
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