基于隶属度函数的数据融合方法探讨

基于隶属度函数的数据融合方法探讨 基于隶属度函数的数据融合方法探讨 故障诊断中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2007年第23卷第6—1期 文章编号:1008—0570(2007)06—1-0208—03 基于隶属度函数的数据融合方法探讨 BuildingupaSubjectiveFunctionBaseonDataFusion (军械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院)张燕军张彦斌郭德卿 ZHANGYANJUNZHANGNBINGUODE.QIN 摘要:本文提出了利用建立隶属函数法,确立数据隶属度在数据融合过程中的作用.并由此也可将其作为 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 设备系统故障 的一种方法,并分析采用该方法的前提线性度. 关键字:数据融合:隶属函数;像素级;线性度 中图分类号:TP206.3文献标识码:B Abstract:Thispapergiveoutamethodaboutasubjectivefunctionandestablishtheeffectofda tasubjectiondegreeinthedatafu. sionprocess,andwhichmaybeseenasamethodoftrouble—diagnosisequipment,.andanalysesthepremiseofmethodislinearity degree Keyword:datafusion,subjecfionfunction,elementgrade;linearitydegree 1引言 随着计算机技术在自动检测和故障诊断领域的广泛应用, 建立由故障特征参数构成的"故障特征集合",是实现自动检 测和故障诊断的一项重要工作,也是研制智能化检测与故障诊 断设备的主要工作之一.通过信息的采集,处理,积累的方式获 取知识,在对新装备进行自动检测和故障诊断的研究工作中, 特别是知识工程师的知识和专家的经验还比较缺乏的情况下, 利用数据融合技术对采集的信息进行处理,就十分必要.利用 计算机自动检测方式进行多传感器被测对象信息的采集,处 理,积累来实现系统状态信息融合,是在对装备进行自动检测 和故障诊断的硬件设备基本完善的基础上实现的.该硬件系统 可以获得被测对象的多种状态信息,其中包括有效信息和无效 信息,敏感信息和迟钝信息,直接信息和间接信息等.对上述信 息通过数据融合的方法进行处理,就可获得用于装备检测和故 障诊断的依据. 2数据融合技术概述 数据融合技术是20世纪70年代产生并迅速发展的一个 新学科.根据国内外最新研究成果,数据融合比较确切的定义 概括为:利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信 息在一定 准则 租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载 下加以自动分析,综合以完成所需的决策和估计 任务而进行的信息处理过程.数据融合的基本原理就是像人脑 综合处理信息一样,充分利用多个传感器资源,通过对这些传 感器及其观测信息的合理支配和使用,把多个传感器在空间或 时间上的冗余或互补信息以某种准则来进行组合,获得被测对 象的一致性解释和描述.概括地说,数据融合是将来自多传感 器或多源的信息和数据进行综合处理,从而得出最为准确可信 的结论.一般情况下,信息以数据的形式来表达或者说数据以 信息为本质,所以数据融合也有信息融合的称谓. 张燕军:硕士研究生 基金项目:总装司令部重点项目(编号不公开1 数据融合一般可分为三个层次:像素级融合,特征级融合和 决策级融合.像素级融合是最低层次的融合,是在传感器原始信 息层次上(未经处理或只做很小处理)进行融合,在各种传感器的 原始测报信息未经预处理之前就进行信息的综合和分析.特征 级融合属融合的中间层次,兼顾了数据层和决策层的优点.它 利用从传感器原始信息中提取的特征信息进行综合分析和处 理.决策级融合将多个传感器识别结果进行融合.这一层融合 是在高层次上进行的,融合结果为指挥控制决策提供依据.数据 融合的主要内容包括:数据融合系统结构,数据关联,状态估计, 身份融合,态势评估与威胁评估,辅助决策,传感器管理等. 3基于隶属度函数法数据融合的选 择 在对某装备进行检测和故障诊断中,被测量主要属于连续 变化的模拟量,被测对象技术状态的判断或故障原因查找的判 据,要在界限不分明的模糊状态下确定,就必须采用模糊数学 的理论和方法.研究从差异的一方到另一方,中间经历了一个 从量变到质变的连续变化过程,无疑模糊数学的方法为最佳选 择.在采用模糊技术处理时,隶属度函数的设计是整个模糊算 法的关键,这要求隶属度函数必须能够客观,准确地反映系统 中样本存在的不确定性,而采用该方法的前提是系统因素与输 出之间是线性或者近似线性.目前,构造隶属度函数的方法很 多,但还没有可遵循的一般性准则.在对实际情况进行处理时, 通常需要针对具体问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 根据经验来确定合理的隶属度函数.就 某装备的信号综合单元输出电压的变化而言,其相关的主要因 素有:输入信号电压的波动,供电电站输出电压的波动和单元电 源的稳定性,信号综合单元主要器件及电路的技术性能,环境 条件的影响等等.通过"信号综合单元输出电压的变化"这一 要素,要准确地反向推理得出影响"电压变化"的原因——故 障源,就要对各影响因素与"信号综合单元输出电压的变化" 之间进行隶属度分析. 3.1隶属度函数的建立 选择某装备随动系统位置调节器(A01,A06)的信号选择综 一 208—360元/年邮局订阅号:82.946 故障诊断 合电路为研究对象,进行建立隶属度函数的分析.影响该电路 输出电压变化的主要因素有信号源电压(v3与V41,电源电压 1,V2)等.当信号选择综合电路的工作条件发生变化时,其输 出电压也随之发生变化,为了确定诸多因素中的主要和次要因 素,需要对上述各因素与输出电压的线性度以及隶属函数进行 分析. 3.1.1综合电路的线性度分析 隶属函数分析的基本条件是相关物理量之间具有线性关 系.因此要首先对本系统的相关物理量进行线性度分析.通过 ,数据拟和以及仿 对信号综合电路的结构参数进行测量,计算 真分析,得到如表1所示的数据. 表1综合电路仿真数据 状态Vlv2V3V4v. 11&51637415.084 216l553839五159 314l535414.893 417144038&332 514.5163842&1晡 61&51736414.981 71514.53540.5&115 根据多元线性回归理论,设输出电压V.与各输入电压V, V2,V3,V4之间的关系式为:v.=bo+bV+b2V2+b3V3+b4V4,因此实际 测得的数据样本(,,l.VV,i;V中V.VVV与V之间的 关系为:V=Vo+b1V1i+b2Vz+b3V+b4V+8.,式中bo,b1,b2,b3,b4为 待定系数,si为正态偶然误差.采用矩阵记号: == 11 12 B= : ' E= 以上误差方程组可简记为: Vo=V1B+E(1) 根据最小二乘原理Q=E?E:Min 可得关于B的正则方程组(VVJB:VV.解出 B=(V1VI)V1Vo(2) 根据实测数据得:= 与 .084 .159 .893 .332 .166 .981 .1l5 代入上式得: BT_[1.5130.0055O.0016O.0878O.005】 所以输出电压v.与各输入电压的关系为 Vo=1.513+0.0055V1+O.0016V2+0.0878V3+O.005V4(3) 实际上任意一组样本数据,形式上都可以按最小二乘法拟 和出一条回归直线,显然线性拟和的效果会有显着与不显着之 分,因此需检验之.构造统计量 F: /2(4)?【4' 其中:?=?(v一)z;?=?(一)z. 把仿真结果数据代入(4)式可得F>F咖(4,2)=99.25.可以看出 3式线性关系明显,说明综合电路适合用隶属函数法来处理. 3.1.2影响输出电压变化的各因素隶属函数 设输出电压的变化量AU为影响输出电压变化的隶属函 数论域,即A(?U)E[0,1】.?UD,D为各输出电压的波动范 围.从3式中可以看出输出电压变化?U与工作电压变化 ?u之间的关系为: AUv1=AU/0.0055 其中?U=AU2一U,(U-U2)为输出电压波动范围; ?UI=uv12--Ull,(U?,UI2)为输入电压'理论'V1波动范围. 实际信号综合电路在工作过程中并不仅仅与v1有关,假 设当某时输出电压变化为?U,则V1的变化应为?U而实 际此时V1的变化应为?U',?U'1=u'2-U','U '2)为输入电压V1实际波动范围. 当输出电压波动时,实际V1的波动AU'与V1的应当波 动AU的接近程度IAUAU'l反映了引起输出电压波动隶属 于v1变化的程度,也就是输出电压波动是由于V1波动引起的 隶属程度.当此接近程度比较大时(即IAU一AU'l—+0时)输出 电压波动隶属于v1变化的隶属程度就比较大;相反就比较小. 可以看出能反映此过程隶属函数是以IAU广AU'l为自变量的 减函数.根据隶属函数的确定原则,近似关系可以确立引起输出 电压波动隶属于v1变化的隶属函数模型为A(Au)=a' 其中a>1,对于参数a的确定为了便于实际比较,应参考电路 工作的实际情况而定,当l?Uv厂?U'l?9O时,A(?U)? 0.001,当不等式都取等号可计算出a=1.079.所以可以建立影响 输出电压变化的v1隶属函数为: A1(?u)=1.079-a~',.(5) 同理可得出影响输出电压变化的V2V3,V4的关系以及其 隶属函数如下: A2(?u)=1.079-r A3(?u)=1.079-~. A(?u)=1.079 (6) (7) (8) 3.2基于隶属度函数的数据融合计算 在某一工作状态下,该装备A01板的相关技术参数值为: V1:15v,V2=15v,V3=36v,V4=40v,此时信号综合电路输出电压 为4.982v.现在不同的两种工作状态下,各输入量及输出电压 的变化情况如表2,依据以上各公式进行基于隶属度方法的数 据融合计算,其结果如表3:A(?U) 表2两种状态各数据及电压变化 工作状态Vlv2V3V4ulAU 116.5v1钾37v41v5.084vl0.1v 214v15,r35v41v4.89:NI-0.089v1 表3各因素引起电压变化的各隶属度 工作状态Am(?U1A(?U)A(?U1A"(?U)maxA(?U1 1Q2740.00Bng嘲0.90嘲 2n2710.013Q8船0.278n8田 根据模式识别最大隶属度原则,引起输出电压变化主要因 素应是电压变化时隶属度最大的因素.即A(?U】=max{AAv2, AAv4} 可知这两种工作状态引起输出电压变化主要因素是V3输 入的变化?U,其它因素也都有影响,但都不太明显. 3.3结果分析 从以上两种工作状态的计算分析可以看出,信号综合选择 @国自控同邮局订阅号:82躺360~L/#--209 弛 "?弛 =宝H=宝" =宝H" 故障诊断中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2007年第23卷第6—1期 电路输出电压的变化是由各种因素共同作用的结果,但各因素 在对输出电压变化的影响程度不同.显然,隶属度最大的因素 可以确认为引起输出电压变化的主要故障源.在本例中确立隶 属函数的基本思想也就是输出电压变化与各输入电压变化之 间的满足程度,在确立隶属函数的过程中,由于实际情况的特 殊性等原因,所确立的隶属函数是近似的,需要在实际测试中 逐步修改. 4结论与建议 在数据融合中像素融合层次,对于正态分布的物理量笔者 提出了隶属函数融合法,利用各测量数据的隶属度来确定各自 在融合过程中所占的权重,来有效地对各数据进行融合,以保 证像素级融合的完善性.本文所提出的隶属函数融合法,当系 统的输出出现偏差时可以有效地判断出现偏差的故障源,在某 种意义上隶属函数融合法也可以作为设备故障诊断的一种方 法.笔者在检测与故障诊断设备的研制中,采用了该方法,取得 了比较好的效果. 需要指出:本数据融合过程是以仿真条件下的测量数据为 基础的,在对各因素引起输出量变化的隶属函数确定过程是在 仅考虑单因素情况下而定的,各因素之间的相互影响可能会考 虑的不充分,因此在实际应用时要注意进一步来完善. 本文作者创新点:在数据融合过程中的像素融合层次,在对 某装备进行检测和故障诊断中,针对本装备的特点提出了隶属 函数融合法,利用本方法可有效地检测出系统的故障源,保证 装备处于良好状态. 参考文献 [1】杨万海.多传感器数据融合及其应用[M】.西安:西安电子科技 大学出版社,2004. 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(050003河北石家庄军械工程学院)张燕军张彦斌郭德卿 (OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003) ZhangYanJunZhangYanBinGuoDeQin 通讯地址:(050003河北石家庄和平西路97号军械工程学院 高炮教研室)张燕军张彦斌 (收稿日期:2007.3.13)(修稿日期:2007.4.15) (上接第271页) 图1战斗机的导入结果 4结束语 3DSMAX模型转化到OpenGL中有很多方法,一般分两种 形式的转化.其一是利用转化软件,如3DWin和3DExploration 是目前比较流行的转化软件,可以将3DSMAX输出的.ase,.max ,但这种方法还不够成熟,容 等格式的文件转化为OpenGL格式 易丢失3DS文件的颜色,纹理,光照等信息.另一种方式是本文 介绍的利用VC++编程读取3DS文件信息并将其加入到 OpenGL场景中,避免了用转化软件带来的缺陷,得到了较好 的效果. 作者创新点:3DSMAX和OpenGL结合实现三维仿真,既利 用了3DSMAX建模方便快捷的特点,又利用了OpenGL容易实 现交互性的优点,避免了各自的缺陷,节省了大量的重复繁重 的工作,极大地提高了工作效率,从而使虚拟三维场景仿真的 实现变得更加轻松且取得真实感更强的效果.与利用转换软件 读取3DS模型数据的方法相比更方便安全,不会出现数据丢失 的现象. 参考文献 [1】和平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发[M】.北京: 中国水利水电出版社,2002. [2】刘刚,左宗义,冯开平等.OpenGL下的复杂建模转换和交互式 动画fJ1.工程图学,2005,(5):65,68. [3】黄心渊,古梅,戈建涛等.3dsmax高级编程——使用脚本制作 动画[M】.北京:清华大学出版社,2004. f4】匡天君,滕远道,王乘等.基于MFC和OpenGL三维图形的开 发fJ】微计算机信息,2004,20(6):115—116 作者简介:孙文静(1982一),女(汉),硕士研究生,研究方向为计算 机图形学及工业造型设计;璩柏青(1953一),男(汉),教授,主要研 究方向为计算机图形学及工业造型设计. Biography:SunWen—Jing,Female(1982-),Postgraduate,ma? jofingincomputergraphicsandindustrialdesign. (710071陕西西安西安电子科技大学机电工程学院)孙文静 璩柏青张秀国 (Departmentofmechanicalandelectronicengineering,Xidian University,710071,China)SunWenJingQuBaiQing ZhangXiuGuo 通讯地址:(710071陕西西安西安电子科技大学197#信箱) 孙文静 f收稿日期:2007.3.13)f修稿日期:2007.4.15) 一 210—360-,L/年邮局订阅号:82—946