一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法及系统，涉及工业大数据处理领域，方法如下：S1：实时采集原始电流数据；S2：使用三次样条插值方法对原始电流数据进行预处理，并进行重采样，获得采样时间间隔为t的标准电流数据；S3：提取标准电流波形特征，并建立历史标准电流波形特征库，用于存放历史标准电流数据波形特征、历史标准电流数据波形特征所对应的设备运行状态；S4：将标准电流波形特征与历史标准电流数据波形特征进行匹配，判断设备运行状态，获取加工波形个数；S5：统计一个时间段内的加工波形个数与设备加工的工件数量，计算生产节拍；本发明专利技术通过三次样条插值法采集的数据等时间间距处理，提高生产节拍的计算效率。算效率。算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及工业大数据处理领域，特别涉及一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法及系统。

技术介绍

[0002]目前大多数工厂的生产方式都是采用流水线作业，整条产线的生产效率不是取决于生产速度最快的工位，而是取决于生产速度最慢的工位。任何一个工位出现瓶颈负荷都会影响整个产线的生产效率；为了消除作业间不平衡的效率损失以及各种工位等待浪费现象，必须对生产节拍进行实时监控，调整作业负荷，实现生产效率最大化。
[0003]然而，传统产线相关的生产节拍的数量测量一般是通过人工实现的，工程师手持秒表在产线现场测试的每个工位的节拍时间，基于检测到的节拍时间分析生产系统生产节拍所存在的问题，这样的方式效率较低，导致生产系统的节拍异常无法及时解决。
[0004]对于智慧厂区中多路并行采样设备数据的应用场景，由于网络拥堵、电磁干扰等原因，采集系统并不能做到均匀采样，系统采集到的设备运行数据的时间间隔并不是完全相等，会使数据的处理和分析变得复杂。
[0005]现有技术中通过采集设备的模拟信息对设备状况进行监控，但现有技术不足之处在于生产节拍的计算效率低下。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决现有技术中生产节拍的计算效率低下，的问题，提出了一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法及系统，提高生产节拍的计算效率。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法，步骤如下：S1：实时采集生产设备运行的原始电流数据；S2：使用三次样条插值方法对原始电流数据进行预处理，将非等时间间隔的原始电流数据转换成等时间间距的预处理后的电流数据；对预处理后的电流数据进行重采样，获得采样时间间隔为t的标准电流数据；S3：根据标准电流数据提取标准电流波形特征，并建立历史标准电流波形特征库，历史标准电流波形特征库用于存放历史标准电流数据波形特征、历史标准电流数据波形特征所对应的设备运行状态；S4：将标准电流波形特征与历史标准电流数据波形特征进行匹配，判断对应的设备运行状态，根据设备运行状态获取加工波形个数；S5：统计一个时间段内的加工波形个数与设备加工的工件数量，计算生产节拍。
[0008]本专利技术的工作原理如下：
[0009]基于三次样条插值方法，对并行采样的非等时间间距的原始电流数据进行插值重构，得到等时间间距的原始电流数据；对已重构的原始电流数据进行分析，实现生产工位的节拍实时在线运算，实现对车间生产的实时优化。
[0010]优选地，所述的原始电流数据包括每台生产设备编号、设备名称、采集点的地址、时间戳、数据标识、电流值。
[0011]进一步地，采集生产设备运行的原始电流数据的具体步骤如下：对设备运行状态参数进行采集，采用ModBus协议进行十六进制的报文封装，响应信息为{寄存器地址，操作码，数据位，校验位}，报文传输到服务端需进行解析，把数据取出并转换为真实数值，将解析后的原始电流数据推送到流式消息队列中；原始电流数据的数据格式为[设备编号、设备名称、采集点的地址、时间戳，数据标识，电流值]。
[0012]更进一步地，所述的预处理的具体步骤如下：针对流式消息队列中的原始电流数据，根据历史数据建立采样时间窗，使一个采样时间窗的长度包含若干个生产波形，在采样时间窗中提取原始电流数据中的电流值和时间戳，形成一个电流时间序列信号并使用三次样条插值的方法进行插值重构；所述的原始电流数据包括n+1个不同时间节点t0，t1，t2，...，t
n
的电流序列数据，对应的电流值为i0，i1，i2，...，i
n
；其中，p＝t0＜t1＜t2＜...＜t
n
＝q，p为原始电流数据的起始时间节点，q为原始电流数据的最后一个时间节点；构造三次样条插值函数S(t)并使其满足以下条件：S(t)在[p，q]上具有二阶连续导数；S(t
k1
)＝y
k1
，k1＝0，1，2，...，n；在每个子区间[t
k2
，t
k2+1
]，k2＝0，1，2，...，n
‑
1上，S
k2
(t)是三次的多项式；S
k2
(t)表达式如下：
[0013][0014]n个区间对应的三次函数S(t)的数学表达式为：
[0015][0016]其中每段三次函数S(t)都有A，B，C，D四个系数；根据三次样条函数每个分段函数之间的衔接需求以及边界约束条件，生成求解系数A，B，C，D所需的方程：
[0017][0018]求解S(t)得到采样时间窗内设备电流的拟合曲线函数，通过时间t对进行数据重构并进行重采样，获得采样时间间隔为t的标准电流数据。
[0019]更进一步地，建立历史标准电流波形特征库的方法如下：
[0020]通过设备加工过程的标准电流数据，提取各状态电流数据的特征值组成特征向量，所述的特征向量包括波峰、波谷、振幅、偏度、峭度、小波变换系数、小波方差、加工时长、加工状态类别；并通过各个标准加工状态下单个加工时长的电流波形的特征向量来建立历史标准电流波形特征库。
[0021]进一步地，所述的历史标准电流数据波形特征包括加工若干种产品时加工状态的波形特征；所述的历史标准电流数据波形特征所对应的设备运行状态包括设备关机状态的波形特征、设备待机状态的波形特征、设备故障状态的波形特征。
[0022]更进一步地，提取各状态电流数据的特征值的方法如下：
[0023]使用小波分析法提取特征值；所述的特征值包括波峰、波谷、振幅、偏度、峭度、小波变换系数、小波方差；平方可积函数为一个基本小波或小波母函数，且满足：
[0024][0025]经伸缩和平移得到一簇函数；
[0026][0027]式中，a为伸缩因子，b为平移因子；是由生成的依赖于a，b的连续小波函数族或小波基函数；且a，b∈R，a≠0；小波变换如下：
[0028][0029]W
f
(a，b)为小波变换系数，包含电流波形的时频域变化特征；将小波系数的平方值在b域上积分，得到小波方差；它所述的小波方差反映信号波动的能量随尺度a的分布，表达式如下：
[0030][0031]根据W
f
(a，b)＜f(t)，提取实时电流数据的特征值，其中f(t)表示标准电流波形的信号。
[0032]更进一步地，S4中对波形特征进行匹配的方法如下：
[0033]采用长短时时间可变滑动窗口获取标准电流数据；所述的长短时时间可变滑动窗口包括长时间窗口和短时间窗口；单个工件加工时长为T，长时间窗口获取数个工件加工时长的标准电流数据，短时间窗口获取单个工件加工时长的标准电流数据；长时间窗口的起点和短时间窗口的起点相同；短时间窗口获取实时的标准电流数据后根据特征值进行波形匹配，提取到短时间窗口实时的标准电流波形的特征值后，与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法，其特征在于，步骤如下：S1：实时采集生产设备运行的原始电流数据；S2：使用三次样条插值方法对原始电流数据进行预处理，将非等时间间隔的原始电流数据转换成等时间间距的预处理后的电流数据；对预处理后的电流数据进行重采样，获得采样时间间隔为t的标准电流数据；S3：根据标准电流数据提取标准电流波形特征，并建立历史标准电流波形特征库，历史标准电流波形特征库用于存放历史标准电流数据波形特征、历史标准电流数据波形特征所对应的设备运行状态；S4：将标准电流波形特征与历史标准电流数据波形特征进行匹配，判断对应的设备运行状态，根据设备运行状态获取加工波形个数；S5：统计一个时间段内的加工波形个数与设备加工的工件数量，计算生产节拍。2.根据权利要求1所述的一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法，其特征在于，所述的原始电流数据包括每台生产设备编号、设备名称、采集点的地址、时间戳、数据标识、电流值。3.根据权利要求2所述的一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法，其特征在于，采集生产设备运行的原始电流数据的具体步骤如下：对设备运行状态参数进行采集，采用ModBus协议进行十六进制的报文封装，响应信息为{寄存器地址，操作码，数据位，校验位}，将报文传输到服务端进行解析，把数据取出并转换为真实数值，将解析后的原始电流数据推送到流式消息队列中；原始电流数据的数据格式为[设备编号、设备名称、采集点的地址、时间戳，数据标识，电流值]。4.根据权利要求3所述的一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法，其特征在于，所述的预处理的具体步骤如下：针对流式消息队列中的原始电流数据，根据历史数据建立采样时间窗，使一个采样时间窗的长度包含若干个生产波形，在采样时间窗中提取原始电流数据中的电流值和时间戳，形成一个电流时间序列信号并使用三次样条插值的方法进行插值重构；所述的原始电流数据包括n+1个不同时间节点t0，t1，t2，...，t
n
的电流序列数据，对应的电流值为i0，i1，i2，...，i
n
；其中，p＝t0<t1<t2<...<t
n
＝q，p为原始电流数据的起始时间节点，q为原始电流数据的最后一个时间节点；构造三次样条插值函数S(t)并使其满足以下条件：S(t)在[p，q上具有二阶连续导数；S(t
k1
)＝y
k1
，k1＝0,1,2,...,n；在每个子区间[t
k2
，t
k2+1
]，k2＝0,1,2,...,n
‑
1上，S
k2
(t)是三次的多项式；S
k2
(t)表达式如下：n个区间对应的三次函数S(t)的数学表达式为：其中每段三次函数S(t)都有A，B，C，D四个系数；
根据三次样条函数每个分段函数之间的衔接需求以及边界约束条件，生成求解系数A，B，C，D所需的方程：求解S(t)得到采样时间窗内设备电流的拟合曲线函数，通过时间t对进行数据重构并进行重采样，获得采样时间间隔为t的标准电流数据。5.根据权利要求4所述的一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法，其特征在于，建立历史标准电流波形特征库的方法如下：通过设备加工过程的标准电流数据，提取各状态电流数据的特征值组成特征向量，所述的特征向量包括波峰、波谷、振幅、偏度、峭度、小波变换系数、小波方差、加工时长、加工状态类别；并通过各个标准加工状态下单个加工时长的电流波形的特征向量来建立历史标准电流波形特征库。6.根据权利要求4所述的一种基于波形特征匹配的实时生产节拍计算方法，其特征在于，所述的历史标准...

【专利技术属性】
技术研发人员：王美林，冯志鹏，何家贤，张义名扬，邸江磊，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：