1、    融合表決策略的多傳感器可靠性研究    張榮 宋新愛摘 要：傳感器被廣泛應用在醫療、航空、制造業等各個領域，生產技術趨于成熟，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的準確性以及系統中出現的傳感器故障數目，對可靠性模型進行一票否決和少數服從多數研究，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。關鍵詞：表決策略;多傳感器;一票否決;少

2、數服從多數：2095-2163（2019）04-0237-04 ：tp212 文獻標志碼：a0 引 言隨著醫療技術、安全防御系統的發展，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、監視跟蹤的連續性、反應的快速性以及較強的生存能力。但是傳統的單傳感器系統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據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

3、現代控制、信號處理、模式識別、最優化設計等作為理論基礎，并隨著大數據的理論建設與推廣而得到大規模應用，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出蓬勃發展態勢，相繼推出了一系列研發成果。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

4、的多方位、多性質的特征值數據，對此數據利用特征融合算法實現特征融合，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測系統，實時準確地監測瓦斯濃度并依據此數據預測了瓦斯的臨界危險狀態，有效降低了井下作業的危險度，保障了井下作業者的人身安全。楊康等人7在基于環境感知實現計算、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。基于此，本文擬從多

5、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采集的數據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，多傳感器系統采集的數據來源于每一個傳感器器件，傳感器之間相互獨立、協同工作，如何標定傳感器系統中傳感器的正常工作狀態以及傳感器故障數目對于多傳感器系統正常工作的影響也是本文的重點研究內容。眾所周知，現代航空發動機正朝著

6、高溫、高壓、高轉速的方向發展8，但非理想化的工作環境對數控系統傳感器的運行有一定干擾，使得發動機性能下降，甚至導致飛行事故的發生。因此，對于具有精湛要求的航空工業類的領域而言，就要求將傳感器帶來的故障降至最低。故而，傳感器系統中每個傳感器均處于正常工作狀態即顯得尤為重要。為了提高系統可靠性，在多傳感器系統中，當發生故障的傳感器數目為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 “少數服從多數”的多傳感器可靠性模型針對傳統制造業、社會生產等多傳感器系統的精度要求略低于航空業的領域而言，多傳感器系統中一個傳感器采集到的異常數據并不會影響系統的正常運行。此時，多傳感器系統可

7、以從其它傳感器獲得數據加以運算處理后，得到最佳的數據以供系統后期的調取使用。但當系統同時出現多個傳感器采集到的數據超過或者低于系統給定的閾值時，也涉及到與前述同樣的研究課題，即：如何標定傳感器出現異常，采集數據準確率過低，以至于影響了系統來獲取最佳數據，進一步地還將影響系統的后期運行9-11。在多傳感器系統中，多于一半的傳感器采集得到的數據在閾值范圍內，判定多傳感器系統正常;一半、及更多傳感器采集到的數據超過或者低于系統給定的閾值，此時認定多傳感器系統采集數據異常，且準確率過低，為了不會給整個系統的正常運行帶來影響，即需產生報警信號。多傳感器系統正常運行概率見表1。多傳感器系統在運行中，也可能

8、會出現在長時間不對故障傳感器進行檢測、更換，采集數據短路或者斷路的異常現象，即多數傳感器出現異常的數據而少數傳感器采集到正常的數據，但是多傳感器系統判定此時多數傳感器系統采集到的數據正常，系統可以依靠采集到的數據開啟后續的工作流程，整個系統卻處于數據異常狀態。為了防止以上異常現象的發生，采取少數服從多數的原則，也就是：當系統中任何一個傳感器出現異常情況時，就會產生報警信號，但將對系統是否需更換傳感器器件的裁決權利轉交給工作人員，而多傳感器系統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，即多傳感器系統中任一個傳感器采集

9、到的數據不在系統給定的閾值范圍內，便產生報警信號。而對于精確度要求不高的行業，采取少數服從多數的原則，即當系統中任何一個傳感器出現異常數據時，產生報警信號，并將裁決系統是否更換傳感器器件的權利移交給工作人員，多傳感器系統中的其余器件均處于正常運行狀態。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自身的可靠性。5 應用研究實例時下，飼養觀賞魚類已經成為一種時尚。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，就需要對其生活環境的溫度進行精密調控。目前，市面上大多數對魚缸溫度的調節

10、主要就是依靠普通加熱棒來實現。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、鹽等物質都會逐漸腐蝕掉溫度傳感器，致使溫度傳感器發生損壞，假如此時采集到的水溫始終低于設定的閾值，這樣一來，加熱棒就會持續不停地處于加熱狀態，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，對魚缸水溫進行檢測。單個傳感器出現故障的概率為10-3，則每個傳感器正常采集數

11、據時的概率就為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中不同傳感器個數出現異常的概率情況。在多功能智能魚缸中，傳感器全部都可正常采集數據的概率為0.995。如果多傳感器系統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據，就可以較準確地獲得魚缸內的水溫，以此對魚缸的溫度進行控制，給魚兒營造舒適的生活環境。迄今為止，傳感器已然應用在各個社會生產領域中。本文中，是假設傳感器正常采集數據的概率為0.999，但在傳統制造技術不斷進步、創新飛躍的今天，單一傳感器成功采集數據的概率已遠遠大于0.999

12、，其采集精度正越來越高，如此就使得多傳感器協同工作效率也得到了大幅提升。并且，多傳感器系統中傳感器同時出現異常，從而不能實時準確地采集當前真實數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療、航空、傳統制造業、高科技新興產業、交通運輸等各個領域，其研發技術也已日趨成熟。但是，考慮到時下生產中來源不同、格式不一的海量數據，單一傳感器已很難滿足現代高科技背景下的制造業生產的實際需求，由多個傳感器所構成的多傳感器系統已然成為各領域實踐應用中的熱門研發設計。基于此，本文有針對性地開發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，對于實際生產要求精度較高的領域而言，采取一票否決工作

13、原則，多傳感器系統中任何一個傳感器采集到的數據若不在系統給定的閾值范圍內，便產生報警信號的措施。而對于生產要求精度不高的行業，則采取少數服從多數的原則，而當系統中任何一個傳感器出現異常數據時，產生報警信號，并將裁決系統是否更換傳感器器件的權利交給工作人員，多傳感器系統中的其余器件均將繼續正常工作。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的可靠性，準確率高，實用性強，并可為后續的科研工作提供良好有益的借鑒。參考文獻1楊春娣. 多傳感器信息融合及其運用j. 科技風，2019（8）：86.2陳淑鑫，遲立穎，劉娜娜. 信息融合多傳感器故障貝葉斯可靠性分析j. 齊齊哈爾大學學報（

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