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制造業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè)，近年來，隨著工業(yè)制造4.0以及中國制造2025計(jì)劃的提出，制造業(yè)向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展.數(shù)控加工中心作為制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，首當(dāng)其沖成為被研究、改進(jìn)的目標(biāo).數(shù)控技術(shù)水平的高低和國家擁有的數(shù)控加工中心數(shù)量，代表著一個(gè)國家工業(yè)發(fā)達(dá)的程度和體現(xiàn)這個(gè)國家整體技術(shù)實(shí)力^：.數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障的檢測與排除成為難點(diǎn).過去的故障排除工作主要依靠有經(jīng)驗(yàn)的工作人員在故障發(fā)生一段時(shí)間之后手動(dòng)進(jìn)行，如此以來，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)無法在第_時(shí)間做出反應(yīng)，很可能造成設(shè)備的損失.同時(shí)，人工故障排除還有速度慢，相關(guān)技術(shù)人員培訓(xùn)周期長等缺點(diǎn).隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能理論與實(shí)踐方法的完善，在線故障檢測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生.。

傳統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)是一個(gè)層級化系統(tǒng)，分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、智能檢測層.數(shù)據(jù)采集層位于最底層，智能檢測層在最高層.該系統(tǒng)的信息流流向單只能從低層向高層流動(dòng).針對不同類型的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)既可以通過外界輔助傳感器讀取加工中心表層溫度、振動(dòng)等外部數(shù)據(jù)，也可以通過（)PC (OLE f,,rProcess Cimtnil,用于過程控制的OU':)協(xié)議，從數(shù)控加工中心內(nèi)部直接讀取加工中心的運(yùn)行數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)層通過接口協(xié)調(diào)不同格式數(shù)據(jù)融合、封裝與傳輸，智能檢測層可采用專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或決策樹等不同的人工智能系統(tǒng).所需采集的信號指標(biāo)包括主軸振動(dòng)、溫度、噪聲，轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、信號量等，其中振動(dòng)、溫度、噪聲三項(xiàng)指標(biāo)對于故障的分析診斷具有重要的意義.

•振5力：當(dāng)被檢測物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測點(diǎn)的位移相對出現(xiàn)偏差，此種偏差包含大量非線性信息，有利于故障點(diǎn)的定位.

• 度：加工中心的傳動(dòng)部位發(fā)生磨損時(shí)，局部溫度會升高，

通過升高的幅值判定故障的發(fā)生.

•嘩聲：矂聲是震動(dòng)能量傳播的一種形式,發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，可以通過噪聲的變化判定故障的發(fā)生原因.

以上三種指標(biāo)對于加工中心的故障檢測有重要意義，其它指標(biāo)可以作為輔助數(shù)據(jù).

傳統(tǒng)構(gòu)架的故障檢測系統(tǒng)存在諸多缺陷：由于傳感器的種類不同，采集頻率不同，對新傳感器的增添需要修改主程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性差.故障診斷功能全部由診斷層提供，網(wǎng)絡(luò)層只負(fù)責(zé)信息的傳遞，然而網(wǎng)絡(luò)層一般采用單片機(jī)作為計(jì)算核心，具有一定的計(jì)算能力，完全可以診斷簡單的故障.如果將初級診斷功能集成其中，一方面可以緩解高級診斷系統(tǒng)的壓力，另一方面可以在第一時(shí)間應(yīng)對出現(xiàn)的問題而不需要經(jīng)歷向高層傳輸帶來的延遲.另外，在數(shù)據(jù)傳輸方面，因?yàn)闆]有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的保障，傳輸延遲現(xiàn)象較常見，這樣會導(dǎo)致數(shù)據(jù)喪失時(shí)效性.三個(gè)層面之間的互動(dòng)缺失，傳感器無法根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整工作頻率，能量浪費(fèi)問題嚴(yán)重.考慮系統(tǒng)異構(gòu)的現(xiàn)實(shí)，為了使層級之間信息傳遞在實(shí)時(shí)性的要求下順暢進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能判斷故障，智能調(diào)整負(fù)載，本文提出基于<:PS的加工中心故障診斷系統(tǒng).

2 CPS系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

信息物理融合技術(shù)是由緊密結(jié)合的計(jì)算、通信、控制模塊協(xié)同運(yùn)作，由此提升物理應(yīng)用的穩(wěn)定性、可靠性、健壯性，提升效率的下_代系統(tǒng)⁰ .近年來，以信息物理融合系統(tǒng)為主題的研討會與報(bào)告越來越多，旨在完善CPS框架，前瞻性地發(fā)現(xiàn)可能遇到的問題，促進(jìn)CPS系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用.目前的「:I’S應(yīng)用主要集中在醫(yī)療、汽車、智能電網(wǎng)、智能城市等領(lǐng)域，依靠強(qiáng)大的實(shí)體4勿理交互能力，保障人類健康，方便人類出行,統(tǒng)籌與優(yōu)化電力資源的分配.U’s的設(shè)計(jì)思路、技術(shù)特征符合加工中心故障診斷系統(tǒng)的要求，但針對診斷系統(tǒng)要求的完善的a’s構(gòu)架尚未被提出.

2.1 CPS系統(tǒng)模型研究

不同于傳統(tǒng)信息系統(tǒng)建模方式，cps系統(tǒng)包含大量信息物理交互實(shí)例，涉及能量、信息的流動(dòng).根據(jù)具體的應(yīng)用場合，建模方式也有所不同.如何忠實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)作方式是建模的關(guān)鍵.文獻(xiàn)H總結(jié)了近年來信息物理融合系統(tǒng)建模的主要方法，將建模方法分為四大類：一體化建模、時(shí)空交互建模、功能和實(shí)現(xiàn)兼容建模，集成建模.一體化建模旨在消除物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)建模差異，時(shí)空交互建模主要為了統(tǒng)一cps的系統(tǒng)行為與時(shí)空關(guān)系的語義表示.功能和實(shí)現(xiàn)建模主要刻畫邏輯和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系，集成建模則主要解決異構(gòu)系統(tǒng)語義統(tǒng)一問題.本文在以上四種建模方式的基礎(chǔ)上，提出了加工中心（:PS故障檢測系統(tǒng)的模型，并給出了模型框架.

2.2 CPS系統(tǒng)可靠性研究

宏觀上講，(:PS所有部件由通信網(wǎng)絡(luò)連接，系統(tǒng)可靠性可由通信網(wǎng)絡(luò)可靠性度量，具體包括網(wǎng)絡(luò)抗毀性、生存性、有效性.微觀來講，每個(gè)部件及部件內(nèi)部的運(yùn)作規(guī)則對系統(tǒng)整體至關(guān)重要.文獻(xiàn)&], H將信息物理融合系統(tǒng)抽象為兩個(gè)獨(dú)立但相互依賴的子系統(tǒng)：物理網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)，并運(yùn)用滲透理論對系統(tǒng)的抗毀性和生存性進(jìn)行分析：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遭受不同類型攻擊時(shí)，幸存下來的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)本身參數(shù)（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度數(shù)概率分布）和攻擊的破壞程度（每次攻擊對節(jié)點(diǎn)數(shù)造成的影響）有關(guān)，而與每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)大小與他們的比例無關(guān).網(wǎng)絡(luò)延遲的大小關(guān)乎系統(tǒng)整體運(yùn)作效能，當(dāng)系統(tǒng)允許的最大延遲確定后，文獻(xiàn)H提出了在不同服務(wù)質(zhì)量下獲取多種路徑的算法，通過實(shí)驗(yàn)證明該算法能達(dá)到預(yù)計(jì)效果.文獻(xiàn)M提出了一種在信息物理融合系統(tǒng)中兼顧系統(tǒng)節(jié)能、可靠性的調(diào)度策略：在滿足系統(tǒng)不同層級可靠性的要求下，算法能給出當(dāng)前層級下能量消耗最小的調(diào)度方法.文獻(xiàn)H提出了用于車輛（:ps系統(tǒng)中的傳感器數(shù)據(jù)融合方法，該方法可以剔除傳感器冗余信息，減少傳輸帶寬的需求，在一定程度上增加了系統(tǒng)的有效性.

根據(jù)以上的研究成果，本文在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施：

0. 減少部件之間的耦合；

1. 設(shè)計(jì)為嵌套系統(tǒng)，增強(qiáng)子系統(tǒng)自治性；

2. 傳輸層數(shù)據(jù)融合；

3. 增加傳感器采集頻率實(shí)時(shí)控制功能.

2.3 CPS系統(tǒng)安全性研究

系統(tǒng)安全性是指系統(tǒng)阻止未授權(quán)用戶登錄以及發(fā)現(xiàn)入侵者的能力.文獻(xiàn)H提出了一整套設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)受資源限制的安全可靠信息物理融合系統(tǒng)方法，該方法涉及現(xiàn)代控制理論，運(yùn)用信息、計(jì)算模型探討了系統(tǒng)效能、系統(tǒng)安全性、可調(diào)度性之間的關(guān)系，最后得出結(jié)論：安全機(jī)制和控制算法需要協(xié)同設(shè)計(jì)才能保證系統(tǒng)髙效性和健壯性.文獻(xiàn)H提出了基于集合模型的cps入侵檢測算法，該算法擁有線性時(shí)不變和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也考慮cps部件之間時(shí)序和功能的依賴關(guān)系，文章最后從不同層次對算法進(jìn)行了測試.文獻(xiàn)[10]將入侵檢測具體應(yīng)用到醫(yī)療（:i’s領(lǐng)域，并給出將行為規(guī)則轉(zhuǎn)換為狀態(tài)機(jī)的方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法性能上超越了傳統(tǒng)方法.

加工中心故障檢測系統(tǒng)中傳感器采集數(shù)據(jù)均為加工中心自身的數(shù)據(jù)，不涉及所加工產(chǎn)品的細(xì)節(jié)；檢測系統(tǒng)環(huán)境相對封閉，具有的外部連接功能有限，其計(jì)算資源有限.因此本系統(tǒng)未套用復(fù)雜而占用系統(tǒng)資源多的入侵檢測系統(tǒng)理論，僅采取在客戶端登陸認(rèn)證加密方法保證登陸端安全.

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結(jié)束語：

本文調(diào)研了近年CPS系統(tǒng)研究狀況，在此基礎(chǔ)上提出加工中心「:l’s故障檢測系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)初級診斷部分，并對該部分做性能測試，測試結(jié)果顯示初級診斷系統(tǒng)基本滿足系統(tǒng)要求.

初級診斷系統(tǒng)和高級診斷系統(tǒng)共同組成完整的加工中心診斷系統(tǒng)，下一步實(shí)現(xiàn)高級診斷系統(tǒng)，并對整套系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行測試.

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