基于PSO-BP的甘蔗联合收割机物流堵塞预测预警研究_陈远玲.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 8;修订日期:2 0 2 2-1 2-0 1 基金资助:国家自然科学基金项目(5 1 6 6 5 0 0 4)通讯作者:陈远玲(1 9 6 4),女,广西柳州人,广西大学教授;E-m a i l:c y l g x d x g x u.e d u.c n。引文
2、格式:陈远玲,陈浩楠,王肖,等.基于P S O-B P的甘蔗联合收割机物流堵塞预测预警研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):6 6 2-6 7 3.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 6 6 2基于P S O-B P的甘蔗联合收割机物流堵塞预测预警研究陈远玲*,陈浩楠,王肖,陈承宗,侯怡(广西大学 机械工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4)摘要:在甘蔗的倒伏、弯曲,以及蔗节、蔗叶、泥块等杂物的共同作用之下,甘蔗联合收割机物流通道中的刀盘和切段辊处容易形成堵塞,为提高甘蔗
3、联合收割机工作效率,降低甘蔗联合收割机物流通道发生堵塞的概率。以甘蔗联合收割机刀盘转速、切段辊转速、刀盘工作压力、切段辊工作压力等信号为输入变量,以甘蔗联合收割机运行状态为结果建立B P预测模型,并采用P S O-B P算法对预测模型进行优化。结果表明:P S O-B P神经网络预测模型对甘蔗联合收割机堵塞预测的准确率为9 8.7 5%,运行时间为0.1 8s,预测准确率比B P神经网络提升了2.5%,用时减少了0.9 4s。基于P S O-B P预测,应用L a b V I WE软件开发了甘蔗联合收割机物流堵塞预测及预警系统,实现对甘蔗联合收割机刀盘和切段辊液压参数的实时监测和物流状态的预测
4、和预警。研究结果可为优化甘蔗联合收割机的防堵控制设计提供依据。关键词:甘蔗联合收割机;堵塞预测;P S O-B P神经网络;粒子群算法中图分类号:TU4 7 3.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 6 6 2-1 2P r e d i c t i o na n de a r l yw a r n i n gr e s e a r c ho nl o g i s t i c sb l o c k a g eo fs u g a r c a n e c o m b i n eb a s e do nP S O-B PCHE NY u a n l
5、 i n g*,CHE N H a o n a n,WAN GX i a o,CHE NC h e n g z o n g,HOUY i(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:U n d e r t h ec o mm o na c t i o no fc a n ef a l l i n g,b e n d i n g,c a n ek n o t,c
6、a n el e a v e s,m u da n do t h e rd e b r i s,t h ec u t t e rh e a da n dc u t t i n gr o l l i nt h el o g i s t i c sc h a n n e lo ft h es u g a r c a n ec o m b i n eh a r v e s t e ra r ee a s i l yb l o c k e d.I no r d e rt oi m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo ft h es u g a
7、 r c a n ec o m b i n eh a r v e s t e ra n dr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo f t h es u g a r c a n ec o m b i n eh a r v e s t e rl o g i s t i c s c h a n n e l c l o g g i n g.T h eB Pp r e d i c t i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e dw i t h i n p u t v a r i a b l e s s u c ha sc u t
8、 t e rh e a ds p e e d,c u t t e r r o l l s p e e d,c u t t e rh e a dw o r k i n gp r e s s u r e a n dc u t t e r r o l lw o r k i n gp r e s s u r eo f s u g a r c a n ec o m b i n eh a r v e s t e r,a n dP S O-B Pa l g o r i t h m w a su s e dt oo p t i m i z et h ep r e d i c t i o n m o d e l
9、.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u r a c y o f P S O-B P n e u r a l n e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e l i s9 8.7 5%,t h er u n n i n gt i m ei s0.1 8s,t h ep r e d i c t i o na c c u r a c yi s2.5%第3期陈远玲,等:基于P S O-B P的甘蔗联合收割机物流堵塞预测预警研究h i g h e rt h a nB Pn e u r a ln e t w o
10、r k,a n dt h et i m ei sr e d u c e db y0.9 4s.B a s e do nP S O-B Pp r e d i c t i o n,L a b V I WEs o f t w a r ew a su s e dt od e v e l o pt h el o g i s t i c sc o n g e s t i o np r e d i c t i o na n de a r l y w a r n i n g s y s t e m o f s u g a r c a n e c o m b i n e h a r v e s t e r,w
11、h i c h r e a l i z e d t h e r e a l-t i m em o n i t o r i n go fh y d r a u l i cp a r a m e t e r so fc u t t e rh e a da n ds e c t i o nr o l lo fs u g a r c a n ec o m b i n eh a r v e s t e ra n dt h ep r e d i c t i o na n de a r l yw a r n i n go f l o g i s t i c ss t a t u s.T h er e s u
12、 l t sc a np r o v i d eab a s i s f o ro p t i m i z i n gt h ea n t i-b l o c k i n gc o n t r o l d e s i g no f s u g a r c a n ec o m b i n eh a r v e s t e r.K e yw o r d s:s u g a r c a n ec o m b i n e;b l o c k a g ep r e d i c t i o n;P S O-B P n e u r a ln e t w o r k;p a r t i c l es w a
13、 r mo p t i m i z a t i o n0 引言甘蔗联合收割机在作业时容易产生物流系统堵塞,严重影响了甘蔗机械收割作业效率,同时还会形成过载和冲击破坏,导致动力传动系统的链条、皮带损坏和液压管路的破裂漏油等,降低了甘蔗联合收割机的工作可靠性,为此,国内外学者开展了系列防堵塞设计研究。D a v i s等1、N o r r i s等2-3研究发现,通过改变刀盘及压蔗辊等关键元件的设计安装参数能减轻收割机堵塞压力。李立新等4设计了一种防堵机构,通过螺纹辊的旋转,让甘蔗沿螺纹辊的轴线直线运动,可有效减少堵塞的发生。刘芳建等5设计了一种切段装置前置式收割机割台,减少收割机输送系统易卡死的
14、现象。沈中华等6针对物流堵塞情况设计了一种甘蔗分流喂入的机构,能有效减轻收割机堵塞的现象。综上可见,现有的研究成果主要是一些基于堵塞机理分析的结构优化设计;但无论是哪一种结构都很难完全适应甘蔗收割作业工况的复杂性,不可能完全避免堵塞的发生,因此,研究甘蔗联合收割机甘蔗物流堵塞的预测和预警方法,在发生物流堵塞前采取有效的防堵控制措施,可大大减少停机清堵和维修时间,对提高甘蔗机收效率,降低甘蔗生产成本有重要意义7。随着人工智能技术和信息技术的飞速发展,多传感器信息融合、深度学习及神经网络等技术开始应用于各类农机装备的在线监测、故障诊断、故障预测和预警等方面8。李哲9针对水稻联合收割机脱粒滚筒堵塞现
15、象,构建了其堵塞故障的s o f t m a x分类模型,其模型输入自变量为喂入搅龙、脱离滚筒等与风机转速共6个转速比,输出为脱粒滚筒运行状态,基于t e n s o r f l o w完成了模型构建和测试,其分类模型的准确率为9 5%。余昌舜1 0以水稻联合收割机的喂入搅龙、输送搅龙、脱粒滚筒、输粮搅龙4个部件转速以及损失量作为系统的输入,堵塞状态为系统输出,基于模糊神经网络开展远程故障诊断系统研究,诊断算法的准确率达8 0%以上。徐凯1 1研究了水稻联合收割机堵塞问题,以收割机割台搅龙、输送槽、脱粒滚筒和输粮搅龙作为监测对象,前进速度作为控制对象,建立了基于B P神经网络和D S理论结合的
16、联合收割机故障诊断与报警系统,成功预警率达到9 2%。目前尚未看到将相关技术应用于甘蔗联合收割机工况预测和预警的研究报道。本文根据甘蔗联合收割机的工作特点,研究通过多传感信息的融合,以甘蔗联合收割机刀盘转速、切段辊转速、刀盘工作压力、切段辊工作压力等信号为输入变量,以堵塞状态为输出量,建立基于B P神经网络 的 甘 蔗 联 合 收 割 机 物 流 堵 塞 预 测 及 预 警 模 型,并 利 用 粒 子 群 算 法(p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n,P S O)对其进行优化,提高预测的精度和速度;采用L a b V I EW软件设计人
17、机交互的预警系统,可为操作者提供实时指导。1 试验测试与数据处理1.1 试验准备以及数据采集以广西某企业研制的4 G Z Q 1 8 0型甘蔗联合收割机为试验对象,进行甘蔗联合收割机堵塞状况数据采集试验,在广西壮族自治区扶绥县渠黎镇芮陇村进行。甘蔗收割试验环境基本情况见表1。此次366广西大学学报(自然科学版)第4 8卷试验对甘蔗联合收割机的刀盘压力、刀盘转速、切段压力、切段转速信号进行了采集。试验时间为2 0 2 1年1月1 0日,试验期间数据采集设备搭载的收割机正常进行收割作业,采集工作从上午9:0 0开始直至当天中午1 2:3 0结束。表1 甘蔗收割试验环境基本情况T a b.1 B a
18、 s i cc o n d i t i o n so f s u g a r c a n eh a r v e s t i n ge n v i r o n m e n t地点天气甘蔗是否有严重倒伏甘蔗品种场地情况土壤含水率/%芮陇4队晴否桂糖4 2平地7.2 3 刀盘机构、切段机构负载压力的测量选用41 04k P a的G S 4 0 0 R 2 0 1 L U/E 0型压力传感器,采用欧姆龙E 2 BM 1 2 KN 0 5WZ B 1型接近开关与测速齿轮配合测量各部件的转速,用G P S测量收割机的行驶速度;压力传感器的采样频率为2 0 0H z,接近传感器采样频率为2 0 H z,G
19、P S采样频率为1H z。4 G Z Q 1 8 0型甘蔗联合收割机及传感器布局如图1所示。图1 4 G Z Q 1 8 0型甘蔗联合收割机机及传感器布局F i g.1 4 G Z Q 1 8 0s u g a r c a n eh a r v e s t e ra n ds e n s o r s试验采用的数据采集系统(S o m a te D AQ-L i t e)在复杂工况顺利进行数据采集,该系统具有良好的防干扰能力和较高的采样频率,可以适应甘蔗联合收割机实际工作时的恶劣环境。S o m a te D AQ-L i t e系统采用功能板块集成设计,配置了2块E LHL S高电平和1块E
20、L D I O数字I/O层,系统采用全密封设计,可以避免收割机工作时产生的尘土对数据采集产生影响。通信方面系统可通过S A C-E S R 9/S O电缆的R S 2 3 2接头与计算机直连进行通信,以此实现数据的实时查看与采集,同时系统也内置了存储器,便于数据的保存与下载。完成P C端与数据采集系统连接之后,将传感器连接到数据采集系统的信号通道上,传感器通道配置见表2。完成准备工作之后即可对测量变量进行数据采集。S o m a t e D A Q-L i t e坚固型移动数据采集系统如图2所示。表2 传感器通道配置T a b.2 S e n s o rc h a n n e l c o n
21、f i g u r a t i o n传感器通道传感器通道刀盘压力传感器HL S_1.0 3刀盘转速传感器HL S_2.0 7切段压力传感器HL S_1.0 4切段转速传感器HL S_2.0 9466第3期陈远玲,等:基于P S O-B P的甘蔗联合收割机物流堵塞预测预警研究图2 S o m a t e D A Q-L i t e坚固型移动数据采集系统F i g.2 S o m a t e D A Q-L i t e r u g g e dm o b i l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m1.2 数据处理由于甘蔗联合收割机工作工程中的振动、液压
22、冲击等因素会产生干扰信号,造成信号失真,影响采集数据的质量,直接影响后续建立的预测模型的准确性,因此在使用数据建模之前要在N c o d e软件中的G l y p h w o r k模块内对采集信号进行一系列的预处理。在N c o d e软件中搭建的压力转速信号处理流程如图3所示。图3 压力转速信号处理流程F i g.3 P r e s s u r e s p e e ds i g n a l p r o c e s s i n gf l o wc h a r t利用N c o d e软件对采集数据进行频谱分析,消除毛刺,信号滤波,去除甘蔗联合收割机在转场、调头时采集的无效信号。通常在进行这些
23、操作时,机手会关闭刀盘、切段辊等执行机构,因此将转速与压力值为0时,定义为无效信号并去除。1.3 数据分类收割机工作状况分为空载、正常、重载、堵塞4类。根据采集数据时记录下的堵塞时的时间,找到对应的时段的数据。甘蔗收割机物流典型堵塞状况波形如图4所示。从图中可见,从上到下为切割压力、图4 甘蔗收割机物流典型堵塞状况波形F i g.4 T y p i c a l c o n g e s t i o nw a v e f o r mo f s u g a r c a n eh a r v e s t e r l o g i s t i c s566广西大学学报(自然科学版)第4 8卷切断压力、刀盘
24、转速、切断转速。一段信号显示切割压力陡然升高,而刀盘转速急剧降低,这段信号显然是刀盘处发生堵塞;另一段信号显示切段压力陡然升高,而切段转速急剧降低,这段信号显然是切段辊处发生堵塞,这2类信号数据为堵塞工况数据。通常堵塞的压力变化有一个过程,堵塞信号发生前1 0s的数据归类为重载工况数据。根据工况,将切割压力和切段压力小于1MP a的数据归类为空载工况数据,其余时段收割机正常工作,故余下的数据归类为正常工况数据。截取空闲、正常、重载、堵塞样本各1 2 0组,共计4 8 0组数据,为后续预测工作作准备。2 B P神经网络的堵塞状态预测2.1 B P预测模型的建立采用误差反向算法训练的多层前馈网络称
25、为B P算法,B P神经网络的结构有3层或多层神经元,输入层神经元个数和其拓扑结构模型1 2如图5所示。B P算法的计算规则采用最速下降方式,信息在网络中反向传播,依照训练所得到的误差值不断改变神经网络的权值和阈值,直到神经网络的误差平方和最小。图5 B P神经网络拓扑结构F i g.5 T o p o l o g yo fB Pn e u r a l n e t w o r kB P神经网络建模流程如下:S t e p1:归一化。由于甘蔗联合收割机工作参数复杂,各个参数单位不同,数量级也相差甚远,因此对数据进行归一化处理,把它们映射到0,1 范围内,使其在同一个数量级上,采用式(1)进行计算
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