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基于数字孪生与k-近邻算法的车间设备运行状态预测研究

和征 李忠鹏 杨小红

和征, 李忠鹏, 杨小红. 基于数字孪生与k-近邻算法的车间设备运行状态预测研究[J]. 制造技术与机床, 2024, (3): 193-199. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.028
引用本文: 和征, 李忠鹏, 杨小红. 基于数字孪生与k-近邻算法的车间设备运行状态预测研究[J]. 制造技术与机床, 2024, (3): 193-199. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.028
HE Zheng, LI Zhongpeng, YANG Xiaohong. Research on the operating status prediction of workshop equipment based on digital twin and k-nearest neighbor algorithm[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (3): 193-199. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.028
Citation: HE Zheng, LI Zhongpeng, YANG Xiaohong. Research on the operating status prediction of workshop equipment based on digital twin and k-nearest neighbor algorithm[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (3): 193-199. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.028

基于数字孪生与k-近邻算法的车间设备运行状态预测研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.028
基金项目: 教育部人文社会科学研究西部和边疆地区项目(20XJA630001);陕西省软科学研究计划项目(2023-CX-RKX-015);西安市科技计划软科学项目(23RKYJ0029);陕西省哲学社会科学重大理论与现实问题重点智库研究项目(2021ZD1011);西安工程大学研究生创新基金项目(chx2023016)
详细信息
    作者简介:

    和征,男,1978年生,副教授,研究方向为制造业信息化、物流与供应链管理。E-mail:heehzheng_128877@163.com

    通讯作者:

    和征,男,1978年生,副教授,研究方向为制造业信息化、物流与供应链管理。E-mail:heehzheng_128877@163.com

  • 中图分类号: TP181

Research on the operating status prediction of workshop equipment based on digital twin and k-nearest neighbor algorithm

  • 摘要: 由于传统车间设备运行状态预测不能有效利用历史数据进行学习,实时响应能力有限,难以在复杂调度环境中取得良好效果,因此文章提出一种数字孪生与k-近邻算法相结合的车间设备运行状态预测模型。构建车间设备实体在信息空间的数字孪生模型,并建立设备实体与模型之间的映射关系,从而获取实时特征数据,即设备的运行状态特征数据。运用k-近邻算法计算实时特征数据与历史数据之间的欧几里得距离,即计算设备当前运行状态与历史已知状态的相似度,最终通过前k个距离所对应的设备历史运行状态数据,预测设备的当前运行状态。该模型的本质是通过数字孪生的实时数据采集,获取指定设备运行状态特征数据,运用k-近邻算法预测设备的实时运行状态。相较以往研究,本研究贡献在于提高设备实时运行状态预测的准确率。如果将数字孪生、k-近邻算法与具备自我学习能力的相关算法相结合,模型的预测效果会更好。

     

  • 图  1  k-近邻算法流程

    图  2  数字孪生体构建框架

    表  1  机械分析数据库中设备故障模式

    故障模式代码 故障模式分类
    1 连接件故障
    2 轴承失效
    3 机械松动
    4 基础变形
    5 不平衡
    6 无故障/正常运行
    下载: 导出CSV

    表  2  部分初始数据

    振动速度/
    (mm/h)
    加速度/
    g/s)
    位移/
    (mm/h)
    震动频率/
    (Hz/s)
    温度/
    状态
    标签
    40920 8.326976 0.953952 3.225536 33.6 6
    14488 7.153469 1.673904 4.054865 37.8 6
    26052 1.441871 0.805124 0 56.2 2
    75136 13.147394 0.428964 3.336213 60.8 1
    38344 1.669788 0.134296 5.632872 70.0 1
    72993 10.141740 1.032955 0 5.6 3
    35948 6.830792 1.213192 2.758132 36.5 6
    42666 13.276369 0.543880 2.774165 33.4 6
    67497 8.631577 0.749278 0 10.9 1
    35483 12.273169 1.508053 3.656185 40.7 6
    下载: 导出CSV

    表  3  归一化处理后的部分数据

    振动速度/
    (mm/h)
    加速度/
    g/s)
    位移/
    (mm/h)
    震动频率/
    (Hz/s)
    温度/
    0.513766 0.170320 0.262181 0.126801 0.087159
    0.089599 0.154426 0.785277 0.159402 0.098054
    0.611167 0.172689 0.915245 0 0.145785
    0.012578 0.000000 0.195477 0.131151 0.157717
    0.110241 0.187926 0.287082 0.221437 0.181582
    0.812113 0.705201 0.681085 0 0.014526
    0.729712 0.490545 0.960202 0.108426 0.094682
    0.130301 0.133239 0.926158 0.109056 0.086641
    0.557755 0.722409 0.780811 0 0.028275
    0.437051 0.247835 0.131156 0.143729 0.105577
    下载: 导出CSV

    表  4  模型预测部分结果及准确率

    振动速度/
    (mm/h)
    加速度/
    g/s)
    位移/
    (mm/h)
    震动频率/
    (Hz/s)
    温度/
    状态
    标签
    预测
    结果
    0.513766 0.170320 0.262181 0.126801 0.087159 6 6
    0.089599 0.154426 0.785277 0.159402 0.098054 6 6
    0.611167 0.172689 0.915245 0 0.145785 2 2
    0.012578 0.000000 0.195477 0.131151 0.157717 1 1
    0.110241 0.187926 0.287082 0.221437 0.181582 1 1
    0.812113 0.705201 0.681085 0 0.014526 3 3
    0.729712 0.490545 0.960202 0.108426 0.094682 6 6
    0.130301 0.133239 0.926158 0.109056 0.086641 6 6
    0.557755 0.722409 0.780811 0 0.028275 1 1
    0.437051 0.247835 0.131156 0.143729 0.105577 6 6
    ······(100 rows × 5 columns)
    模型预测准确率为0.96
    下载: 导出CSV

    表  5  设备运行状态预测算法对比

    算法
    名称
    卷积神
    经网络
    随机
    森林
    因子
    分解机
    支持
    向量机
    k-近邻
    算法
    特点 易丢失大量有价值信息,网络层次太深会导致计算速度变慢,黑盒运行 分类表现不好,不能做出超越训练集之外的预测,黑盒运行 交叉特征模型等风险判断表现较好,而在状态预测方面准确率较低 分类问题表现不佳,训练时间复杂度较高,虽然准确率较高,但不适合大规模样本的训练 可用于非线性分析,准确率高,适用于交叉领域或重叠较多的待分类样本,适用于容量较大的样本[912]
    准确率范围 45%~55%[23] 65%~75%[24] 93%左右[19] 96%左右[21] 96%
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