一種基于譜線重要度的頻譜壓縮方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械狀態(tài)監(jiān)測領域中的方法研究，涉及一種基于譜線重要度的頻譜壓 縮方法。
【背景技術】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種旋轉(zhuǎn)機械廣泛應用于各工業(yè)領域。旋轉(zhuǎn)機械故障 是關系到國民經(jīng)濟生產(chǎn)安全性的重要問題，對故障進行早期診斷，關系著設備能否安全、高 效的長期運行，也是整個企業(yè)正常生產(chǎn)的重要保障。
[0003] 對于關鍵機組通常采用有線狀態(tài)監(jiān)測，而對于機栗等輔機設備適合采用無線狀態(tài) 監(jiān)測。
[0004] 振動信號的頻譜分析是針對旋轉(zhuǎn)機械故障診斷最常見也是最有效的方法，通過傳 統(tǒng)FFT得到的頻譜數(shù)據(jù)量大，而大量數(shù)據(jù)會增加無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸時間和功耗。因此 在實際應用中需要對振動頻譜進行數(shù)據(jù)壓縮，以降低網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以便提高傳輸效 率、減小網(wǎng)絡功耗。因此研究頻譜壓縮技術具有重大意義和應用價值。
[0005]目前在無線傳感器數(shù)據(jù)壓縮方面有以下三類算法：
[0006] 1)優(yōu)化的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮算法
[0007] 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮算法如哈夫曼編碼，LZW，LZ77等被廣泛的應用于工作站，服務器 等運算能力強的設備上。無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的運算資源有限，不能直接使用這些算法， 必須在其基礎上進行裁剪優(yōu)化，形成適合無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)壓縮算法。
[0008] 2)基于小波變換的數(shù)據(jù)壓縮算法。
[0009] 對于一個無線傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)在時間上可能是相關的；而對于多個相鄰 的節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)在空間上可能是相關的，那么數(shù)據(jù)中就存在著冗余信息。小波分析聚 焦信號的局部，可以用來去除數(shù)據(jù)中的冗余信息。從而達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。首先對原始 數(shù)據(jù)進行小波變換，然后再進行量化，最后進行編碼。在監(jiān)測一些緩變量的無線傳感器網(wǎng)絡 中，數(shù)據(jù)變化緩慢且相似，適合使用基于小波變換的壓縮算法。
[0010] 3)基于壓縮感知理論的數(shù)據(jù)壓縮算法
[0011] 壓縮感知也叫壓縮采樣，可以在遠小于奈奎斯特率的情況下，對數(shù)據(jù)進行邊采樣 邊壓縮。它主要利用了信號的稀疏性消除數(shù)據(jù)的冗余，采樣完成的時候壓縮也完成，然后使 用復雜的解壓縮算法進行數(shù)據(jù)的恢復。
[0012] 上述的壓縮方法都是單純從數(shù)學的角度出發(fā)對數(shù)據(jù)進行壓縮，沒有結合具體應用 場景下各類型數(shù)據(jù)的物理意義，計算過程復雜，壓縮比不夠低，不適用于資源有限的無線傳 感器節(jié)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了克服傳統(tǒng)無線傳感器數(shù)據(jù)壓縮算法的不足，本發(fā)明公開了一種基于譜線重要 度的頻譜壓縮方法，該方法有效地提高了振動頻譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?br>[0014] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案。
[0015] -種基于譜線重要度的頻譜壓縮方法，包括以下步驟：
[0016] 將頻譜中的譜線根據(jù)重要性分為重要譜線、次要譜線和噪聲譜線；對于重要譜線， 無損的保留所有重要譜線的幅值及位置信息；對于次要譜線，僅保留將次要譜線分段后統(tǒng) 計得到的各段內(nèi)次要譜線的幅值的最大值、最小值和中值；對于噪聲譜線，則全部舍棄。
[0017] 譜線的重要性由譜線的幅值決定，重要譜線是頻譜中幅值較高的譜線，包含了轉(zhuǎn) 頻及各故障特征頻率，次要譜線是除去重要譜線和噪聲譜線后的譜線，這部分譜線幅值較 低。
[0018] 當壓縮比確定時，所述壓縮方法具體包括以下步驟：
[0019] 根據(jù)預設的噪聲譜線閾值去除噪聲譜線；在剩余的譜線中搜索峰值譜線；對峰值 譜線根據(jù)幅值進行從大到小排序，取排序后的前M條峰值譜線作為重要譜線并無損的保留 全部重要譜線的幅值和位置信息，將剩余的峰值譜線作為次要譜線并分為P段，且僅保留 每段內(nèi)次要譜線的幅值的最大值、最小值以及中值。
[0020] 所述壓縮比的計算公式為：
[0021]
[0022] 其中，CRatio表示壓縮比，P表示分段數(shù)；M表示重要譜線數(shù)；N表示頻譜中的總譜 線數(shù)。
[0023] 當相近度確定時，所述壓縮方法具體包括以下步驟：
[0024] 根據(jù)預設的噪聲譜線閾值去除噪聲譜線，在剩余的譜線中搜索峰值譜線；對峰值 譜線根據(jù)幅值進行從大到小排序，取排序后的前M條峰值譜線作為重要譜線并無損的保留 全部重要譜線的幅值和位置信息，將剩余的峰值譜線作為次要譜線并分為P段，計算出每 段內(nèi)次要譜線的幅值的最大值、最小值以及中值；如果P段次要譜線各自的相近度不能達 到要求，則增加需要保留幅值和位置信息的重要譜線數(shù)，直至P段次要譜線各自的相近度 達到要求，然后保留此時（即P段次要譜線各自的相近度達到要求時）每段內(nèi)次要譜線的 幅值的最大值、最小值以及中值。
[0025] 所述相近度的計算公式為：
[0026]
[0027] 其中，S為相近度，K為段內(nèi)次要譜線數(shù);段內(nèi)次要譜線幅值；為段內(nèi)K條 次要譜線幅值的均值；n為次要譜線數(shù)和重要譜線數(shù)之和；心為次要譜線或者重要譜線的 幅值。
[0028] 本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0029] 傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)壓縮算法的壓縮比不夠低，計算復雜度較高，不適合 應用于資源受限的無線傳感器。本發(fā)明提出基于譜線重要度的頻譜壓縮方法，該方法在滿 足低壓縮比或高相近度的同時具備較低的運算復雜度，大大提高了頻譜數(shù)據(jù)傳輸效率，適 于嵌入式無線振動傳感器應用，具有重要的經(jīng)濟意義和廣泛的工程應用價值。
【附圖說明】
[0030] 圖1是頻譜（高分辨率譜）分段示意圖；
[0031] 圖2是基于確定壓縮比的頻譜壓縮算法流程圖；
[0032] 圖3是基于確定相近度的頻譜壓縮算法流程圖；
[0033] 圖4是各段次要譜線相近度隨重要譜線數(shù)增加的變化情況示意圖；
[0034] 圖5是基于確定壓縮比的頻譜壓縮結果示意圖，其中：(a)為高分辨率譜，（b)為壓 縮譜；
[0035] 圖6是基于確定相近度的頻譜壓縮結果示意圖，其中：(a)為高分辨率譜，（b)為壓 縮譜。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0037] 在頻譜分析中，譜線的重要性由譜線的幅值決定，幅值高的譜線包含了轉(zhuǎn)頻及故 障特征頻率，是頻譜分析中需要重點關注和分析的對象。通過將譜線根據(jù)重要性進行分類 處理，從而實現(xiàn)對頻譜的壓縮。重要譜線是原始高分辨率頻譜中幅值較大的譜線，這類譜線 包含了轉(zhuǎn)頻及各故障特征頻率，在故障診斷過程中有重要的意義，所以需要全部無損的保 留其幅值及位置信息（頻率）。次要譜線是除去重要譜線和噪聲譜線后的譜線，這部分譜線 幅值較低，但仍有一定的分析價值，只需要分段進行統(tǒng)計學的壓縮，保留最大值、最小值和 中值。通常分段數(shù)是由診斷工程師決定的，不同的診斷應用對應不同的分段數(shù)。噪聲譜線 是幅值極低的譜線，沒有太大的分析價值，所以直接忽略，以減少運算量。
[0038] 壓縮比、相近度和復雜度是評價壓縮算法的三個重要指標，壓縮比是壓縮之后的 數(shù)據(jù)大小與原始數(shù)據(jù)大小之比，無線振動監(jiān)測要求對于振動數(shù)據(jù)有極低的壓縮比，一般小 于5%是比較理想的。本發(fā)明采用的壓縮比的計算公式為：
[0039]
[0040] 其中，P-一分段數(shù)；M-一重要譜線數(shù)；N-一總譜線數(shù)。通常分段數(shù)P是由診斷 工程師決定的，不同的診斷應用對應不同的分段數(shù)，分段就是將頻譜按照頻率進行分割，例 如可以采用均分，當壓縮比確定后，M的取值可根據(jù)上述公式計算得到。
[0041] 本發(fā)明中壓縮比的計算公式是根據(jù)壓縮比的定義得到的，設原始頻譜的總譜線數(shù) 為N，譜線的幅值為單精度浮點型，則原始頻譜數(shù)據(jù)大小應該為4N個字節(jié)，但是這里將N個 單精度浮點型的數(shù)據(jù)進行一次處理，轉(zhuǎn)換為N個16位的整形數(shù)據(jù)和一個單精度浮點型的縮 放因子。故原始數(shù)據(jù)大小變?yōu)?N+4個字節(jié)。進行頻譜壓縮時，重要譜線幅值完全保留，加 上位置信息，一共是4M+4個字節(jié)，P段中每段產(chǎn)生一個最大值、最小值、中值和相近度值，一 共是4個32位數(shù)據(jù)，壓縮成4個16位數(shù)據(jù)和一個32位幅值縮放因子，所以次重要譜線一 共是8P+4個字節(jié)，總的壓縮完成之后的數(shù)據(jù)大小為8P+4M+8個字節(jié)。恢復數(shù)據(jù)時使用16 位的整形壓縮頻譜數(shù)據(jù)與縮放因子相乘即可得到單精度浮點型的壓縮頻譜數(shù)據(jù)
[0042] 相近度是評判壓縮后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的相似程度的指標，代表了壓縮數(shù)據(jù)的可 信程度，同時也代表了信息損失的程度。本發(fā)明采用的相近度的計算公式為：
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