基于传感器实时状态监测与三级故障预警的低温恒温器安全关键设备方法——以26米射电望远镜L、C、Q频段恒温器为例

《Sensors》：Sensor-Based Real-Time Condition Monitoring and Three-Level Fault Pre-Warning for Cryogenic Dewar Systems

　　低温恒温器内装有低噪声放大器，属于安全关键设备：温度缓慢上升可能表明真空度下降或冷却不足，并可能在数小时至数天内升级为严重故障，而固定阈值监测提供的预警时间太短，也无法解释报警原因。本文提出一种基于传感器的实时状态监测和三级故障预警方法，并在26米射电望远镜L、C和Q频段恒温器的实际两阶段温度和真空记录上进行了验证。滑动窗口平滑后进行在线k-means聚类，将每帧归入四种状态之一（稳定、上升、下降、环境温度）。在稳定状态下，采用AR(2)模型外推趋势，并由有限状态机根据变化速率发出黄色、橙色和红色警报。真空读数作为联合报警的辅助判据。在超过2000万帧实际数据（坏点率最高达37.5%）上，该方法在相同协议下的校准（早期）段比较中——而非独立测试集上——将C频段的精确率（以报警帧与方法自身事件列表的一致性衡量，而非独立故障检测精度）从0.0486提高到0.2051，Q频段从0.0009提高到0.2484。该方法还降低了区域外报警帧比例，预警窗口召回率达到0.93–1.00，运行速度约为每帧1.8秒（约0.56帧/秒），足以满足实时嵌入式应用需求。连续监测仅捕获到稳定或轻微趋势段，未触发严重故障。