面向边缘故障预警的、基于资源感知与安全优先原则的少样本配置主动传感器采集技术

《Sensors》：Resource-Aware Safety-First Active Sensor Acquisition with Few-Shot Commissioning for Edge Fault Warning

　　

摘要

边缘监测需要在诊断信息与高成本传感之间取得平衡。我们采用了主动采集策略：在每个时间窗口中，先通过低成本信号进行筛选，只有当警报需要确认、筛选结果不确定或数据分布异常时，才对高信息量通道进行采集。该控制策略还包含一个可选的看门狗机制，用于限制无响应时间。在五个不同应力条件下的测试中，该策略的宏观F1值可达98.42%，而全程传感方式的宏观F1值为99.02%；同时，该策略的激活率为77.59%，资源消耗则降低了19.27%。在CWRU评估中，其宏观F1值为99.25 ± 0.41%，激活率为83.30%。在帕德博恩条件转移评估中，其性能与全程传感方式相当，为91.08 ± 17.55%，但会在每个时间窗口都进行检测；通过少量样本训练后，其在15个轴承上的检测性能可从58.42 ± 18.60%提升至76.52%。如果训练数据中不包含某种类型的损伤，且将不同轴承的识别分开处理，该策略在面对未知故障时的激活率可为85.25 ± 18.84%，而基于学习得到的错误过滤机制的激活率为83.61 ± 25.69%。在40次从健康状态到未知故障状态的模拟测试中，95%的故障能在五个决策窗口内被检测出来；有一个公式表示为：??=10 看门狗机制可将无响应时间限制在九个时间窗口以内。这些指标反映的是故障恶化的程度，而非未知类别的识别能力。ESP32原型机可用于验证遥测功能的可行性，但无法检测传感器供电情况或实现端到端的故障诊断。只有在确认阶段能够完成转换时，减少传感频率才是可行的；否则就需要进行额外的调试或采用更为保守的采集策略。