硕士学位论文-电力机车设备检测与诊断系统.doc

兰州交通大学硕士学位论文目录摘要2abstract3第一章 绪 论411 问题的提出412 电力机车设备诊断系统研究的可行性413 和国内外同类技术比较414 作者所做的工作5第二章 总体方案设计621 系统总体结构622 系统总体功能723 微处理器的选取824 相关理论研究12第三章 数据采集单元硬件及软件设计2631 数据采集单元的总体设计2632 数据采集单元系统的电路设计2732 数据采集单元系统的软件设计43第四章 显示、通讯单元硬件及软件设计4641 显示、通讯单元的总体设计4631 显示、通讯单元的主要电路设计4633 显示、通讯单元的软件设计57第五章 电力机车设备诊断系统的使用615.1 车载微机系统采集、处理的信号615.2 电力机车设备诊断系统的使用625.3 车载系统的人机接口65第六章 结论68致谢69参考文献70附录 作者简历7276摘要铁路大幅度提速对设备可靠性提出了更高的要求，相应的要求机务部门在机车的维修、维护上有更高的水平。“电力机车设备诊断系统”的研制，就是使机务部门对机车上各设备的当前工作状态和未来发展趋势有充分的掌握，克服以往机车定修、大修存在的“易磨损部件不能及时更换，耐用部件更换过早”的问题，从真正意义上提高机车的维修质量。“电力机车设备诊断系统”分为车载微机系统和地面计算机处理系统两个子系统。车载微机系统应用最新的计算机及电子技术，实时检测机车各主要设备的状态参数，对参数做定时记录并实时显示各状态参数值；当检测到某设备工作不正常时语音报警，并根据系统自带的小型知识库，通过lcd显示故障的应急处理办法。地面计算机处理系统对车载微机系统记录并转储给它的数据进行分析，并以图形、曲线等方式显示机车各设备参数，根据系统中的专家知识库给出诊断结果以供维修部门参考。本系统自实际运行以来，车载系统实时反映机车的运行状态，使司机对机车的操纵更加有的放矢，大大提高了机车的运行质量；地面计算机处理系统对机车的运行质量分析基本与实际吻合，尤其对将要定期修理的机车，大量的历史运行数据为重要部件的更换和修理提供重要的依据。关键词：电力机车，故障诊断，数据采集，单片机abstractwith higher and higher speed of train, equipments working on train must be more reliable. consequently, the higher maintenance level of locomotive depots is needed. the research and design of power cars equipments diagnosis system aims to make working status of locomotive apparatus clear to maintenance center, which will avoid the problem of “ components easily worn cant be replaced in time, and components uneasily worn were replaced in its period of validity”.power cars equipments diagnosis system includes two subsystems that are microcomputer on-board system and surface computer processing system. microcomputer on-board system integrated with advanced computer technology and electronic technology monitors the working status of important equipments of locomotive in real time, and gives an alarm by voice once finding wrong status, and then displays how to deal with the failure by lcd according to its mini-repository. surface computer processing system analyses the record of data transferred by the microcomputer on-board system and displays the trend of each status by diagram or curve, and give the conclusions which are useful for maintenance according to its expert knowledge repository.since working in practice, the microcomputer on-board system makes important working status obvious to us at real time level, which make locomotive driver know well how to control the locomotive, and improve the running quality of locomotive; surface computer processing system gives the correct analysis for locomotive running quality as it is in practice, and quantities of historical running data gives guidance for maintenance or replacement of important components.key words: power car; malfunction diagnosis; data collecting; single chip microcomputer第一章 绪 论11 问题的提出根据铁道部规定，机车实行定期大修、段修，在段修中经常存在某些部件尚可运行，而某些部件应尽早更换的问题，这样势必造成浪费和事故隐患。尤其在铁路大幅度提速的今天，此问题更应引起足够的重视，否则将成为铁路运输的一大隐患。因此，有必要研制一种能够随车运行的监控装置，实时检测机车的各项重要参数，并能对反常情况给予报警并实时显示、记录机车的重要参数；在机车完成一次运行后，能将本次运行数据转储到地面微机系统，通过地面微机系统的分析确定是否存在故障隐患，以确保运输安全。12 电力机车设备诊断系统研究的可行性机车的各项状态参数，绝大多数只有在机车运行的动态过程中，才会有真实的表象。在地面静止的状态下，有些现象很难模拟出来；而且有些在机车静止状态正常的参数，在机车长时间运行后即呈现故障状态。在计算机技术飞速发展的今天，随着计算机处理速度的不断提高，车载微机系统完全可以实时检测、跟踪各参数的变化并实时记录、显示，使操作人员对机车各部件的真实情况一目了然；计算机存储技术及语音处理技术的发展，使机车故障诊断所需的大量运行数据和专家知识库的存储以及真实、清晰的语音提示都可以实现。我国铁路机务部门在长期的机车运用实践中，不仅制定了比较完善的安全行车规程，研究完善了列车牵引计算理论、数据，同时也积累了丰富的实践经验。在地面微机系统中集成专家知识库，对各机车运行情况通过数据记录进行分析、跟踪并给出相应的结论，是完全可行的，也是铁路行业在信息时代发展的必然趋势。13 和国内外同类技术比较本系统在设计中采用了本世纪的最新科学技术成果和计算机处理技术，系统具有良好的人机界面、数据采集达到高速和高精度水平，系统采用了硬件和软件高可靠性设计，具有良好的系统稳定性。和国内外同类技术比较，达到了国内领先水平。本系统在国内首次创建了用于比较全面地检测机车主要设备状态参数并进行设备故障诊断分析记录的车载微机系统平台，可以实时检测、记录并诊断机车设备状态。为保证行车安全、实行机车设备按状态修提供了准确可靠的依据。由于本系统采用了一系列数据采集与处理、可靠性保障、信息提示等新技术，在技术上具有国内领先的先进性。14 作者所做的工作本文所讨论的课题是兰州铁路局委托项目“电力机车设备诊断系统” 的重要组成部分，研制工作是作者在导师指导下和其他同志合作完成的。在整个研制过程中作者所做的工作主要有以下内容：1. 参与系统总体方案的讨论、规划及最后设计；2. 车载微机系统硬件装置的电路设计、研制、安装、调试；3. 汇编语言程序设计；4. 系统联机调试。5系统的现场安装、调试。第二章 总体方案设计总体方案设计事关全局，系统的功能、性能及项目实施的难易程度与此息息相关。结合具体的技术要求、当前行业普遍的技术水平以及对相关技术的掌握程度，确定总体方案。设计本方案尤其应考虑的是机车这一特殊的工作环境以及铁路行业对设备可靠性提出的要求。21 系统总体结构电力机车设备状态检测诊断系统由数据采集单元、显示、通讯单元及地面计算机处理系统组成，如图2-1所示。图2-1 系统总体结构示意图机车轴温环境温度主要电参数和电器状态机车重要控制参数机车工况状态参数其他重要状态参数信号调理电路主单片机系统端显示系统端显示系统语音报警语音报警ic卡或无线通信模块地面计算机处理系统实时日历时钟实时日历时钟数据采集单元系统安装在机车电器间，经过隔离的开关电源从机车控制电路获得系统驱动电能，并经过高压隔离电路直接和机车电路、传感器连接以得到需要检测的信号；显示系统包括两台显示器，分别安装在i端和ii端司机室的副司机操作台上；地面计算机处理系统安装在机务段运转室。数据采集单元的前向通道接各信号端，相互通道接显示系统；显示系统通过ic卡方式或无线通讯方式与地面计算机处理系统实现数据交互。数据采集单元与显示、通讯单元的人机交互通过显示系统中的薄膜键盘实现，数据采集单元与显示、通讯单元采用并行工作方式。22 系统总体功能、端显示、通讯单元数据采集单元ic卡无线通讯模块数据下载、状态数据库生成存档系统地面计算机处理系统数据查询，图形、报表显示数据统计、打印系统机务专家知识库故障诊断系统图2-2 系统总体功能框图如图2-2所示，数据采集单元对反映机车性能的主要工况参数和电参数等进行随车数据采集和处理。所采集的工况参数和电参数包括：36路模拟量信号，25路开关量信号，8路脉冲量信号, 36路机车轴温和牵引电机轴承温度，2路环境车体温度信号, 6路牵引电机火花等级信号，闸缸压力和列管压力信号；为保证数据采集的实时性，数据采集单元只完成少量的、必须的数据处理工作，主要包括：数据的数字滤波、数据的预存储、与显示系统的通讯等任务。显示、通讯单元对主机传来的各种检测数据进行数字滤波，根据随车存储的小型知识库分析各检测数据，对机车的性能进行实时的分析和判断，实时监视故障的发展并进行相应的语音报警以及在两端显示、通讯单元显示机车故障应急处理的方法。同时，随车实时记录全部测试参数, 并可通过ic卡方式或无线通讯方式在机车回段后将数据记录转储到地面计算机处理系统，以进行进一步的分析和处理，形成机车运行状态数据库和专家知识库。地面计算机处理系统可以对机车所采集的全部参数进行统计分析，并对全部动态参数以曲线、表格等形式进行复现，以便于工程技术人员进行机车故障诊断，获取故障先兆信息和性能变化趋势，及时发现机车故障。23 微处理器的选取数据采集单元系统和显示、通讯单元都属于微机化测控系统。要成功的研制一台微机化测控系统，首先应选择合适的微处理器。微处理器是微机的核心部件。它的结构、特性对所研制的微机化测控系统的性能有很大影响。选定微处理器后，才能根据设计要求确定与其配套的外围芯片。231 ds80c320简介图2-3 ds80c320的引脚图ds80c320是美国dallas公司生产的与mcs-51系列完全兼容的单片微处理器产品，由于采用了重新设计的微处理器内核，除去了多余的时钟和存储周期，因此每一条指令的执行时间都比原8051cpu快1.5至3倍，在相同晶振周期和代码条件下，其运行速度平均提高2.5倍。 ds80c320的引脚如图2-3所示。它与80c32具有完全相同的封装，同时提供了80c32具有的所有功能，如i/o口、定时器/计数器、串行口等。除运行速度加快外，它还另外提供1个全双工串行接口，7个新的中断，可编程看门狗定时器、掉电中断和复位等；在此基础上， ds80c320还增加了2个用于改善外部ram数据存取的功能，即双数据指针和可编程片外ram存取周期扩展功能。232 ds80c320的特点1. ds80c320与80c32的兼容性 ds80c320与80c32完全兼容，并具有更高的性能，在大多数情况下，ds80c320可以直接放入已设计的80c32系统中，可提高原系统的性能，原为80c32系统编写的程序可直接在其上运行，差异只在于由于新的高速cpu内核而引起的时序关系的改变以及对存储器读写速率的要求。ds80c320除采用与51完全相同的指令集以及与80c32相同的封装外，还提供了相同的定时器，全双工串行口，256字节的数据缓冲区以及与80c32相同的i/o口。定时器的预分频系数可设置在1/12，也可编程到1/4。ds80c320新的功能是通过特殊功能寄存器来实现的，所用单元不与80c32冲突；存储器的存取方式也与80c32相同，但由于采用了高速的cpu内核，所以其时序关系有所不同，但基本相似。2. ds80c320的高速特性ds80c320可以工作在0mhz33mhz的频率范围内。因此，其高速性不仅来自高的工作频率，而且来自其重新设计的高效cpu内核。普通的80c32每个机器周期需12个晶振周期，而ds80c320每个机器周期只需4个晶振周期。因此，对于单机器周期指令来说，在相同工作频率下，其执行速度将提高3倍。在所有111条指令255个操作码中，有159个操作码速度提高3倍，51个提高了1.5倍，43个提高了2倍，2个提高了2.4倍，平均速度提高为2.5倍。当工作在33mhz主频时,其等效80c32的工作频率为82.5mhz。此外，ds80c320的双指针结构也将提高数据块传送的速率。ds80c320所有指令的功能与原80c32完全相同（包括对标志位、状态位的影响），但时序关系和执行时间却完全不相同。一方面，新cpu结构使每个机器周期所需的时钟数要比原80c32少；另一方面，部分指令所需的机器周期数也发生了变化。如“mov direct,direct”指令，80c32需要2个机器周期；而现在却需要3个机器周期。因此，当程序中有软件定时时，必须根据新的指令执行时间重新调整。但由于定时/计数器可工作在1/12预分频状态，因此cpu内部的硬件定时可不作修改。此外，ds80c320的每个机器周期只需4个时钟，而且每个机器周期只产生一个ale信号。3. 外部ram存取周期的扩展功能ds80c320允许应用程序改变外部数据存储器存取的速度，cpu能使movx指令在2个机器周期完成操作，也可以延长至9个时钟周期，以适应不同速度的存储器或外设的读写。外部存储器的存取周期由特殊功能寄存器8eh即时钟控制寄存器ckcon的md2，md1和md0位控制。4. 双数据指针ds80c320中的双数据指针可以加快外部ram中数据块的移动。ds80c320除具有普通80c32定位在sfr中82h和83h的dptr0外，还有另一个定位在84h和85h的数据指针dptr1。任一时刻只有一个dptr有效，而dptr的选择则是通过dps（86h）的d0（sel）位来控制。复位时sel=0，选择dptr0。inc指令是改变sel状态的最快指令。在数据块移动时，两个数据指针中一个用于存放源首地址，另一个用于存放目的首址。通过不断地触发sel，即可选取所需的数据指针，实现数据块的移动。下述64字节数据块移动的程序说明了使用双数据指针的方法。dpsequ #86hmovr5， #64;字节数送r5movdptr，#dhdl ;数据块目的地址送dptr0incdps ;选择dptr1movdptr，shsl ;数据块源首址送dptr1move： movxa，dptr;从源数据块中读入一字节至aincdps ;改变数据指针movdptr,a ;将a送目的数据块incdptr ;目的指针增1incdps ;改变数据指针incdptr ;源指针增1djnzr5, move ;判结束否？5. 新增的外设及中断功能ds80c320除具有80c32所有的外设外，还增加了第二个串行接口、掉电复位、掉电中断、看门狗定时器、预分频选择、改进的节电工作方式及定时存取保护等功能。1) 串行口1ds80c320除与80c32一样提供一个标准的串行口外，还提供第二个全双工串行接口，以满足与多个外设之间的通信，这一新的串行接口在引脚上与p1.2（rxd1）和p1.3(txd1)复用,并用在sfr中有独立的控制寄存器和数据缓冲器。串行口0与串行口1的差异是：在用定时器确定波特率时，串行口0可用定时器1和定时器2，而串行口1只能使用定时器1。串行口1的smod-1定位在wdcon.7。2) 定时器预分频率控制器由于ds80c320采用了4时钟机器周期结构，因此ds80c320中预分频分频系数被设计为1/4或1/12可选。为与原80c32系统相间容，复位后，预分频器的分频系数设置为1/12，这样并不影响原系统设置的参数 。如果用户需要更高速度的计数器或串行波特率，则可通过改变ckcon（8eh）中的相应位来实现。3) 掉电复位和中断ds80c320内部有一套完整的上电复位逻辑。当电源电压低于复位阀值电平vrst时，cpu将处于复位状态；而在vcc大于vrst后，振荡器开始起振，同时内部一计数器开始计数。当计满65536个脉冲后cpu才进入运行状态，以确保电源和振荡器已进入稳定态。上述过程只受vcc状态的影响，因此无须在cpu外部设置上电复位电路。除掉电复位功能外，ds80c320还提供了一掉电中断（pfi）功能，并且具有最高优先级。当该中断被允许时，若vcc下降到低于vpfw时，中断系统将产生一掉电中断，其入口地址为0033h。4) 看门狗定时器为防止程序跑飞，ds80c320还增加了一个看门狗定时器，软件必须在所设置的时间间隔内重新启动该定时器，否则它将使cpu复位。为了使用方便，该定时器还在产生复位的512个时钟周期前产生一中断。该中断既可用于一般的定时器，又可用于唤醒cpu的休眠状态。ds80c320看门狗定时器的控制和状态主要由sfr来实现。6. 中断系统ds80c320除具有80c32的6个中断源外，还提供了另外7个中断，并且具有3个中断优先级。具有中断如表2.1所示。表2. 1 80c320中断源中断源说明入口地址优先级pfi掉电中断33h1scon1串行口1中断3bh8int2外部中断243h9int3外部中断34bh10int4外部中断453h11int5外部中断55bh12wdt1看门狗中断63h13上述新增的中断中，掉电中断总是具有最高优先级，而其它中断可被编程为另外2个高或低中断优先级。在同一优先级里，新中断的优先级比原80c32中断优先级低。另外，串行接口1的中断允许（es1）和中断优先级（psi）定位在原中断允许和优先级寄存器中的ie.6 和ip.6上。7. 限时存取保护为了防止软件对某些重要标志的操作，ds80c320提供了一套强有力的限时存取保护功能，在对某些位进行修改时，必须先执行下列2条指令：mov#0c7h，#0aahmov#0c7h，#55h上2条指令执行完后的2个机器周期内，允许对下列被保护位的修改。被限时保护的标志位有：exif.0bgs band-gap 选择(用于节电方式)wdcon.6por 掉电复位标志wdcon.1ewt 使能看门狗wdcon.0rwt 复位看门狗wdcon.3wdif 看门狗中断标志233 ds80c320的应用在铁道机车上装备车载微机装置，是机车技术水平和运用水平不断提高的必然发展趋势。但由于铁道机车特定的工作和运用特点，对车载微机装置的可靠性提出了很高的要求。一般地面工作型微机是不能在机车上工作的；由于产品化后经济性的要求，plc、工控机也不能用于车载微机。常用的mcs-51系列工业单片机具有良好的外围电路适应性和众多的软件支持，但工作速度较慢、通讯口较少、已不能满足现代车载微机功能的要求。ds80c320虽属于mcs-51系列单片机，但它具有：内置看门狗，另有看门狗中断、掉电复位中断功能，大大提高了程序运行的可靠性，完全满足铁道行业对设备可靠性的要求；有两个全双工串口，简化了数据采集单元与两端显示、通讯单元的通讯电路，可使通讯可靠性大大提高；双数据指针可实现数据的成块转移，可简化本系统的大量数据存储、搬移程序的编制；显示存取功能可使有用数据得到可靠的保护；更快的处理速度提高了系统的实时性。因此，完全可满足本系统的要求，数据采集单元及显示系统皆采用ds80c320作为微处理器。24 相关理论研究人工智能技术特别是专家系统技术在诊断领域的应用，发展了基于知识的智能化诊断方法，这是诊断技术最重要的发展方向之一。综观各种基于知识的诊断系统，不同的领域、不同的对象所采用的诊断方法是不同的，但也存在许多共同之处，研究总结这些不同领域、不同对象、不同方法的共性与差异，不仅是开发智能诊断系统，也是研究和发展智能诊断技术的理论基础。诊断问题的基本概念是任何诊断技术研究的必要基础；智能诊断方法是智能诊断技术研究的基本问题；而建立基于知识的智能诊断系统，必然涉及到根本的诊断策略问题。诊断策略的研究内容可分为两个方面：知识策略和求解策略；知识策略主要研究诊断问题所用的知识及其表达、组织和获取等问题；求解策略主要研究诊断问题的求解方法和系统的控制机制。本节比较全面地阐述了诊断技术的基本理论与方法。主要讨论了诊断问题的概念体系、诊断的智能化问题、建立智能诊断系统的宏观策略（包括诊断的知识策略和问题求解策略，以及影响诊断策略的主要因素）；本节的内容是论文的基础理论。2.4.1 诊断问题的概念体系1. 诊断对象的分类诊断对象作为一个系统，可能是一个比较简单的系统，也可能是一个非常复杂的系统。由系统分解理论，可将诊断对象按其结构与功能特点分为三类：简单系统、复合系统和复杂系统。定义2.1 一个系统是简单系统，如果：（1）在结构上，系统直接由一个或多个基本的物理或电子等元器件组成，并且元器件之间的联系是确定的，可描述的；（2）在功能上，系统的输出与输入存在严格的定量或逻辑等函数关系，并且关系是可描述的，即由输入可精确的预见性输出。定义2.2 复合系统是由一些在结构与功能上相异的简单系统通过可描述的、严格的定量或逻辑关系组合起来，完成特定功能的多层次系统，由系统的输入可精确的预见系统的输出。复合系统与简单系统相比，存在两点根本的区别：一是复合系统是一个多层次系统，即由系统的分解观点，复合系统至少由系统级、部件级和元件级三个层次组成；二是在复合系统中，同一层次的不同子系统之间无论在结构上还是在功能上都存在一定的差异。与简单系统类似，复合系统中的任一层次，无论是在结构上还是在功能上都是可描述的，即：由系统的输入可精确预见系统的输出。定义2.3 一个系统是复杂系统，如果： （1）系统是一个多层次系统；（2）同一层次的不同子系统之间无论在结构上，还是在功能上都存在一定的差异；（3）同一层次的各子系统和不同层次的各子系统之间虽然可能相关，但在结构与功能上大都无严格的定量或逻辑关系，即：由系统的输入不能精确地预见系统的输出。根据上述定义，工程领域的大多数机电设备都属于复杂系统，复杂系统的特点决定了复杂系统的诊断方法与诊断策略不同于简单系统和复合系统。复杂系统的诊断是诊断问题研究的重点内容。2. 诊断问题的基本概念诊断问题的求解涉及许多基本概念，对这些概念的明确定义是研究诊断问题的基础。定义2.4 系统的输出是指系统的所有行为，即系统的所有表现形式。系统的输出取决于系统的固有特性和系统的输入。系统的固有特性取决于系统的所有元素和其间联系的特性。系统的输出反映了系统的内部状态，是系统内部状态的外部表现。输出与状态在概念上有着本质的区别。定义2.5 系统的功能是指在设计时要求系统实现的一些行为。功能是系统行为的一部分，是系统设计的根本目的，在进行设备的状态监测与故障诊断时，系统功能是不可缺少的、最主要的监测内容和诊断信息。定义2.6 系统的约束条件是指系统在运行时某些行为应满足的技术要求。系统的约束条件也是系统行为的一部分，是系统实现其功能时必须同时满足的要求。系统的约束条件是系统安全可靠运行的必要保证，也是主要的监测内容与诊断信息。定义2.7 系统的特征信号是指与系统状态密切相关的系统某一部分的输出。系统的特征信号也是系统行为的一部分，它包含了有关系统状态的丰富信息，是有效识别系统状态及相应元素和联系状态的基础。特征信号是系统监测的对象和最主要的诊断信息，选取特征信号时，在考虑经济性的同时，一般总是选择包含系统状态信息量最多、敏感性最高的系统输出作为特征信号。定义2.8 系统的征兆是指对特征信号加以处理而提取的、直接用于诊断的信息。特征信号本身有时也可直接作为征兆，征兆是在更高的抽象层次上反映了系统的状态，一个特征信号可能提取多个征兆，它们可以从不同的侧面或不同的角度反映了系统的有关状态。如何提取最有效的诊断征兆，也是故障诊断学的重要研究内容。定义2.9 某一系统或子系统的故障是指系统或子系统的结构处于不正常的状态（或劣化状态），即偏离了预期的状态，从而导致系统不能在规定的时间内和工作条件下完成预期的功能、或不能满足预期的约束条件。故障是系统状态的一种定义，诊断就是要识别系统的状态。故障与状态的概念密切联系，但并不完全相同，每一个故障都是对系统某一特定的、不正常状态的一种描述。如果系统在规定的时间和工作条件下，其功能和约束条件不能满足设计要求，则可判定系统发生了故障。根据系统构成的层次性，原级系统有故障，必定是由于原级系统的元素或联系处于故障状态；某级子系统有故障，必定是此级子系统的相应元素或联系有故障；而某级子系统元素处于故障状态，必定是与此元素相应的下一级子系统的元素或联系有故障。由此可知，如果一个子系统的元素或联系有故障，则所有包含这一子系统的上级子系统直至原级也一定有故障；上一级子系统的元素有故障，则此故障必定源于其下一级子系统相应元素或联系的故障。因此，系统的故障是有层次性的。定义2.10 某一系统或子系统发生异常是指该系统或子系统的输出偏离了预期的目标。异常与故障是两个不同的概念，故障是指系统或子系统的结构处于不正常状态，导致输出偏离预期目标；异常是一种现象，是指系统或子系统的输出偏离了预期目标，而不管其原因如何。因此，一个系统有故障，必然会引起系统输出异常；而系统的异常输出不一定总是由故障引起，还可能存在其它的原因。定义2.11 指定层次子系统产生异常的原因是指引起该子系统异常输出的因素，包括以下方面的内容：（1） 该子系统的元素发生故障；（2） 与该子系统相关的同一层、或下一层子系统发生故障；（3） 该子系统与其它相关子系统之间、或该子系统内部元素之间的关系失调，即其间联系发生故障；（4） 该子系统输入异常，即子系统的工作条件被破坏。根据系统的层次性和故障的层次性，下级系统或联系的故障是产生上级系统异常的直接原因，这可逐级深入到零部件级及其间的联系，找到系统异常的最终原因。任何一个异常状态的最终原因只可能是以下三种：（1） 零件的劣化，包括设计不合理、质量不合格、固有特性劣化等；（2） 元素之间联系失调；（3） 系统输入异常，或由于外界因素，工作条件不满足。诊断出系统异常的最终原因，是形成干预（维修、预防）的基础，一般来说，应尽可能诊断出系统异常的最深层原因，除非指定了要诊断到的层次。此外，诊断的目的通常不仅要求诊断出有故障的元素和联系，还要求能够诊断出工作条件被破坏的情况。3. 故障的特性1）故障的产生与传播机理系统故障的产生是由多种因素造成的。系统在工作过程中，其零部件由于磨损、疲劳、老化等因素会引起结构上的劣化或失效，即引起其固有特性的改变，从而使系统的输出产生异常；子系统或零部件之间的联系也会由于参数变化、安装不当、相互位置改变等因素引起劣化或失效，从而导致系统偏离正常的状态；系统的异常输入有时也会使有关的元素和联系的状态发生变化，这些变化如果超出了一定的范围，将引起包含这些元素或联系的系统的状态的改变，进而产生异常输出。与此同时，这些异常输出会引起更上一层系统的状态发生变化，这种影响逐级传播，直到原级系统，使整个系统的状态发生变化，产生异常输出。因此，故障的传播过程实质上是异常输出的传播过程，这种传播是一个由低层到高层逐级传播的过程。认识故障的传播机理是实现故障诊断的基础，同时故障的传播机理还表明，故障具有时延性，故障的产生到发展是一个渐进的过程，特别对于各种由于摩擦、磨损造成的故障，这一特性更为明显。故障的延时性使故障的早期预测与诊断成为可能。2）故障的分类故障的分类有不同的方式，从不同的角度可以得到不同的故障分类。从故障的表象看，可以按故障发生的速度、故障存在的时间、系统功能的丧失程度、故障的危害性等对故障进行分类；从故障的本质看，可以按故障发生的原因分类。按故障发生的原因，故障有以下两种分类：（1）按故障产生的因果关系分，有原发性故障和引发性故障。原发性故障是系统异常的最根本原因；引发性故障有原发性故障引起，在一定的条件下，引发性故障也可能成为新的原发性故障。（2）按故障产生的性质分，有结构性故障和参数性故障。结构性故障是由于系统元素或联系的劣化，导致系统固有特性的改变，结构性故障除非更换、修复或调整零部件，否则是不可恢复的；参数性故障可以通过调整系统工作参数消除或避免，因为参数性故障的发生并没有改变系统的固有特性。3）故障的特性一个复杂系统的故障主要具有以下性质：（1）层次性。层次性由系统结构的层次性决定，是系统故障的基本特性，反映了故障传播的纵向性。任何故障都与系统的某一层次相联系，高层次的故障可以由低层次的故障引起，而低层次的故障必定引起高层次的故障。故障的层次分解可以为复杂系统的诊断提供一个有效的策略和模型。（2）相关性。相关性由系统各元素间的联系决定，反映了系统故障传播的横向性。当一个元素或联系发生故障后，势必导致与其相关的元素或联系的状态发生变化，进而导致这些元素和联系的输出发生变化，一旦这些变化引起相关元素或联系自身故障，就带来了系统同一层次中多故障并存的现实。任何一个原发性故障都存在多条潜在的故障传播途径，多故障并存是复杂系统故障的重要特征，而多故障诊断是复杂系统诊断问题中的一个关键问题。（3）延时性。故障的发生、发展与形成是一个由量变到质变的过程，即故障具有时间性。故障的延时性提供了故障早期诊断和预测的可能。（4）不确定性。不确定性是复杂系统故障的一个重要特性，故障的不确定性给诊断工作带来很大困难，是诊断理论与方法的重要研究内容。引起故障不确定性的主要因素有：a）系统的元素特性和联系特性的不确定性。复杂系统中，对相同的系统，或同一系统在不同时间、不同工作环境下，各层次元素和联系的特性是不可能完全确定的，从而导致元素、联系直至系统的状态和行为也不可能完全确定，因而故障也是不确定的，这是故障不确定性的本质所在。b）故障检测与分析装置的不确定性。检测与分析装置一般也属于复杂系统，因而其特性也具有不确定的一面。c）对系统、元素和联系的状态的描述方法的不确定性。这种不确定性与人们对系统的认识水平及现有的技术手段有关。2.4.2 智能化诊断的定义1. 诊断的基本内容与过程故障诊断的基本内容与过程可用图2-4说明。诊断主要包括以下内容与步骤：（1）检测系统状态的特征信号。特征信号一般有两种表现形式，一种是能量的形式，如振动、噪声、温度、电压、电流等；另一种是物态形式，如系统排出的烟雾、油液等，以及可直接观测到的锈蚀、裂纹等。能量形式的特征信号一般要用传感器测量，部分也可通过人的感官感觉，物态形似的特征信号一般采用特定的装置收集或直接观测。指导诊断信息的进一步获取能量形式特征信号设 备 的 状 态状 态 识 别 装 置状态干预决策状态状态趋势状态趋势分析装置决策形成装置直接的物理状态征取兆装提置物态形式的特征信号特征信号设备档案参考模式工作环境传感装置人的感官图2-4 诊断的过程（2）从特征信号中提取征兆。能量形式的特征信号可在时域、频域、幅值域或相位域中提取征兆；物态形式的特征信号可以通过物理或化学方法得到诸如光谱、铁谱、粘度、成分等征兆；直接观测到的信息可直接作为征兆使用。（3）根据提取的征兆和其它诊断信息，识别系统的状态。系统状态识别是整个诊断过程的核心，一般来说，这一步是将实际已存在的参考模式（标准模式）与由征兆按不同方式组成的相应的待检模式进行对比，以决定待检模式应划归哪一类参考模式，即实现当前状态的模式识别。在人工智能技术引入诊断领域之前，系统状态的模式识别一般由领域专家完成，人工智能技术特别是专家系统技术在诊断领域的应用，发展了智能化的，或者说基于知识的诊断推理技术。模拟领域专家来完成状态识别任务，是智能诊断技术与一般诊断技术之间最主要的差别。（4）分析状态趋势及形成干预决策。故障的时延性为故障的早期诊断与预测提供了可能；根据征兆与状态进行推理，识别状态的发展趋势，并形成正确的干预决策（如进行深层诊断、调整、控制、维修、治理等）也是诊断任务的重要内容。2. 智能化诊断的定义故障诊断技术发展至今经历了三个阶段：第一阶段主要采用人工诊断方式，诊断结果在很大程度上取决于领域专家的感官和专业经验，对诊断信息只作简单的数据处理；第二阶段是以传感器技术和动态测试技术为手段，以信号处理和建模处理为基础的现代诊断技术，这一诊断技术在工程中已得到了广泛的应用；近年来，为了满足复杂系统的诊断要求，随着计算机和人工智能的发展，诊断技术进入了以知识处理为核心，信号处理、建模处理与知识处理相融合的第三发展阶段智能诊断技术阶段。智能诊断的核心是知识处理，这里的知识不仅仅指一些通用的知识，如数学、物理学、逻辑学等知识，更重要的是指与求解问题密切相关的领域知识。领域知识是专家在长期的领域实践中，知识与经验的概括与总结，它来源于专家的实践，又指导着专家的实践。诊断的智能化就是让诊断系统来模拟人类专家的诊断思维，利用专家的知识与经验实现故障模式的识别。从信息的角度看，专家的知识与经验充分体现在专家获取、处理、再生和利用信息的能力上，因此，一个智能诊断系统的智能水平就反映在它对人类专家这种能力的模拟上。定义2.12 诊断系统的智能是指系统有效地获取、传递、处理、再生和利用诊断信息，从而对给定环境下的诊断对象进行成功状态识别和状态预测的能力。诊断系统的智能来源于人类的知识，它是对人类思维的一种模拟，本质上说，它不可能超越人类的智能。要使诊断系统的智能不断完善与发展，在研究智能诊断系统时就不应摆脱人对诊断过程的参与，人是智能诊断系统的重要组成部分。定义2.13 智能诊断系统是由人（尤其是领域专家）、当代模拟脑功能的硬件及其必要的外部设备、物理器件，以及支持这些硬件的软件所组成的系统，该系统以对诊断对象进行状态识别与状态预测为目的。根据上述定义，智能诊断系统具有以下特点：（1）它是一个开放型系统，其智能水平处在一个动态变化之中，系统具有自我提高的潜能；（2）它是由计算机硬件和软件组成的系统，但又不同于一般的计算机程序，不具有确定的算法和程序途径，它能根据诊断过程的需要，搜索和利用领域专家的知识和经验达到诊断的目的；（3）它既是一个人工智能系统，离不开模拟人脑功能的硬件和软件，同时不排除人在诊断过程的重要作用，并且强调了它将不断地吸收先进的计算机技术的发展性。3. 智能化诊断方法智能化诊断技术是人工智能技术在诊断领域应用的产物，它随人工智能技术，特别是专家系统、知识工程和人工神经网络技术的发展而不断发展。按知识处理方式的不同，智能诊断方法可分为两大类：（1）基于符号推理的智能诊断方法。在传统的基于符号推理的知识处理系统中，知识是按一定的规则用特定的描述符表示、存储和处理的。知识的获取过程就是获取领域专家的知识和经验，并进行形式化描述、建立相应知识库的过程；知识的利用就是根据知识库中的知识，按一定的推理机制和控制策略进行逻辑推理。基于符号推理的智能诊断方法的研究虽然取得了很大成功，但是，同传统的专家系统一样，在应用中它还存在着知识获取困难、知识存储容量与系统运行速度矛盾、以及知识的窄台阶效应等问题。（2）基于联结主义的智能诊断方法。在基于联接主义，也即基于人工神经网络的知识处理系统中，知识是通过神经网络的权系数来表示和存储的。知识的获取过程就是按一定的学习规则确定网络权系数的过程；基于神经网络的推理就是根据给定输入计算网络输出的数值计算。基于联接主义机制的智能诊断系统可实现信息的分布式存储和联想记忆，并具有自适应、自学习和信息的并行处理能力，因此在一定程度上克服了基于符号推理系统的不足。符号系统和联接主义的数值系统的知识处理方式，是从两个不同的方面对人类智能的模拟，符号系统模拟了人类复杂的逻辑思维，而联接主义的数值系统模拟了人类抽象的形象思维，这是人类智能中不可或缺、不能互相替代的两个成份。因此，研究符号推理与非符号推理相结合，既具有形象思维又具有逻辑推理能力的集成智能系统，不仅是人工智能研究，也是智能化诊断技术研究的一个必然方向。2.4.3 诊断的策略要建立一个基于知识的智能诊断系统，核心问题是建立一个合适的诊断模型。诊断模型的建立涉及到许多方面的问题，其中最重要的问题包括：领域知识的选择，领域知识的组织与表达，推理方法与控制策略，诊断问题中不确定性的处理，以及影响上述问题的主要因素。诊断策略就是从宏观上对这些问题的研究，诊断策略的具体实现就是诊断模型。可以说，诊断策略是智能诊断系统研究的基础。1. 诊断问题的知识策略知识策略是诊断策略的核心与关键，对于诊断问题，知识策略包括以下几方面的内容：（1）求解一个诊断问题，要用到哪些领域知识和何种深度的领域知识。这是知识策略的核心，对诊断策略的其它方面有着极为重要的影响；（2）知识的组织、表达与协调。知识的组织与表达直接影响诊断问题的求解策略，是知识策略最重要的内容之一；（3） 知识的获取与自学习。1）诊断问题的领域知识就诊断领域而言，从认识论的角度看，领域知识是人类专家对诊断对象的一种认识，领域知识的深浅与这种认识水平有关，认识水平从肤浅到深入就反映为不同层次的领域知识；从知识利用的角度看，领域知识反映了对诊断对象的一种描述深度。第一定律知识定理、定律经验知识因果知识因果网络经验总结经验描述功能描述行为描述结构描述联接关系定性模型功能模型浅断言特征空间 图2-5 领域知识的描述深度划分 图2-6 领域知识的认识深度划分（1）从描述水平对领域知识的划分从对系统的描述水平划分，领域知识可分为四个不同的层次，如图2-5，这四种描述水平分别对应着四种深度的领域知识，即：结构知识，行为知识，功能知识和经验知识；其中最深层的描述是结构描述，最浅层的描述是经验描述或特征空间描述。结构描述是对系统组成元素和联系的描述，结构描述也有两种深度：反映系统静态关系的静态结构描述和反映系统动态关系的动态结构描述。行为描述是从系统行为的角度对系统的描述，反映了系统的工作过程或动态过程。功能描述是对系统行为的一种抽象描述，它不涉及系统行为的细节，而是从系统实现的功能角度对系统进行描述。经验描述建立在对系统抽象认识的基础上，是凭经验得到的关于系统的知识。对这四种不同深度的描述，深层描述可以通过浅层描述的不断深入、不断积累和不断完善得到，而浅层描述可以通过深层描述导出。（2）从认识水平对领域知识的划分从对系统的认识水平划分，可将领域知识分为三个不同层次，如图2-6所示：第一定律知识，因果知识和经验知识。其中定律知识是对系统最深层的认识，经验知识是对系统浅层的认识。经验知识是人们在实践中凭经验得到的、没有明显理论依据的知识。经验知识只是一个相对的概念，经验知识一旦上升到