（制冷及低温工程专业论文）基于web的冰箱故障诊断信息服务系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文以冰箱故障诊断理论为基础，利用w e b 技术，使用i d e f 建模分析方法，借 助v i s u a lb a s i c 、s q ls e r v e r 和a s p 等开发工具，以信息系统服务的视角研究、探讨 了基于w e b 的冰箱故障诊断信息服务( 简称w r d i s ) 系统模型的构建及系统的开发。 论文概括性地介绍了课题的情况，包括课题的提出、目的和意义。综述了冰箱故 障诊断技术的发展状况及系统的开发进程。阐述了构建w r d i s 系统的理论基础，包 括故障诊断理论、w r d i s 系统定义、w r d i s 诊断模式，以及冰箱常见故障诊断流程 等。由浅入深地讲述了远程故障诊断模式、i n t e m e t 计算技术、w e b 服务器技术等构 建w r d i s 系统的关键技术。 w r d i s 系统采用了b w s 三层分布式应用模式作为信息服务系统的软件架构。 它保证了系统的先进性、开放性、可扩充性及适应性。为保证系统开发成功，笔者使 用i d e f 建模分析方法和数据流程分析方法分析了w r d i s 系统的任务流，构建了系 统的功能模型和数据模型。 w r d i s 系统以w e b 技术为桥梁，跨越企业和研究机构在时间和空间上的距离， 充分发挥了双方各自在服务网络、人员、技术、理论等方面的优势为冰箱用户提供及 时的服务。w r d i s 系统实现了系统管理和使用功能相分离，为企业提供了一种新型 的产品服务模式。w r d i s 系统为信息系统在以冰箱为代表的小型制冷装置上的应用 奠定了基础。 总之，笔者希望通过对构建w r d i s 系统的理论、技术的研究，为构建制冷装置 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo f r e f i i g e r a t o r sf a u l td i a g n o s i s ，u t i l i z e dw e bt e c h n i q u ea n dt h e i n t e g r a t i o nd e f i n i t i o nm e t h o d ( 1 d e f ) ，s u p p o r t e db y v i s u a lb a s i c ，s q ls e r v e ra n d a s p , t h e i n f o r m a t i o ns e r v e rs y s t e mo fr e f r i g e r a t o r sf a u l td i a g n o s i sb a s e do nw e b ( w p d i s ) h a s b e e nr e s e a r c h e d f r o m t h e p o i n t o f v i e wo f s e r v e r t h et h e s i si n s t a n c ei si n t r o d u c e d g e n e r a l l y , i n c l u d i n g i t s b a c k g r o u n d ，i t sa i m ，i t s i m p o r t a n c ea n d i t s p r o s p e c t t h e y a r es u m m a r i z e di n 蜥e ft h a tt h e d e v e l o p m e n to f r e f r i g e r a t o r sf a u l td i a g n o s i sa n dt h es t u d yp r o c e s so fs y s t e m i ti si n t r o d u c e dt h a tt h e a c a d e m i cb a s i so ft h ew r d i s ，i n c l u d i n gt h em o d e lo ff a u l td i a g n o s i s ，d e f i n i t i o no ft h e w r d i s t h ed i a g n o s i sm o d eo ft h ew i t d i sa n dt h ec o m m o nd i a g n o s i sp r o c e s so f r e f r i g e r a t o r t h ep i v o t a lt e c h n o l o g i e s o ft h ew r d i sa r et h er e m o t ef a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o g i e s i n t e r a c tc o m p u t et e c h n o l o g i e s a n dw 曲s e r v e r t e c h n o l o g ya n ds o0 1 1 t h er e s e a r c hw o r ks h o w st h e a d v a n t a g e o fd i s t r i b u t e d t h l e e - l a y e r sa p p l i c a t i o n m o d e - b ，c ( b r o w s e r c l i e n t s e r v e r ) m o d e l i t i ss u i t a b l ef o r t h e d i a g n o s i ss y s t e m s s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e i ta s s u r e ss y s t e m sa d v a n c e m e n t , e x t e n d i n g ，o p e n i n ga b i l i t y , a n d a d a p t a b i l i t y a c c o r d i n gt od i a g n o s i ss y s t e m sr e q u i r e m e n to fd a t a , a u t h o rd e s i g n e dt h e d i a g n o s i ss y s t e m sd a t a b a s es t r u c t u r e ，t a b l e s ，i n d e x e s ，a n dr e l a t i o n sb e t w e e n t a b l e s i no r d e r t oe n s u r et h es u c c e s so fs y s t e m a u t h o ru s e dd a t af l o wd i a g r a ma n di d e ft oa n a l y s i st h e f l o wd i r e c t i o no f d a t aa n dt a s ka n dd e s i g nt h ed a t am o d u l e sa n dt h ef u n c t i o nm o d u l e s w e bi sab r i d g eb e t w e e nc o r p o r a t i o n sa n de x p e r t si nt h ew r d i s ，b yt h eb r i d g et h e y c a ne x c h a n g et h ek n o w l e d g ee a c ho t h e ra tt h es a r f l et i m e a l t h o u g ht h e ya r ed i f f c r e mp l a c e t h ew r d i se x e r t st h ea d v a n t a g eo f c o r p o r a t i o n sa n de x p e r t si ns e r v e r , p e r s o n 。t e c h n o l o g y , t h e o r ya n ds oo i l n l es y s t e mr e a l i z e ss e p a r a t i o no fs y s t e mm a n a g ea n du s ei t i san e w f a s h i o no fs e r v e rt oc o r p o r a t i o n n es y s t e mi saf o u n d a t i o ns t o l l ci nt h e f o l l o w i n g d e v e l o p i n go f i n f o r m a t i o ns y s t e m ，a p p l i e d f o rr e f r i g e r a t i o ns e t i naw o r d ，b a s e do nt h ea c h i e v e m e n t o f p r e v i o u sr e s e a r c h ，a u t h o rd e s i g n e dt h e 、哏d i s 1 1 1 ep r a c t i c a lo p e r a t i o na n dt e s to ft h i ss y s t e mi nt h ei n t e r n e ts h o w st h a ti th a dr e a c h e do u r p r o s p e c t i v ep e r f o r m a n c e a n dt e c h n i c a lt a r g e t k e vw o r d s ：w e br e f r i g e r a t o r sf a u l td i a g n o s i s i n f o r m a t i o ns e r v e rs y s t e mb r o w s e r w e b s e r v e rm o d e l i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 0 本章提要 信息化是企业发展的趋势，是社会生产力发展到一定历史阶段的必然产物。本文 以冰箱为例，研究了制冷企业在信息化过程中，如何充分利用企业的信息系统，为企 业产品提供服务。 本章首先简要介绍了课题的提出、目的及意义，分析了当前故障诊断技术的特点 及发展情况，然后专门讨论了冰箱的故障诊断技术的特点、方法及发展状况，随后介 绍了基于i n t e r n e t 的远程故障诊断技术的发展概况。最后通过系统设计的工作进程 图，简要介绍了作者所做的工作。 1 1 课题概述 1 1 1 课题的提出“_ 钌 保证设备、系统的正常、安全、可靠、高效运行一直是科学技术界和企业界努力 的目标之一，而设备的状态监测与监控和故障诊断技术正是实现这一目标的重要手 段。因此，深入研究故障诊断技术具有极其重要的经济价值和社会价值。 近十多年来，在故障诊断技术领域，国内外专家、学者进行了大量的理论方法及 应用技术的研究，取得了长足的进步。在国内，一些高等院校和科研院所通过与大中 型企业进行联合攻关，逐渐将故障诊断技术应用于生产实际，并取得了许多成果。但 是，仍然存在着大量的理论和应用问题有待于解决。 虽然不同的企业研制的诊断系统基本上都是以智能诊断算法为基础，且各系统的 算法不尽相同，大相径庭。然，当前系统的关键不在于算法的优劣，而在于这些智能 系统知识的缺乏。而且，有些知识是难以表述的。基于人们对知识属性的研究，可将 知识分为四类： 一是“是什么的知识( k n o w w h a t ) ”， 二是“为什么的知识( k n o w w h y ) ”， 华中科技大学硕士学位论文 三是“怎样做的知识( k n o wh o w ) ”， 四是“谁知道的知识( k n o w w h o ) ”。 前两类称之为可编撰的知识( c o d i f i e dk n o w l e d g e ) ，后两类称之为难以表述的知 识( t a c i tk n o w l e d g e ) 。人们认为所有可编撰的知识都是可以用编码技术作为软件 ( s o f t w a r e ) ，而难以表述的知识则作为湿件( w e t w a r e ) 存在于人们的大脑中。 我们认为，人类知识的发展和积累的过程就是不断地把人们头脑中的难以表述的 知识转变为可编撰的知识。随着未来信息技术的发展，会有可能把绝大部分的可编撰 的知识由计算机来完成，而人类自身则主要“生产”难以表述的知识，以及实现后者 向前者的转换。也正因为如此，人们认为难以表述的知识一般必须以一对一的方式， 甚至是手把手地帮教来传授。这就是智能化的困难之所在。 以冰箱为例，冰箱的故障诊断技术对于专业知识、诊断经验以及维修的及时性、 准确性要求较高。这就使得如何充分、有效地获取、利用专家知识，如何把专家知识 转化为可编撰的知识，如何有效地传递知识，以及如何迅速地找到故障原因等成为冰 箱的故障诊断系统设计的关键。 而且，在冰箱运行的整个寿命周期内，故障次数较少且不完备，难以从单台冰箱 上学习到许多知识，这样单机配置故障诊断系统的诊断能力必然较低；而且，单机配 置既不利于维护、升级，且成本又太高。这样，对企业来讲，似乎失去了配置故障诊 断系统的主要意义。因此，作者利用w e b 技术，将信息服务技术和冰箱的故障诊断技 术相结合，构建基于w e b 的冰箱故障诊断信息服务( w r d i s ) 系统，以将分散的冰箱故 障范例集中到w e b 数据库中，以有利于系统学习，提高故障诊断系统性价比。 在我国，诊断领域专家多在高校和科研院所，企业中的技术人员的力量相对薄弱。 同时，由于地域、行业及企业之间的相互限制，企业与院校之间联系不紧密，使得实 际技术力量显得不足，而同时又有相当大的潜力没有利用。当企业需要领域专家时， 由于地域限制，诊断领域专家常难以及时到达，错过了最佳诊断时机。此外，还存在 着许多重复研究、开发的现象，浪费了非常有限的人力、物力资源。企业和院所沟通 不够还造成理论研究与实际应用需求相脱节的现象。这些问题从整体上来讲，都阻碍 了故障诊断技术在制冷装置上的进一步应用和发展。 华中科技大学硕士学位论文 长期以来，我们沿袭的冰箱等制冷装置的产品设计模式只面向冰箱生命周期的主 要阶段、即从原材料的获得到产品报废，体现的是一个产品的生产一流通消费一废 弃的开式循环过程。这种设计方法所设计的产品环境友好性差，资源、能源利用率不 高，回收、再利用率低，已不能适应全球可持续产品开发的耍求。 而且，随着时代的不断进步，技术更新换代的时间越来越短，越来越快。新的技 术、新的工艺、新的理论、新的方法甚至新的理念等不断涌现，推动着传统行业技术 的变革，制冷领域也不例外。例如微电脑、变频器、电子膨胀阀三大技术的导入，使 冰箱、房间空调器的控制技术由启停控制时代发展到了电子控制时代。还有，人工神 经网络和模糊技术等现代控制理论是目前在制冷系统中应用得比较成功的控制技术。 这些都说明了只有不断地将新技术引入到制冷领域中来，才能促进制冷技术向前发 展。 因此，笔者选择了“基于w e b 的冰箱故障诊断信息服务系统( 以后简称w r d i s 系统) ( t h ei n f o r m a t i o ns e r v i c es y s t e mo f r e f r i g e r a t o r sf a u l td i a g n o s i s b a s e do n w e b ) ”作 为研究方向。以冰箱为例，在现有冰箱的故障诊断技术的基础上，用i d e f 叫建模思想 进行功能、数据的分析，借助v i s u a lb a s i c 、s q ls e r v e r 、a s p 等软件开发工具，充分 发挥计算机网络的地域分布性、信息获取及时性的优点，实践冰箱故障诊断的理论、 技术，为冰箱的故障诊断提供信息服务。这样，既可以提高冰箱故障诊断技术的诊断 智能和性价比，又能完善、提高企业的培训和售后服务体系，实现专家知识的继承、 传递和共享，还能为广大的专业人员提供一种交流的方式。同时，为了适应产品可持 续发展的要求，在w r d i s 系统设计过程中，面向冰箱设计的全生命周期，引入了产 品的“绿色制造”吐理念，充分考虑了冰箱的t q c s e ( t i m e ，q u a l i t y , c o s t ，s e r v i c e ， e n v i r o n m e n t ) 属性，注重冰箱的e ( e n v i m n m e n t ) 属性。 ”i d e f 方法是美国空军于1 9 8 1 年在结构化方法的基础上提出的一种集成化的计算机辅助制造业 定义i c a m 方法( i n t e g r a t e dc o m p u t e dm a n u f a c t u r i n g d e f i n i t i o nm e t h o d ) 。它包括i d e f o 、i d e f i x 、 i d e f 3 、i d e f 4 等系列方法。i d e f o 方法是用结构化方法建立的图形模型，它采用简单的图形符 号和自然语言的形式自顶向下、逐层分解的方式建立系统功能模型。 n 绿色制造是综合考虑环境因素和资源利用效率的现代制造模式。在原来的生产模式中增加一个 “回收”环节，构成一个闭式循环，称之为产品的“全生命周期”。面向产品“全生命周期”的设 计过程就是“绿色设计”。绿色设计过程中要考虑产品从原材料的获得到废弃后的回收、重用、 再造等处理的全过程。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 课题的目的及意义4 ” 专家系统、神经网络技术在制冷装置上的应用，极大地推动了制冷设备故障诊断 技术的发展。现在，“绿色制造”理念的发展，w e b 技术的完善和普及、企业信息化 平台的建设，给制冷装置的故障诊断技术带来了新的发展思路。 如何利用网络技术，为制冷设备的故障诊断系统提供支持和服务? 如何将i n t e m e t 计算应用技术同传统的故障诊断技术相结合? 如何解决制冷装置故障诊断单机配置 时故障特征集的完善问题? 如何应对工质替换过程中制冷设备状态监控的问题? 如 何在设计过程中体现冰箱设计的全生命周期的概念? 如何对制冷设备的运行寿命进 行评估。 正是基于以上问题的思考，论文作者借助冰箱设计的全生命周期理念，采用i d e f 建模方法进行w r d i s 系统功能分析、数据分析，以w e b 技术为平台构造一个全新的 冰箱故障诊断系统信息服务系统，即基于w e b 的冰箱故障诊断信息服务系统。本系统 希望达到以下目的： 】、为冰箱故障诊断系统提供信息服务。充分利用w e b 技术所具有的结构开放 性、简捷的信息交互和信息共享等固有特性，由分布在异地的诊断系统及专 家组成一个诊断网络，实现诊断资源共享，最大限度地提高系统的诊断智能 和安全运行。 2 、实现w e b 技术同冰箱故障诊断技术的融合。目前，冰箱的监测系统及诊断系 统都是基于现场的或基于局域网的分布式系统。在当今企业生产、服务全球 化的趋势下，这种系统显得保守和欠开放。而w 曲技术的开放性特点使得我 们可以突破监测及故障诊断原来的概念框架，恰当地把w e b 技术与冰箱的监 测与故障诊断技术融合起来。 3 、完善企业的培训和售后服务体系，提高企业的反应速度，降低企业的成本。 充分利用w e b 技术的分布特性，利用现有的网络技术，监控冰箱的运行情况。 当冰箱出现故障时，能及时提供诊断与维护服务，既节约了人力、财力，又 减少了用户损失。在对企业员工进行培训方面，能将有关冰箱的最新技术知 识传递给各地的企业员工，缩短知识更新的时间差。 4 华中科技大学硕士学位论文 4 、为企业和专业人员提供一种交流方式。企业的优势在于硬件实验设备先 进，与市场联系紧密：专业人员的优势在于软件理论扎实。二者的相互 沟通交流，可实现优势互补，有利于实现以技术为基础，市场为导向的产品 开发模式。将技术研究同市场紧密结合起来，开发出性价比较高的产品。 5 、实现冰箱运行数据的获取和分析，完善冰箱故障诊断技术单机配置的故障特 征集；可长时间的追踪冰箱的运行情况，处理、分析运行数据，便于企业掌 握装置的质量、寿命，以其实现产品“全生命周期环保”这一理念。 制冷装置故障诊断技术一直是专业人员和用户关注的热点之一，很多专家、学者 在这方面已经做了一些工作。基于专家系统的故障诊断技术和基于神经网络的故障诊 断系统技术已经相对成熟。本系统就是在这些研究的基础上，针对研究中出现的问题 ( 见第2 页、第3 页) 进行研究的，为故障诊断技术在制冷装置上的应用提供信息服 务。本系统开发的意义在于： 1 、高性价比。通过本系统，企业能获取冰箱的长期运行信息，能及时知道冰 箱的故障情况，以提供及时的售后服务，并通过对运行信息进行的统计分析、 质量分析，把握产品部件的寿命情况，改进企业产品的生产过程、设计工艺， 并依据产品的全生命周期理念，调节企业的技术发展方向，以增强企业的竞 争力； 2 、信息传递及时。充分利用网络快速，便捷的特性，借助于网络将产品的最新 信息传递给各地的子公司，最大限度的提高企业的效率： 3 、便于企业把握行业技术的发展状况和新技术的发展趋势。借助于网络获得本 行业的发展信息，及时调整企业的技术发展策略。 4 、有利于冰箱智能化的发展。智能化是制冷设备发展的趋势之一，本系统的知 识继承、积累和传递模式，为智能化的发展奠定了一定基础。 1 2 故障诊断技术及其研究状况“- “4 “7 1 1 2 1 故障诊断技术的定义及发展 华中科技大学硕士学位论文 科学技术与生产的高速发展，各学科之间相互渗透、相互交叉、相互促进，形成 了设备故障诊断技术这一生命力旺盛的新兴学科。它是了解和掌握设备在使用过程中 的状态，确定其整体或局部是正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发 展趋势的一种技术”。 由于理解上的差异以及各学科的特点的不同，人们对故障的定义有很多种。按我 国电子工业部部标( s j 2 1 6 6 8 2 ) 的规定。在一般情况下，故障是指： 1 、设备( 系统) 在规定条件下，不能完成其规定的功能； 2 、设备( 系统) 在规定条件下。一个或几个性能参数不能保持在规定的上、下限 值之间： 3 、设备( 系统) 在规定的应力范围内工作时，导致设备( 系统) 不能完成其功能的 机械零件器件的破裂、断裂、卡死等损坏状态。 故障诊断就是鉴别设备的功能是否实现，设备的技术状态是否正常，部件运转是 否正常，确定故障的性质，发现故障的部位，寻找故障起因，提出排除故障的相应措 施。现代工业及科学技术的迅速发展，往往导致生产设备、家电设备等向高速化、自 动化和智能化的方向发展，使得设备更加复杂，各部分的关联耦合愈加密切。一处微 小的故障就可能产生链锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环境遭受灾难性的毁 坏。这不仅会造成巨大的经济损失，甚至危及人的生命，后果极为严重。故障诊断技 术日益获得重视与发展的原因就在于它的实用性以及为社会和企业带来的巨大效益。 采用故障诊断技术创造的效益是惊人的。英国曾对2 0 0 0 家工厂调查，结果表明 采用诊断技术后，每年设备维修费可节约3 亿英镑。日本有资料指出，采用诊断技术 后，每年设备维修费减少2 0 一5 0 ，故障停机减少7 5 ”1 。 我国的某大型钢厂，每年设备维修费达2 亿元以上，甚至3 亿元。某港口有5 台 1 5 吨带斗机，原规定每台每年小修停机4 5 天，实行状态监测与维护后5 台每年共停 机4 5 天，多获产值1 6 0 万元。据有关部门统计，我国每年用于设备维修的费用仅冶 金部就达2 5 0 亿元，如果将故障诊断技术推广，每年可减少事故5 0 一7 0 ，节约维 修费用l o 一3 0 ，效益相当可观【1 ，2 ，4 1 。 我国在监测与诊断技术方面起步较晚，但由于国家政府部门重视，发展较快。“八 6 华中科技大学硕士学位论文 五”期间，国家组织了若干个故障诊断技术方面的攻关课题，分别在石化、电力等部 门进行了应用和推广。这使得我国在监测与诊断技术的理论研究上，已接近世界先进 水平。遗憾的是，在应用技术方面，差距还较大。而且，仅在石化及电力行业与研究 所、高等院校有些合作，对现有少数大型设备安装的检测诊断系统，其水平较之国外 同类产品仍有一定差距。我国国民经济的日益发展，使得与人们生活密切相关的中小 型产品的故障诊断技术也受到人们的普遍关注。因此，有必要扩大诊断技术的研究范 围，以及使监测与诊断技术研究上升到一个新的水平。 1 2 2 故障诊断研究的主要内容 减少故障的途径一方面是在产品质量上下功夫；另一方面就要从预防上着手。通 过监测产品的运行状态，预测发展趋势，尽可能把故障消灭在萌芽状态。自动测试技 术和计算机技术的发展，使设备工作状态的动态识别成为可能。人们已经将研究设计、 测试分析、监测诊断作为产品研制的三个组成部分，将对产品的故障诊断因素的考虑 有步骤、分阶段地贯穿于这三个组成部分中，使产品发生故障的几率下降到最低。 设备的异常或故障是在设备运行中通过其状态信号变化反映出来的，因此设备的 故障诊断必然以状态信号为依据。故障诊断过程分为状态监测、特征提取、诊断故障、 规划决策等四个阶段： 1 、状态监测测取与设备运行有关的状态信号。状态信号是故障信息的载体， 也是诊断的依据。状态信号的获取主要依靠传感器或其它检测手段获得。 2 、特征提取从状态信号中提取与设备故障有关的特征信息。当特征信号为静 态信号时，特征信号即是征兆。对征兆的取值进行检验，看其是否在允许范 围，然后做出决策。当特征信号为动态信号时，首先，要根据情况选择既能 反映系统功能指标，又便于测取的特征信号；其次，通过对特征信号的分析， 提取便于决策的征兆：最后，根据征兆、标准模式和判别准则，识别系统状 态。 3 、诊断故障据所提取的特征判别状态有无异常，根据这些信息和其它补充测 试的辅助信息寻找故障源。对于不同的要求，故障源可以是零件、部件或子 华中科技大学硕士学位论文 系统。根据这些信息和故障对系统的性能指标影响程度做出估计，综合给出 故障等级。在故障诊断中，判别是根据故障向量模型的识别来评估故障状态 的。由于故障类型的多样性，所以故障向量模型也很多。建立各种模型的过 程也是建立故障档案的过程。 4 、规划决策根据设备故障特征状态，预测故障发展趋势，并根据故障性质和 趋势，做出决策，干预其工作过程。 1 3 冰箱故障诊断技术“”“”“3 1 “3 1 3 1 冰箱故障诊断技术概述 如今，冰箱已成为人们生活中不可缺少的生活必需品，给人们生活带来了方便。 随着新技术、新工艺、新材料的不断出现，人们对冰箱的要求也越来越高。舒适、环 保、节能的概念日益深入人心，这就使得冰箱的功能既向小而精、又向大而全的方向 发展，冰箱的组成部件越来越多，系统也将会越来越复杂，发生故障的几率也会越来 越大。 目前，很多企业、高等院校、研究所等都在从事制冷系统的故障诊断研究，在故 障诊断专家系统、神经网络技术上进行了研究，取得了一些成果。制冷装置的故障诊 断技术也随着计算机、模式识别、数据通讯、信号分析处理等技术的发展而不断完善 和更新。 制冷系统故障诊断技术的发展是一个从人工判断故障到器件判断故障，到智能判 断故障的过程。最先是制冷领域专家通过视觉、听觉与触觉来发现故障征兆，再根据 自己的经验知识来进行故障诊断并排除故障；然后是有了一些简单的故障诊断器件， 如当高压保护继电器在高压过高时，其触头会断开控制回路而接通高压过高的指示灯 来提醒用户制冷系统的运行状况；现在，制冷系统故障诊断技术已发展到采用计算机 通过一系列感知器件，将系统运行的状态参数通过i o 口输入计算机，然后采用合适 的模式识别方法来进行故障诊断。 国内在制冷装置的故障诊断系统应用方面的研究与先进国家相比，尚有相当差 距，虽然目前已有了实时在线( o n l i n e ) 系统的报道，但处于尝试阶段。目前采用的故 8 华中科技大学硕士学位论文 障诊断理论主要包括b a y e r s 统计方法、模糊诊断逻辑、神经网络法等。存在着故障 诊断集不全、知识难以表述、故障诊断准确率不高等问题。相比较而言，由于国外比 国内掌握的实际运行数据要多。典型的故障诊断案例比较丰富，故障诊断分类比较细， 状态量关系矩阵比较可靠，这些都有效地提高了诊断的准确率。如美国t r a n e 制冷公 司的故障诊断方法就是根据其产品运行的历史数据来建立故障诊断标准模式，然后根 据系统运行参数值来判断故障的类型。另外，美国c a r r i e r 公司的离心式冷水机组也 有一定的故障诊断功能，但它缺乏对故障真正原因的判断，而是把某些征兆通知用户 ( 如压力过高这种信息) ，它没有从根本上判断造成故障的原因。如今，随着制冷系统 故障诊断技术的发展，故障诊断技术不仅在大型制冷暖通系统中得到了重视，在小型 制冷系统如家用冰箱、空调上也开始受到了人们的关注。 1 3 2 冰箱故障诊断方法 借助计算机建立制冷系统故障诊断系统的方法，目前主要有以下几种方法： 1 、经典专家系统“州 经典专家系统实际上是一种智能的计算机程序，它通过计算机程序使用知识 与推理过程，求解那些需要专家知识才能求解的高难度问题。它能借助人类的知 识，采取一定的搜索策略，并通过推理的手段去解决某一特定领域的困难问题。 对于制冷系统来说，就是把制冷界中专家的丰富实践经验集中起来，并以某种形 式存入计算机，把判断过程编制成具有推理能力的程序，即推理机。以使计算机 能够像人类专家那样诊断出故障之所在。 一个专家系统起码要包含三个组成部分：知识库、推理机和人机接口，见图 】1 。 图1 - 1 专家系统基本结构图 华中科技大学硕士学位论文 知识库存储着以某种模式表示的应用领域的知识，包括书本知识和专家独有 的经验知识，是专家系统的核心：推理机主要解决知识的选择和应用问题；知识 获取也称为学习功能，它负责修改、增加或删除知识库中的知识；用户接口负责 向用户询问计算机解决问题所必须了解的事实，并报告建议和决策，解释用户提 出的各种问题。专家系统具有启发性，透明性和灵活性的特点。 但是，经典专家系统不是完美的。它还存在着知识获取“瓶颈”、知识难以 维护、知识窄台阶、推理能力弱和实用性差等诸多缺陷。 2 、人工神经网络 人工神经网络是大量简单的处理单元广泛连接组成的一个复合网络，是在现 代生物学研究人脑组织所取得成果的基础上提出的，用来模拟大脑神经系统的结 构和行为的一种方法，是对生物神经系统的不同组织层次和抽象层次的模拟。 研究成果表明，人工神经网络具有人脑功能的基本特征( 学习、记忆和归纳) ， 从而解决了人工智能研究中的某些局限性问题。利用神经网络具有处理复杂多模 式的能力，以及进行联想、推测和记忆的功能，解决过去基于逻辑与符号处理的 人工智能研究中的某些局限性，为人工智能的研究开辟了崭新的途径。 典型的前馈神经网络、反馈神经网络如图卜2 图卜2 前馈神经网络( 左) 与反馈神经网络( 右) 神经网络必须通过学习才能实现其功能。学习是指连接模型。产生希望行为 前的训练阶段。通过学习，改变各神经元之间的连接权值，使网络具有对确定性 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = ；= = ；= = = = = ；= = = = = = = = ；g = = = = 输入拥有相应正确的输出的能力。学习所选用的规则实际上是权矩阵的修改规 则。在训练过程中，网络的各权值都收敛到某一确定值，使得每个输入向量都产 生个输出向量。调节权值所遵循的预定规则就是训练算法。最常用的训练算法 之一是b p 算法( 见参考文献 3 ，1 6 7 1 7 7 页) 。 在制冷领域中，神经网络主要应用于促使该领域智能化的许多实践中，如负 荷预测、系统分析和控制、以及某些多变量函数最佳值的求取等。 3 、模糊诊断法 以模糊集合论为基础创立的模糊数学在处理难以精确化的复杂系统中显得 简洁有力，深受广大科技人员的欢迎。用模糊数学的方法来处理机械设备的状态 监测和故障诊断问题，要有效地利用监测与诊断中的各种模糊信息，建立合理的 模糊诊断模型及相应的诊断矩阵，其关键问题在于正确地确定故障症兆与故障起 因之间的隶属函数关系。因为诊断矩阵中各元素的取值大小与实际情况的符合程 度将直接影响诊断的效果。 确定隶属函数的常用方法有模糊统计法、加权统计法、二元对比排序法 以及动态信号分析法等。一个论域上的模糊集的隶属函数是千差万别的。因此， 在模糊诊断的实际应用中，还可以根据隶属函数图形的形状来选取适当的隶属函 数表达式，以便能够处理与连续变量有关的模糊概念。 一般来说，构造模糊诊断矩阵就是要确定各种征兆与原因之间的隶属度，或 称为权系数，这需要以大量的实际运行数据或试验为基础，其精度的高低，主要 取决于所依据数据的准确性及丰富程度。 在工程实际应用中，故障症兆与原因之间的关系是错综复杂的。有时，一种 症兆可能对应多种故障原因；有时，同一种故障原因又与多种故障症兆有关。因 此，根据各种需要可以提出各种模糊综合评判模型，亦即存在多种合成运算方式。 每一种模型都对应着一种模糊逻辑诊断算法。但是由于算法含义的不相同，各种 诊断模型在各自的算法作用下对于同一问题可能会产生不同的诊断结果。因此， 在实际开展故障诊断的工作过程中，到底选用哪种模型为好，要由具体问题的需 要和可能来决定。 l l 华中科技大学硕士学位论文 1 3 3 远程故障诊断技术概况 基于i n t e r a c t 的远程故障诊断技术的研究工作是1 9 8 8 年从医学领域开始的。发展 至今，取得了显著的成果，引起了人们的普遍关注。从技术上说，远程医疗诊断采用 的系统体系结构、信息传输方法和异地专家会诊组织、实现形式等都可为远程设备故 障诊断所借鉴和采用。目前，国内外许多公司、研究机构和大专院校对于推进远程设 备故障诊断研究起到了积极的作用。 远程设备故障诊断，是将设备故障诊断技术与计算机网络技术相结合，以若干台 中心计算机作为服务器，在需检测设备的重要关键部位上建立状态监测点，采集设备 运行的状态数据：在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心，为企业提供远程技 术支持和保障。当生产设备运行出现异常时，系统状态监测服务器立即以工作传票方 式向诊断分析服务器申请“在线技术援助”：同时，以电子邮件方式向有关专家发出 “离线会诊请求”；在短时间内调动入网的所有诊断资源，实现对设备故障的早期诊 断和及时排除。 远程故障诊断是以i n t e m e t 为桥梁，跨越企业和研究机构在时空上的距离。其间， 专家、学者还可利用网络服务器开设技术讲座：对企业技术人员进行理论辅导和技术 培训；发表自己的最新研究成果。企业则可利用监测服务器为相关部门提供宝贵的现 场经验和数据。这样既解决了生产企业技术力量不足和理论提高的闯题，又有利于研 究机构更准确、有效地得到企业内设备运行的第一手资料，充实理论和技术研究。 在当今信息时代，i n t e r n e t 的迅速发展及其良好的应用前景，使之成为各种信息 的载体。基于i n t e m e t 的远程协作技术作为2 l 世纪的新型合作方式已倍受学术界和工 业界重视；i n t e m e t 模式的开放式软硬件体系结构也得到人们的认同并成为各种系统 开发的趋势。因此，未来的设备故障诊断技术必然要和i n t e r a e t 相结合。只有采用开 放式体系结构，才会有强大的生命力和广阔的应用前景。 1 4 本人主要的研究工作 以冰箱的故障诊断技术为对象，充分利用w e b 技术的便利性、开放性、包容性和 知识共享性，将传统的冰箱故障诊断技术同w e b 技术相结合，尝试构建了“基于w e b 华中科技大学硕士学位论文 的冰箱故障诊断信息服务( 简称w r d i s ) 系统”。在技术上，利用i d e f 建模技术( 以冰箱 为实例) ，对故障诊断理论进行分析。然后，在理论分析、技术分析的基础上，构建 了系统的功能模型和数据模型。对如何利用w e b 技术构建以冰箱、空调为代表的小型 制冷装置的故障诊断信息服务系统进行了深入的探讨、研究，希望为制冷设备的故障 诊断理论贡献自己的槁薄之力。 主要工作如下： l 、 引入分布对象w e b 技术，提出了一种基于分布对象w e b 三层结构的信息系 统计算模型及构造模型，将冰箱故障诊断技术同计算机软件技术有机的结 合起来，构建了w r d i s 系统。 2 、系统具有一定的开放性和通用性，可由企业和专业人士完善系统的故障诊 断范例集，可根据冰箱的故障特征不断丰富故障诊断特征集。 3 、实践了“移动的是数据而不是人”的理念，为企业和专业人员之间提供一 种新型的交流方式。 4 、实现了冰箱故障诊断知识、数据的积累、继承、共享和更新。 具体工作进程见图卜3 1 3 华中科技大学硕士学位论文 m lu 图l - 3 工作进程图 本文共分五章，具体内容安排如下： 第一章绪论介绍了课题的目的、意义，故障诊断技术发展概况以及论文作者所做 的工作； 第二章系统理论基础详细介绍了作者在理论分析阶段所做的工作进程及成果。由 构建信息服务系统所依据的故障诊断理论，引出w r d i s 系统的定义及故障判 据。冰箱故障诊断技术为本系统的开发提供了坚实的基础； 第三章系统技术基础i n t e r n e t 技术，w e b 技术，以及数据库技术为本系统的构建 提供了有力的技术基础支持； 第四章信息服务系统详细介绍了通过理论分析、技术分析所得到的功能模型和数 据模型，在此基础上利用v i s u a lb a s i c 、a c t i v es e r v e rp a g e 、s q ls e r v e r 等工具开发了w r d i s 系统。 第五章总结与展望归纳总结了自己三年研究生期间的工作成果，并针对单机配置 的故障诊断定位技术提出了自己的思路。 f 4 华中科技大学硕士学位论文 2w r d i s 系统的理论基础 2 o 本章提要 本文以冰箱为例，对如何为运行中的制冷装置故障诊断技术提供信息服务进行了 研究。本章，从故障诊断理论入手，系统地论述了w r d i s 系统依据的故障诊断理论， 提出了w r d i s 系统的定义及故障诊断模式，并提供了冰箱常见的故障诊断流程图。 2 1 故障诊断理论 2 1 1 故障诊断技术知识o + 2 3 。 故障诊断技术是- - i 3 综合了多种基础和应用学科知识的交叉工程性应用技术。它 涉及的学科知识非常广泛，主要包括：传感器、测试技术、电子学、工程信号处理、 计算机技术以及机械零件、动力学、摩擦学、人工智能等学科“4 1 。故障诊断的过程 就是利用各种相关知识对被诊断对象所表现出来的各种有用信息进行处理和分析，以 获得最能识别设备状态特征的过程。 进行设备的故障诊断必须具备下列知识： 1 、数据( 信息) 采集1 故障诊断过程的第一步就是数据采集。设备运行时的原始数据是作出正 确诊断的基础，因此原始数据的获取是进行正确诊断的关键。其中关键的闯 题是正确的选用传感器，传感器性能和质量的好坏直接关系到获得的数据( 信 息) 是否有效准确，是否会出现失真或被遗漏。在选好传感器后，再合理选择 数据( 信息) 采集方式、手段，合理选择数据( 信息) 的来源、测量部位等，包括 将最原始的数据转换成适合用计算机或分析仪进行处理的形式。 2 、数据( 信息) 处理、分析 故障诊断系统并不能直接对原始数据进行处理。因此。必须对所采集的 “本系统强调的是服务功能，侧重于数据的分析处理，因此，对于数据采集本系统不做专门研 究，设计过程中依据的原始数据采集源于他人的工作成果。 华中科技大学硕士学位论文 一_ = = = = ；= = = = ；= = ；= = = = = ；= 原始数据进行处理和分析，从中提取出最敏感，最直观和最能反映设备运行 特征的参数，这个过程称之为特征提取。特征提取通常都是通过专门的分析 仪或计算机来完成的“。 3 、状态识别、判断和预报 在获取特征参数以后，利用有关的知识和经验对特征参数进行分析、处 理，识别、判断设备所处的状态，对设各运行状况进一步发展的趋势做出预 测和预报，并给出诊断结论。 4 、故障诊断机理 故障诊断研究的重点是故障诊断机理的研究。故障诊断机理指的是设备 的运行与故障特征之间的关系。进行故障机理研究需要掌握关于被诊断设备 的专业知识，其中包括设备本身的结构原理，运动学和动力学原理，设计、 制造、安装、运转以及维修等方面的原理及技术。 2 1 2 故障诊断信号的处理和分析。1 哪 对采集的数据信息进行分析处理的过程称为信号分析。信号分析是获取系统故障 信息的主要方法之一，是进行设备状态监测与故障诊断的前提和基础。信号分析的目 的是对能反映设备或系统状态的各种信号进行变换和加工，以提取出能简单地反映设 备或系统状态的特征信息。 采集到的数据通常包含两个部分：一是与所研究的事物存在直接或间接关系的有 用部分，即信息；另一部分则是与所研究事物无关的干扰部分，即噪声。信号处理的 目的就是最大限度地抑制或消除噪声，提取有用信息。 目前，诊断过程中测量或观测得到的实际信号一般都是模拟信号，为了实现数字 化处理，必须进行从模拟到数字的转换。数字信号处理的基本流程见图2 - l 。 图2 1数字信号处理流程图 1 w k d i s 系统的数据处理通过冰箱上的单片机完成。 j 6 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = ；= = = = ；= = = = = = = = = = = ；= = = = ；一 信号分析方法根据待分析信号特征的不同而不同。对于单个样本，信号处理的一 般内容和大体步骤见图2 - 2 ( 图中所列各项内容视具体应用对象可以进行增删，中间用 虚线框起来的内容属于数据检验的内容) 。 图2 2单个样本数据分析图 对于多个样本，信号分析的主要工作见图2 - 3 。 图2 3两个以上样本数据分析