（检测技术与自动化装置专业论文）基于知识的锅炉智能监控专家系统的开发.pdf

沈阳理上大学硕士学位论文 摘要 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，我国锅炉应用的日趋广泛和技 术难度的提高，锅炉系统的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来 越高，对故障诊断技术应用的迫切性也与日俱增。保证锅炉设备的安全运行，不 仅可以提高设备的利用率，还能有效降低检修成本，提高效益。因此开展锅炉过 程监控和故障诊断的研究意义重大。 基于专家系统的锅炉故障诊断技术是故障诊断领域的一个重要研究分支。本 文根据国内外锅炉系统故障诊断技术的需求形势与研究现状，构建了基于模糊神 经网络的锅炉系统故障诊断专家系统的结构框架，对神经网络的学习算法及其局 限性进行了详细的探讨和深入的分析，在此基础上，重点研究了标准b p 神经网络 的改进方法，论述了模糊逻辑和神经网络结合的重要性，并说明了二者的结合方 式，提出了基于模糊神经网络的锅炉专家系统诊断方法，实现知识的获取、表示， 以及推理的一体化。同时通过采用增加动量项和学习率动态自适应调整方法对其 配合，仿真结果表明它极大的改善了网络诊断性能，解决了b p 网络收敛缓慢，训 练误差容易陷入局部极小值等问题。 将模糊网络模型有机的嵌入到专家系统中，开发了锅炉故障诊断专家系统软 件。获得了比传统专家系统可信度更高的诊断结果。并且在诊断知识获取，不完 全信息推理等方面较传统专家系统更有优势，稳定性有了一定程度的提高。 关键词：专家系统；故障诊断；锅炉系统；模糊神经网络；数据库 沈阳理i ：大学硕十学位论文 a b s t r a c t 、矾mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i z e dw h o l e s a l em a n u f a c t u r ea n dt h ep r o g r e s so f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fb o i l e ri nd o m e s t i cd a yb yd a y , a n dt h ed e g r e eo f t e c h n o l o g y d i f f i c u l t ya l ei n c r e a s i n g ，t h es t r u c t u r e so f b o i l e rs y s t e ma l e g e t t i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e x ，a n dt h ef u n c t i o n sa l em o l ea n dm o l ep e r f e c tw h i l et h e a u t o m a t i cd e g r e ei sh i g h e ra n dh i g h e r t h ep r e s so ft h er e q u i r ef o rf a u l td i a g n o s i s ( f d ) t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o na r ei n c r e a s i n gw i t l ld a y s i tc a l lr i s et h eo c c u p i e dc o e f f i c i e n t , r e d u c et h ec o s to fr e p a i r i n ga n di m p r o v eb e n e f i t si fg u a r a n t e et h eb o i l e re q u i p m e n t w o r ks a f e l y s oi th a sg r e a tm e a n i n g st or e s e a r c ht h e p r o c e s sm o n i t o ra n df df o rb o i l e r t h ef dt e c h n o l o g yf o rb o i l e rb a s e do ne x p e r ts y s t e m ( e s ) i sa ni m p o r t a n tb r a n c h i nt h er e s e a r c ho ff d a c c o r d i n gt ot h en e e ds i t u a t i o na n dt h er e s e a r c hs t a t u so ft h ef d f o rb o i l e rs y s t e mi nd o m e s t i ca n da b r o a d ，c o n s t r u c tas t r u c t u r eo ft h ef de sf o rb o i l e r s y s t e mb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r k ( f n n ) ，t h i st h e s i sr e s e a r c ht h es t u d ya l g o r i t h m i nd e t a i la n da n a l y s i si t sl i m i t a t i o nd e e p l y a n de m p h a s i so nt h ei m p r o v e m e n to f s t a n d a r db pn e t w o r k ，d i s c u s st h ei m p o r t a n c eo fc o m b i n a t i o nf u z z yl o g i cw i t hn e u r a l n e t w o r k ( n ，a n dt h ec o m b i n ew a y i te x t r a c t e dt h ed i a g n o s i sm e t h o dw i le sb a s e d o nf n n ，a n dr e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o no ft h ea c q u i s i t i o n , r e p r e s e n t a t i o n , a n dr e a s o n i n go f k n o w l e d g e m e a n t i m e ，a i di t 丽t l lt h em e t h o d so fa d dt h em o m e n t u ma n ds e l f - a d a p t i n g r e g u l a t i o nt h el e a m i n gr a t e t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a ti ti m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c e o fn e t w o r kd i a g n o s i s 诵ml a r g es c a l e ，a n ds o l u t et h ep r o b l e mo fs l o wc o n v e r g e n c ew a s ， a n di n c l i n e dt ot r a pi nl o c a lm i n i m u m e m b e d d e dt h ef n ni nt h ee s ，a n dd e v e l o p e dt h ef de ss o f t w a r ef o rb o i l e rs y s t e m i tg e tb e t t e rr e s u l to fc r e d e n c et h a nt h et r a d i t i o n a le s a l s oi th a sm o r eg o o d n e s si n s o m e t h i n gl i k eh o w t og e tt h ed i a g n o s i sk n o w l e d g e ，i m p e r f e c t i o ni n f o r m a t i o nr e a s o n i n g , a n ds t a b i l i z a t i o nw a sr i s ei nc e r t a i nd e g r e e k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ；f a u l td i a g n o s i s ；b o i l e rs y s t e m ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k ； d a t a b a s e 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期 ： 国警佛 伽g 3 髫、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：罔学传 日 期：彻反3 、，z 指导教师签名：于e 卒 日 期：聊! ；、 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 锅炉故障诊断及过程监控的意义 锅炉也称蒸汽发生器，是利用燃料或工业生产中余热的热能，将工质加热到 一定温度和压力的机械换热设备。锅炉在电站、工业、民用采暖、机车船舶等都 具有广泛的用途，为各行各业提供热能或者机械能，服务于国民经济。 锅炉内部构造复杂，工作环境恶劣，一旦故障发生，非常危险，必须停机进 行检查。故障诊断( f a u l td i a g n o s i s ) 技术即是针对这一问题，在掌握锅炉运行流程 后，对其故障的发生、发展机理进行研究，探索合适的诊断方法，尽早发现故障 及其原因并能预报故障发展趋势。对相关设备做出状态检修及参考意见，得出正 确的诊断结论，以便及时采取有效措施防止事故发生。 随着我国锅炉应用的日趋广泛和技术难度的提高，对故障诊断技术应用的迫 切性与日俱增。保证锅炉设备的安全运行，不仅可以提高设备的利用率，还能有 效降低检修成本，提高效益。具体来说锅炉设备故障诊断的目的有以下几点： ( 1 ) 通过各种检测、分析和判别手段，结合系统或设备的历史、现状、环境 等因素，及时地对设备状态进行检测；对各种异常状态或故障状态作出正确诊断： 对设备的运行进行必要的指导，预防或消除故障；提高设备运行的安全性、可靠 性和经济性；或者把故障引起的损失降到最低水平。 ( 2 ) 保证设备发挥最大设计能力。根据可能发生的故障预测，制订合理的检 查维修制度，以便确保在不发生故障的允许条件下，充分挖掘设备潜力，延长机 组使用寿命，降低设备全寿命的使用费用。 ( 3 ) 通过参数检测、故障分析、性能评估等，为设备的结构改进、优化设计 与制造提供信息。 锅炉设备故障诊断既能保证设备的安全、可靠运行，又能获得更大的经济效 益与社会效益。据美国p c k r u 电站的资料，效益与投入比可以达到3 6 。日本资料 报道，实施故障诊断后，事故率可减少7 5 ，维修费用可降低2 5 - 5 0 。 锅炉系统一般都包含给煤、给水、蒸汽、空气等许多分系统，每一个分系统 1 沈阳理工大学硕士学位论文 下面都包含许多子级设备，子级设备又由基本的物理元件组成，监测参数多，故 障的发生率高，其产生故障的原因也多。 通过对锅炉系统的故障及传播机理进行分析，可以看出锅炉故障具有以下特 点： ( 1 ) 层次性：锅炉设备结构的层次性决定故障的层次性。任何故障都是与设 备的某一层次相联系的，高层次的故障是由低层次的故障引起的，而低层次的故 障必定引起高层次的故障； ( 2 ) 相关性：这就是锅炉设备的故障诊断的“横向性”，是由系统各参数之 间的联系所决定的。一个故障存在多条潜在的故障传播途径，因而可能引起多个 故障同时存在； ( 3 ) 延时性：锅炉故障的传播机理表明，从原发性故障到系统级故障的发生、 发展与形成，是一个由量变到质变的过程； ( 4 ) 模糊性：锅炉的故障问题往往不仅有性质的概念，还有度与量的关系， 故不能单纯以“事故升与“正常 来表达。鉴于此，推理的过程还要考虑模糊化 ( 亦求取隶属度) 的过程，需要取实时输入精确值，再根据隶属度求模糊量。 如下图为锅炉设备故障发生率趋势曲线： 故 障 发 生 率 图1 1 故障发生率趋势曲线 问 ( 1 ) 早期故障，这种故障的产生，可能是由于设计加工不良、材料缺陷或者 安装欠佳等原因，在设备投运初期就暴露出来。经过一段时间的调整、消除、磨 合，工作状况会逐渐好转，故障率将下降。 ( 2 ) 使用期故障，这是设备在有效寿命期内发生的故障，一般是由于零部件 长期运行后，所产生的损伤没有被及时发现，或者运行条件恶化所引起的。在这 段时间内，故障率基本上是恒定的。对于这个时期的设备进行监视和故障诊断， 2 第1 章绪论 在工程上最具有实际价值，在理论上也是相对完善些。 ( 3 ) 后期故障，它往往发生在设备有效寿命期的后期，甚至超过设备的使用 生命期，由予设备长期使用零部件已经老化、塞损，造成功能明显衰退，最后可 能导致设备或系统发生突发性、危险性、全局性的故障，甚至造成事故。这时期 的故障率呈上升趋势f 2 l 。 尽管有如此规德，锅炉故障的发生仍然是随机的，具有不确定性，为确保发 现及时，应该对锅炉的运行过程进行实时性能监控。如下图为过程监控的四个步 骤是故障检测、故障识别、赦障诊断和过程恢复涮。 n 图1 2 过程监控环示意麴 故障检测：确定故障是否发生了。及早进行检测可以对将会出现的闯题提肖菲篇 有价值的警告，并采取适当措施，从而避免严重的过程颠覆。 故障识别：把那些与故障最有关联的观测变量识刹漱来。该步骤的酱的是把设备 操作人员和工程师的注意力集中到与故障最相关的子系统上来，以便 最有效的消除故障所带来的不良效应。 故障诊断：确定哪一种故障发生了，换旬话说，就是确定所看到的故障状态的原 因，具体的说就是故障的类型、位置、量级和时间。故障诊断这一步 是抵抗和消除故障所必须的。 过程恢复：也称为干预，就是去除故障的影响。 1 2 过程监控方法的分类 锅炉系统的性能监控离不开故障检测与诊断技术，故障诊断技术是囊动控制 理论的一个重要分支，已成为一门应用型边缘学科，涉及系统论、控制论、信息 论以及计算梳科学等多方面的内容。系统过程监控方法大体可以分为三类：基予 解析模型的方法、基于知识的方法、基于数据驱动的方法。 基于数据驱动的方法：也称为基于信号处理的方法，主要利用降维的思想来 沈阳理工大学硕士学位论文 简化问题。现代过程设备都有大量的仪器仪表，会产生大量的数据。数据驱动技 术的优势在于它能够将高维的数据变换成低维，并从中获取重要信息。常常采用 统计的方法来分析故障，主要的表示图有t 2 图、q 图。主元分析法( p c a ) 、费 舍尔判别分析( f d a ) 、部分最小二乘法( p l s ) 等。 基于数学模型的方法：使用根据基本原理构造出的解析数学模型。大多数解 析量度都是基于参数估计、基于观测器设计和等价关系的。解析法大多应用在输 入、输出和状态数目相对较小的系统。 基于知识的方法：也称为基于人工智能的方法，是使用定性的模型来进行过 程监控的方法，特别适合于系统不能获取详细数学模型、系统数据不充分或不精 确的，或者系统精确的数学模型难以获得的情况。有因果分析、专家系统和模式 识别、人工神经网络、遗传进化算法等方法。 如下图1 3 所示为过程监控的任务和常用方法分类b ，： 图1 3 过程监控的任务和方法 近年来不少研究者采用模糊逻辑法、故障树分析法、专家系统、人工神经网 络等方法进行锅炉设备故障诊断研究，以探索快速有效的故障诊断与预测方法。 第1 章绪论 其中专家系统和人工神经网络的相结合的方法是羁前研究的热点p ，。 1 3 专家系统的研究现状 1 3 1 专家系统概述 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 也称为基于知识的系统，霹前尚无严格定 义，费根鲍姆1 9 8 2 年给出的定义为t “专家系统是一种智能的计算机程序，这种 程序使用知识与推理过程，求解那些需要杰出人才的专门知识才能求解的高难度 问题。现在比较逯用的定义为：利用存储在计算机内的某一特定领域内人类专家 的知识，来解决过去需要人类专家才能解决的现实问题的计算机系统。专家系统 是人互智能走向实用纯的最新研究领域，是种以知识为基础的智能化的计算枫 软件系统。它将领域专家的知识、经验加以总结，形成规则，存入计算机建立知 识库，采用合适的控制策略，按输入的原始数据进行推理、演绎，做出判断和决 策。 专家系统的功能和结构随所处理的任务类型各不相同。根据定义，专家系统 应该具备以下凡个功能： ( 1 ) 存储问题求解所需的知识； ( 2 ) 存储具体润题求解的初始数据和推理过程中涉及到的各种信息，如中闻 结果、目标、子目标以及假设等； ( 3 ) 根据当前输入的数据，利用已有知识，按照一定的推理策略，去解决当 前问题，并熊控制和协调整个系统； ( 4 ) 能够对推理过程、结论或系统自身行为做出必要的解释，如解题步骤、 处理策略、选择处理方法的理由、系统求解某种闯题的链力、系统翔何缀织和管 理其自身知识等； ( 5 ) 提供知识获取，机器学习以及知识库的修改、扩充和完善等维护手段 ( 6 ) 提供一种用户接翻，便于用户使用，也便于分析和理解用户的各种要求 和请求。 如图1 4 所示，为通蔫专家系统的一般结构： 沈阳理工大学硕士学位论文 知识t 程师领域专家 般用户 ：土t i 1 人机界面 土 土丁 i i 知识获取器数据挖掘 i 解释器 上 上t l 知识库 i - l 数据库 l - l 推理机 图1 4 通用专家系统 赧据其一般结构，专家系统主要包括以下几个重要组成部分：知识库：用 以存放领域专家提供的专门知识，包括与领域相关的书本知识、常识性知识及专 家凭经验得到的试探性知识。知识库中贮存的知识确定了一个专家系统能够发挥 专家作用的能力，因此，知识库是专家系统的核心部分。推理机制：推理是指 从已有事实推出新事实或结论的过程。基于知识的推理过程的计算机实现构成了 推理机，推理机的设计是专家系统设计的核心内容。知识获取机制：是专家系 统中把问题求解的各种专门知识从人类专家的头脑中或其他知识源那里转换到知 识库中来的一个重要机构。用户接n i 具：即人机界面，是专家系统和用户之 间进行信息交换的媒介。友善的人机晃面是人机共存系统的重要部分。解释机 制：解释器模拟专家在解决问题时对其推理过程和结论进行解释，这是专家系统 透明特点的集中表现。这样做可以使用户更容易接受整个推理过程和所得出的结 论，同时也为系统的维护和专家经验的传授提供了方便n ，。 1 3 2 专家系统在故障诊断领域的应用历史与现状 故障诊断专家系统的发展起始于2 0 世纪7 0 年代末，虽然时间不长，但在电 子，电力、机械、化工、航空、航天、船舶等各个领域已取得了令人瞩目的成就， 已成为当今世界研究的热点之一。 在专家系统己有深厚基础的国家中，机械、电子设备的故障诊断专家系统已 基本完成了研究和试验的阶段，开始进入广泛应用。比较出名的有m i t 研制的用于 模拟电路操作并演绎出故障可能原因的e i 系统；美国海军人工智能中心开发了用 于诊断电子设备故障的玳a t e 系统；波音航空公司研制了诊断微波模拟接d m s i 6 第1 章绪论 的i m a 系统；意大利米兰工业大学研制用于汽车启动器电路故障诊断的系统憎。 国内在故障诊断专家系统方面起步稍晚，2 0 世纪8 0 年代开始，国内部分高校 和科研机构首先在汽车故障诊断领域对专家系统进行了研究，发表了一系列的研 究文献，部分文献已经达到国外同等水平，与国外的差距不断缩小。具有代表性 的专家系统有华中科技大学研制的用于汽轮机组工况监测和故障诊断的智能系统 d e s t ；哈尔滨工业大学和上海发电设备成套设计研究所联合研制的汽轮发电机组 故障诊断专家系统m m m d 2 ；清华大学研制的用于锅炉设备故障诊断的专家系统 等等，都能够比较成功地进行复杂系统的故障诊断。到8 0 年代中后期以后，我国 专家系统故障诊断的应用领域迅速扩大，参加专家系统研制和开发的单位也大量 增加，出现各行业积极从事专家系统研制与开发的热烈局面，这表明我国的故障 诊断己经进入专家系统技术时代。 如下图所示，为专家系统在故障诊断领域应用的任务简图： 现场设备 参数信号采集和处理 l 数据库 + i i 、i i f l 知识获取l 用户界面 解释器 、 ，0 故障原因故障定位诊断建议 图1 5 故障诊断专家系统任务图 目前已研究的故障诊断专家系统模型主要有：基于规则的诊断专家系统、基 于实例的诊断专家系统、基于行为的诊断专家系统、基于模糊逻辑的诊断专家系 统和基于人工神经网络的诊断专家系统。 ( 1 ) 基于规则的诊断专家系统 基于规则的诊断方法是根据以往专家诊断的经验，将其归纳成规则，其基本 7 - 沈阳理工大学硕士学位论文 形式为： 酶pla n d 7 0 rp 2a n d o r p nt h e ns 1a n d o r $ 2a n d 彤o r s m c f 其中p 1 p n 是前提，s 1 - s m 是结论，c f 是规则可信度，0 c f 深度优先 深度优先搜索( d e p t hf i r s ts e a r c h ) 按照深度越大优先级越高的原则，即后生成 的节点先扩展的策略，在树形问题中搜索终止节点。当深层中有多个节点时，它 选择最近生成的节点优先搜索。节点开始在其直接后辈中选择一今最薪生成的节 点进行考察，如果该直接后辈不是目标节点并且仍然可以扩展，则继续扩展它的 直接蜃辈。依次向下搜索，鲞到某个直接后辈既不是露标节点又不缝进行扩展时， 再选择与其相邻子树进行搜索。如下图2 5a 所示： a 深度优筑搜索 图2 5 搜索策略 b 广度优先搜索 ( 2 ) 广度优先 广度优先搜索( w i d t hf i r s ts e a r c h ) 也瑟唾宽度优先搜索，它与深度优先搜索褶 反，按照深度越小优先级越高的原则在问题树中搜索。即先生成的节点先扩展的 策略，当最低层不止一个节点时，它选择最先生成的节点进行搜索，从初始节点 开始逐层向下扩展在上一层还没有全部搜索完之前，不会进入下一层进行搜索。 其搜索过程如图2 5b 所示： 广度优先搜索具有言墨性，当嚣标节焘距离初始节点比较远时会产生许多无 用的节点，因此搜索效率会变低。但是只要问题有解，总可以得到解，而且得到 的将是最佳路径渊。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 5 传统专家系统的建立 2 5 1 基于案例专家系统的设计 基于案例的专家系统的原理比较简单，主要针对采用语言描述性的知识诊断 的部分，其诊断方法即是数据库的搜索过程，知识按照案例组织，案例依照编号 依次存储在数据库中，诊断的过程就是案例搜索的过程，推理机将搜索结果与事 实逐条比对，匹配成功者即为诊断结论。如下表2 1 所示为锅炉典型故障案例： 表2 1 锅炉典型故障案例 编号故障类别故障事例 p 1 锅炉缺水 蒸汽温度升高& 给水流量 蒸汽流餐 p 2锅炉满水 蒸汽温度下降& 蒸汽含水量上升 p 3汽水共腾 蒸汽含盐量大& 水位表波动& 含水量人 p 4 锅炉水冲击 能听到锅筒，蒸汽管道，给水管道有撞击声响 p 5锅炉超压 蒸汽压力过高& 温度上升 p 6炉膛灭火故障 炉膛负压上升& 水位下降后上升 p 7锅炉结焦故障 排烟温度上升& 引风机转速加快& 炉膛温度上升 p 8高温过热器损坏出口烟温较低& 引风机电流人 p 9空气预热器损坏鼓风机风压很低& 炉膛负压低等 知识库的存储是以关系数据库的形式实现的，关系数据库的显著特点最一个 关系就是一张二维表，数据库由若干张二维表构成，数据库中的实体与联系等均 按二维表的形式存放，二维表中的每一行为一条记录，它对应一个特定的实体， 二维表中的每一列称为一个字段，它对应实体的某个属性。二维表之白j 通过相同 的属性名进行关联。这样一条完整的信息便可同时由几张不同的二维表唯一地确 定下来。在案例专家系统中，知识库由案例库及诊断结论库组成，其中案例库存 放案例规则，由案例征兆表及结果表组成。案例征兆表存放规则中的条件部分， 结果表中存放结论部分，两表用“案例号 外键联系起来。如下表2 2 所示为两表 的数据对应结构： 第2 章锅炉放障诊断专家系统结构设话 表2 2 案例征兆袭和结鬃表 案例征兆表缡果表 字段名数据类型 说瞬 字段名数据类型说明 案例号文本主键案例号文本主键 系统名文本故障原因文本 部件名文本处理措施文本 故障现象 文本概率数字 表示案例的可信度 诊断时，当从案例征兆表中找到故障现象时，可从结果表中找到对应的故障 原因等信息。对于某一个案例，相当于： l f 系统名a n d 部件名a n d 故障现象t h e n 故障原因a n d 处理措施a n d 可信度；概率 一条案例只存放一条规则关系，案例之问是相互独立的，但是一条案例的结 论部分可能恰好是另一条案例的征兆部分，这样可以进行连锬诊断，直到找不到。 下一个合适的案例循环结束n 州。如下图2 6 所示为案例专家系统的推理过程： 第3 步 第1 步 q ：蒸汽澡度如露? a ：升高 第5 步 i f 锅炉蒸汽温度升高 t h e n 水鼙不足 l f 锅炉内水鼍不足 t h e n 绘本阕开量过小 蒸汽温度升高 锅炉内水量不足 给水阀开度过小 第2 步 第4 步 图2 6 基丁：案例专家系统的推理过程 知识麾 工作肉存 结论解释：如果蒸汽 温度升高可能是因 为给水润开度过小 诊断结论库由诊断结论表组成。诊断结论表由系统名、部件名、故障现象、 故障原因、排除方法、诊断时闻、诊断入七列组成，在每次故障诊断结束瑶自动 沈阳理工大学硕士学位论文 将诊断信息存入诊断结论表中，为数据库的数据挖掘提供数据源。对知识库的维 护主要包括对案例的添加、修改、删除、保存等操作。通过数据库本身的功能实 现起来非常方便。 依据案例诊断规则，可以很容易地设计出推理机，推理机实际就是一段实现 故障推理的程序，可以很方便地实现故障推理，因为是正向推理，所以从故障现 象入手，即当知道故障现象时，可根据现象的语言描述，提取关键字，利用数据 库本身的文本查找、搜索、匹配功能，对故障进行初步诊断，找出相似的案例集。 接着按照正向推理的步骤，采用人机交互的方法，根据已知和提示信息进行精确 的珍断，按照系统名称、部件名称、故障现象、故障原因的顺序依次进行简单的 肯定或否定判断，最终实现故障诊断。主体推理部分程序如下： s t r s q l = “s e l e c t 案例号f r o m 案例征兆表w h e r e 故障现象l i k e ”& t x t x x t e x t & ” r s o p e ns t r s q l ，g c o n n , a d o p e n s t a t i c ，a d l o c k r e a d o n l y d i mi r e d i ma n l i i d ( 0 ) f o ri = 0t or s r e c o r d c o u n t l a n l i l d ( i ) = r s f i e l d s ( 0 ) v a l u e r e d i mp r e s e r v ea n l i i d ( i + 1 ) r s m o v e n e x t n e x t i r s c l o s e l v w z d l i s t l t e m s c l e a r d i m j f o r j = 0t oi s t r s q l = ”s e l e c t 故障原因，处理措施，可信度f r o m 结果表w h e r e 案例号= & a n l i l d ( j ) & ” r s o p e ns t r s q l ，g c o n n ，a d o p e n s t a t i c ，a d l o c k r e a d o n l y s e tl t l t m = l v w z d l i s t i t e m s a d d l t l t m t e x t = r s f i e l d s ( 0 ) v a l u e 2 0 第2 章锅炉故障诊断专家系统结构设计 l t i t m s u b l t e r n s ( 1 ) = r s f i e l d s ( 1 ) v a l u e l t l t m s u b l t e m s ( 2 ) = r s f i e l d s ( 2 ) v a l u e r s c l o s e n e x t j 基于案例专家系统的知识来源于现场实例，因此是一种死板的专家系统，其 知识表示方法和推理方法比较直接，所以非常容易理解，在一定条件下能够快速 有效地解决问题，但是其主要缺点是缺乏严格的理论依据，是一种浅知识，可靠 性不好，通用性不强，后期维护工作量大，根据大量可能的，但并非存在固定的 因果关系的表面特征对故障进行猜测、判断的模糊启发性知识在一个系统上的知 识不一定适合其他系统，案例千变万化，很难面面俱到。所以一般只作为系统故 障的初步诊断方法，不单独使用，需要与其他方法进行配合。 2 5 2 基于规则专家系统设计 基于规则专家系统与基于案例的专家系统有很大的相似性，但是它更进一步， 它所用的知识更复杂，不像案例那样是专家的直接经验，而是经过总结分析的， 更接近于深层次知识，知识表示方法主要利用产生式规则。 产生式规则表示法主要是用来描述若干个不同的以一个基本概念为基础的系 统。这里的基本概念是指产生式规则和操作对概念。这种表示方式自然、简洁， 用于表示那些系统中不能用数学公式描述的经验知识，因此很适合于具有丰富经 验的专业领域问题。目前在专家系统中得到了广泛的应用。 产生式规则系统由三个基本部分组成：全局数据库、产生式规则库和规则解 释器。在一般基于规则的专家系统中，这三个基本部分大致对应着综合数据库、 知识库和推理机。全局数据库是产生式系统使用的主要数据结构，用来描述问题 的状态。在问题求解过程中，它记录已知的事实、推理的中间结果和最终结论。 规则库由一组规则组成。规则可抽象地描述为一个包含两个元素的对偶，一 个为条件，另一个为结论或者要执行的动作，其一般形式可以表示为： i f t h e n 或 w i t h 产生式规则的作用是对全局数据库进行操作。规则解释器负责把规则的条件 部分与全局数据库的内容进行比较，通常称之为匹配。如果条件成立，规则解释 器则根据动作部分描述的信息去修改全局数据库的内容。 2 1 沈阳理工大学硕士学位论文 基于规则专家系统需要根据从锅炉系统采集到的数据进行诊断。从锅炉系统 底层采集到的数据集中存放在参数监测表中，然后把参数监测表中的数据与热力 参数表中指标进行比对，比对结果为对当前参数的语言描述，热力参数表的结构 如表2 3 所示： 表2 3 热力参数表结构 字段名称数据类犁说明 1 1 pi d文本 监测参数编号( 主键，唯一确定) t pn a i l 地 文本监测参数名称 t p ，m a x 2 文本， 监测参数最大上限 t pm a x l 文本监测参数正常上限 t p n o r m a l 文本监测参数正常值 t pm i n l 文本监测参数正常下限 t pm i n 2文本 监测参数最大下限 皿厅t h e r 文本监测参数所属上层系统 通过分析，选取锅炉系统的1 6 个与故障联系比较紧密的参数作为系统故障诊 断的依据，建立热力参数表，这1 6 个参数分属于4 个大的系统，分别是给水系统、 蒸汽系统、空气系统和烟气系统。热力参数表的主要技术指标如表2 4 所示： 表2 4 热力参数表指标设定 参数参数参数参数正常参数正常参数正参数下参数所属 编号名称上限上限值常下限限系统 t p o o l蒸汽流量 1 597 3 o 蒸汽 t p 0 0 2 蒸汽压力 5432l 蒸汽 t p 0 0 3蒸汽温度 2 0 0 1 8 01 6 01 4 01 2 0蒸汽 t p 0 0 4 给水流量 21 81 61 2l 给水 t p 0 0 5 给水压力 s4 3 2 l给水 1 p 0 0 6汽包水位2 5 02 0 01 5 01 0 05 0给水 第2 章锅炉放障诊断专家系统结构设计 t p 0 0 7 给水温度 1 5 01 3 0l l o9 0 7 0 给承 t p 0 0 8 省煤器出口水温 6 05 04 03 02 0 给水 日掺 给承褥开度 l 6 04 02 0o 给水 t p 0 1 0鼓风机转速1 0 0 09 0 08 0 07 0 06 0 0 空气 t p o l l 炉排转速 l o o o8 。o6 0 04 0 02 空气 曰0 1 2炉膛负压- 51 0- 1 5o o- 3 0烟气 t p 0 1 3 炉膛温度 8 0 06 0 05 0 03 0 02 0 0 烟气 口o l 霹 省煤器蓠潮温度 4 3 2 1 5 0l 矮气 t p 0 1 5 捧烟温度 l o o8 07 06 05 0 烟气 t p 0 1 6 引风机转速 l o o o9 0 08 0 07 0 06 0 0 烟气 监测参数从底层系统传感器采集上来后，首先存储在数据库中，然后根据所 采用的推理机，进行相应预处理，如果采用基于勰燹| j 专家系统，那么首先与参数 的特征值依次比对，转换成参数的语言描述，然后存储在程序工作内存区中n ”。 首先需要对锅炉系统可能产生的故障进行分类，建立故障类型表，记录锅炉 的故障分类及相应的处理措施等经验知识，还包括进行该故障诊断的一些规则知 识和决策知识。对于一些未知故障类型，可对之进行更新和扩充，以逐步完善故 障类型表。箕结构如下表2 5 所示： 表2 。5 故障粪犁表结构 字段名称数据类型说明 s fl d 文本 故障类型编码( 主键) s f n a m e 文本故障类型名称 s fd p t 文本诊断说明 s f _ p r o p o s a l 文本 故障处理措施 s f _ s a m p l e _ n 数字样本个数 s f _ s a m p l e _ x 数字样本维数 s fe r r 数字诩练终止误差 s fo u t 文本 诊断输出( 可选字段) 沈阳理工大学硕七学位论文 根据对锅炉运行实际过程的分析，选出了9 种典型的初始故障类型( 即故障 模式) ，其中严重故障有锅炉缺水、锅炉满水、锅炉超压、炉膛灭火，一般性的故 障有锅炉结焦，锅炉水冲击、汽水共腾、高温过热器破裂、空气预热器损坏。故 障类型知识库框架确定以后，可以根据实际情况在后续使用过程中陆续添加新的 故障类型。 故障类型确定后，下一步就是寻找各故障类型的引发征兆，为此建立了故障 征兆名细表。故障征兆名细表是在总结领域专家经验的基础上建立的，是进行整 个故障诊断最基本的依据。它的整个设计思路是以故障类型表中定义的各种不同 的故障类型为划分标准，针对不同的故障类型确定描述故障类型的具体征兆，即 实现征兆的分类。故障征兆名细表具体结构如下表2 6 所示： 表2 6 征兆明细表结构 字段名称数据类型说明 故障征兆明细编码，( 主键) ，( 征兆明细表内存放e s d fi d 文本 的主体知识，是e s 的核心知识库) d f _ k g d p t 文本故障征兆明细说明 s fi d 文本故障类型编码 t pi d文本热力监测参数编码 d fk x d 文本概率( 可信度) 下表2 7 所示为故障征兆明细表的典型实例： 表2 7 故障征兆明细表部分实例 d fi d d f _ k g d p t s fi dt pi dd fk x d d f o o l 蒸汽温度过高 s f 0 0 1t p 0 0 30 9 d 嗍捧烟温度偏高s f d o lt p 0 1 5o 6 d f 0 0 6 蒸汽温度偏低 s f 0 0 4t p 0 0 3o 6 d f 0 0 8 汽包水位偏高 s f 0 0 4t p 0 0 6o 6 d f 0 0 9 给水压力过低 s f 0 0 3t p 0 0 50 9 第2 章锅炉故障诊断专家系统结构设计 种故障类型( 模式) 对应多个参数的描述，个参数的描述也可能对应多 种故障类型( 模式) ，这种故障类型参数描述多对多的形式构成了规则知识的 主体。这里为了便予推理和利于理解，采用按故障类型将规芙| j 分类的做法，应用 反向推理策略进行推理诊断。 如下图为本文传统专家系统的推理流程图： 首先获取初始事实，对采集到的参数数据进行预处理艨，德出参数描述，然 后将参数描述与规则库中的规则逐条对比，个参数描述可能与多条规则匹配， 多条规则褥如的结论不尽相网，有的甚至彼此冲突，因此需要进符冲突漕解。采 用不确定推理策略，主要是依靠各条规则的可信度进行调和，搜索策略为广度优 先搜索，其中包括3 重循环。图2 。7 所示为推理流程。 图2 7 专家系统攘理浚程握圈 沈阳理工大学硕士学位论文 外层是从知识库“故障类型表中搜索所有的故障类型；中层针对每一种故 障类型模式，在知识库“征兆明细表中搜索对应的参数征兆描述；内层将搜索 到的参数征兆知识依次与1 6 个参数描述事实进行匹配，如果一致，则载入规则信 息与可信度。 定义规则的可信度c 在【0 ，l 】之间，当有多条规则支持同一事实时，这些规则 之间的关系是析取。采用概率方法处理这种关系n ”，首先把规则可信度转换成可信 度比例尺，尺与c 的关系为： r = 1 ( 1 - c ) 或者c = 1 ，( 1 + r ) ( 2 1 ) 把各证据的可信度比例相乘得到规则支持事实的总的可信度比例。再利用上 面的公式求解最终的可信度。 例如对于锅炉缺水的故障，有三条规则匹配现有的参数描述事实： r u l e l ：i f 蒸汽温度高t h e n 锅炉缺水g = o 8 r u l e 2 ：i f 排烟温度低t h e n 锅炉缺水 c 2 = o 3 r u l e 3 ：i f 锅炉水位低t h e n 锅炉缺水 c 3 = 0 6 根据上面的公式，得出墨= 4 ，马= 3 7 ，玛= 3 2 。总的可信度比例r 为： r = 墨r 2 墨= 1 8 7 ( 2 2 ) 与此相应得到诊断结论的可信度为： c = l “1 + 尺) = o 7 2 ( 2 3 ) 最后得到锅炉缺水这个结论的在三个事实下的可信度为0 7 2 ，这个数值比只 有“蒸汽温度高这一个事实时得出的结论反而低，这是因为规则2 的可信度为 o 3 ，实际上是一条否定结论的规则”引“。 2 6 本章小结 本章主要介绍了锅炉故障诊断专家系统的总体设计、软件框架，以及专家系 统中知识表示和知识获取的过程，然后在专家系统整个软件框架的基础上建立了 两种典型的传统专家系统，介绍了如何应用数据库存储知识，建立知识库，同时 阐明了数据库在专家系统中的重要作用。 第3 章锅炉故障诊断的神经网络模型 第3 章锅炉故障诊断的神经网络模型 在诸多故障诊断方法中，由于人工神经网络具有很强的自学习能力、高度的 容错能力、强大的联想记忆功能、快速的推理能力、大规模分布式并行处理信息 功能，能够解决专家系统中存在的知识获取的“瓶颈”、容错性差、推理能力弱和 处理大型问题较为困难等问题，是一种值得借鉴的方法，因此本文在基于案例和 规则专家系统的锅炉故障诊断模型基础上，引入了人工神经网络模型。 3 1 神经网络基本原理 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称为a n n ) 是人们在现代生物学研 究人脑组织所取得的成果的基础上，人工构造的能够实现某种功能的神经网络。 反映了人类大脑的基本特征：学习、记忆和归纳。它是由大量简单元件相互连接 而成的复杂网络，能够进行复杂的逻辑操作和实现非线性关系的系统，为人工智 能的研究开拓了一个新的方向。 目前人们提出的神经元模型很多，其中最早提出而且影响最大的，是1 9 4 3 年 心理学家m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 在分析总结神经元基本特性的基础上首先提 出的m p 模型，该模型经过不断改进后，形成目前广泛应用的神经元模型。关于 神经元的信息处理机制，该模型在简化的基础上提出以下6 点假定进行描述： ( 1 ) 每个神经元都是一个多输入单输出的信息处理单元： ( 2 ) 突触分兴奋性和抑制性两种类型； ( 3 ) 神经元具有空间整合特性和阈值特性； ( 4 ) 神经元输入与输出间有固定的时间延迟，主要取决于突触延搁； ( 5 ) 忽略时间整合作用和不应期； ( 6 ) 神经元本身是非时变的，即其突触时延和突触强度均为常数。 显然，上述假定是对生物神经元信息处理过程的简化和概括，它清晰地描述 了生物神经元信息处理的特点，而且便于形式化的表述。 根据上述假定，得到如下图3 1 所示构成神经网络的神经元的一般模型u ”。 沈阳理工大学硕士学位论文 五 恐 嵋， 、 ： 7 厶 ： 图3 1 人工