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远程故障诊断和纱线质量在线检测关键技术研究 r摘要 l 随着科技的进步和工业的发展，机器设备向着大型化、自动化和现代化的方向发展，其 功能越来越多，组成结构日趋复杂，各方面的性能指标要求越来越严。如何保证这些设备的 正常运行和预防事故的发生是工业生产中十分重要的问题。在众多的手段中，故障诊断是最 经济、最有效的。而设备远程监测与故障诊断又是当前工程诊断领域的主要发展方向。1 本文首先对设备故障诊断技术进行了全面的介绍和研究，提出工程诊断应向网络亿、智 能化方向发展的思想，在对传统设备故障诊断的组成、功能和实现手段等的研究基础上，提 出了一种新的远程设备故障诊断体系架构，针对国内企业的实际情况探讨了一种适合国内 企业应用的高效解决方案，即基于i n t e m e t 的远程设备故障诊断技术方案( i r d s ) 。在详细 介绍了整个1 r d s 的体系结构之后，对i r d s 中所涉及的一些关键技术进行了重点研究口 l 、监测、诊断信息的远程网络传输。详细介绍了动态哈夫曼数据压缩与解压技术以及 一小波变换与j p e g 技术相结合的图像压缩与解压技术； 2 、现场总线技术在i r d s 中的应用。通过对流行现场总线的全面比较，给出了选择现场 总线的一般标准，建立了i r d s 中基于现场总线的控制系统网络模型，指出了i r d s 中客户端现场监控系统通过现场总线和i n t e r n e t i n t r a n e t 的集成方式： 3 、故障诊断专家系统的网络运行。给出了构建基于动态w e b 技术的故障诊断专家系统 的两种途径，建立了基于动态w e b 技术的故障诊断专家系统结构，并对其中所用到 的一些动态w e b 技术做了详细的介绍和比较： 4 、i r d s 中的信息存取技术。首次将数据仓库技术引八到了设备故障诊断领域。介绍了 数据仓库技术的特点以及与数据库技术相比的优越性，并对工程诊断中典型数据仓 库技术的组成结构和各部分的功能做了比较详细的阐述，在此基础上建立了数据仓 库的实体关系模型，给出了设各故障诊断数据仓库的设计、开发方法和步骤： 5 、故障特征的提取。主要研究了小波分析技术在设备故障特征提取中的应用。从工程 诊断的角度出发，综述了小波理论的主要概念、新颖性和与传统时域、频域分析方 法的区别，对小波变换的数学理论作了直观的说明，重点对离散正交小波变换和多 分辨率分析进行了详细的介绍，并在函数空间上将两者统一起来根据最优化理论， 建立了适合于一般信号分折的小波基构造方法，突出了工程诊断中选用小波基函数 的要点。并将小波分折技术应用于具体的课题纱线质量在线检测与故障诊断系 统中的故障特征提取。y 本文第二部分主要研究了纱线质量的在线检测与故障诊断技术。通过需求分析，给出了， 在线检测系统的一般解决方案和其中数据仓库的设计方法，重点对小波分析技术和谱分析技 术在纱线质量在线检测与故障诊断中的应用进行了探讨。首次将小波分折这一强有力的工具 和谱分折技术相结合应用到纺织行业的纱线质量在线检测和故障诊断中，并开发了相应的应 用系统。 关键字：远程故障诊断，小波分析，在线检测，特征提取，纱线 f t r e s e a r c ho i lt h e k e yt e c h n o l o g i e s o fr e m o t e f a u l t d i a g n o s i s a n do n l i n eq u a l i t y i n s p e c t i o no f y a r n a b s t r a c t ：w i 山t h e d e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m a c h i n e sa l eb e c o m i n gm o r e a n dm o r em a c r o - s c a l e a u t o m a t e da n dm o d e r n1 1 1 ef u n c t i o n sa n ds t r u c t o r e so f 山e ma r em o r e a n dm o r ec o m p l i c a t e d t h ep e r f o r m e n c ei sa l s ob e c o m i n gh i e , h o ra n dh i g h e r h o wt ok e 印 t h e s em a c h i n e si no r d e ra n dg u a r da g a i n s ta c c i d e n t si sv e r yi m p o r t a n t a m o n gl o t so fm e t h o d s f o ra c h i e v i n gt h i sg o a l ，f a u l td i a g n o s i si st h em o s te c o n o m i c a la n de f f i c i e n tw a y a r t dr e m o t e f a u l td i a g n o s i so fm d 谢a l e q u i p m e n t si st h em a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o ni nc u r r e n te n g i n e e r i n g d i a g n o s i sf i e l d i nt h ep a p e rt h ei n t r o d u c t i o na n dr e s e a r c ho f e q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i si sf w s tp r e s e n t e d i t i sp r o p o s e dt h a te n g i n e e r i n gd i a g n o s i ss h o u l di n t e g r a t ei n t on e t w o r ka n db ci n t e l l e c t u a l i z e d o n t h eb a s i so fs t o d y i n go ft h e c o m p o n e n t s ，f u n c t i o n sa n d r e a l i z a t i o na r e a n so fc o n v e n t i o n a l e q u i p m e n t f a u l td i a g n o s i s , an o v a ls y s t e mf r a m eo f r e m o t ef a u l td i a g n o s i si sp u tf o r w a r da i ma t t h ec o r r e n ts i t u a t i o no fn 撕o n a lc o r p o r a t i o n s ，as u i t a b l ea n dh i g he f f i c i e n ts o l u t i o ni s b r i n g f o r w a r d t h a ti sh i t e m e t - b a s e dr e m o t ef a u l td i a g n o s i so f e n g i n e e r i n ge q u i p m e n t s s o m ek e y t e c h n o l o g i e sc o n c e r n e di nt h ei r d sa r cr e s e a r c h e dm a i n l ya f t e rt h eb r i e fd e s c r i b eo fi t ss y s t e m s l y u c t u r e t h e y a r ea sf o l l o w i n g 1 r e m o t et r a n s p o r t a t i o no fm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i si n f o r m a t i o nt h et e c h n o l o g yo f d y n a m i c h u f f m a nd a t a c o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o n a n d i n t e g r a t e di m a g e c o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o na l g o r i t h mo fw a v e l e tt r a n s f o r ma n dj p e ga r ee x p o u n d e di n d e t a i l 21 1 l e a p p l i c a t i o no ff i e l d b u s b yc o n t r a s to fp o p u l a rf i e l d b u s e s as t a n d a r do fc h o o s i n g k l d b u si sg i v e n mn e t w o r km o d e lo fc o n t r 0 1s y s t e mb a s e do n 丘e l d b u s1 1 1i r d si s d e s i g n e d t h em e t h o d so f i n t e g r a t i n gc l i e n tm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hi n t e r n e l f i n t r a n e tv i a f i c l d b u si ni r d si sg i v e n 3h o wt or u nc o n v e n t i o n a lf a u hd i a g n o s i se x p e r ts y s t e m si ni n t e r n e tt w om e t h o d so f c o n s t r u c t i n gw e b b a s e df a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e ma r eg i v e n t h ef r a m eo fw e b b a s e d f a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e m s i sa l s o p u t f o r w a r ds o m em a i nd v n a m l cw e b t e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e da n dc o n t r a s t e di nd e t a i l 4 i n f o r m a t i o na c c e s st e c h n o l o g yi ni r d s d a t aw a r c h o u s et e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t o t h ef i e l do fe q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t aw a r e h o u s ea n d e n n t r a s to fd a t aw a r e h o u s ea n dd a t a b a s ea r cp m s e n t e dm c o m p o s 甜s t r u c t u r eo fd a t a w a r e h o u s ea n dt h ef u n c t i o r so f e a c hp a r ta r ee x p o u n d e di nd e t a i l a n dt h eb o d v r e l a t i o n m o d e lo fd a t aw a r e h o u s ei sb u i l tu pt h ed e s i g n m ga n dd e v e l o p i n gm e t h o d sa n ds t e p s a r ea l s og i v e n 5 f a u l tc h a r a c t e r i s t i c se x t r a c t i o n i ti s m i n i ) , a b o u tt h ea p p l i c a t i o n o fw a v e l e ta n a l y s i s t e c h n o l o 目, 。i ne q u i p m e n tf a u l te x t r a c t i o n f r o mt h ep o i n to f e n g m e e r i n gf a u l td i a g n o s i s ， t h ep a p e rg i v e sm a i nc o n c e p t so fw a v e l e tt h e o r ya n di t sn o v e l b t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n w a v e l e ta n a l y s i sa n dc o n v e n t i o n a ls i g n a la n a l y s i si nt i m ed o m a i na n ds p e c t r u md o m a i ni s a l s op r e s e n t e dt h em a t h e m a t i ce x p l a n a t i o no fw a v e l e tt r a n s f o r mi sg i v e n1 1 1 ed i s c r e t e _ j o r t h n g o n a lw a v e l e tt r a n s f o r ma n dm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i si si n t r o d u c e di nd e t a i la n d u n i o n i z e di nt h es p a c eo f f u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fo p t i m i z a t i o n , t h em e t h o d o fc o n s t r u c t i o nw a v e l e tb a s i sf o rc o m m o ns i g n a l a n a l y s i si sg i v e n t h ek e yp o i n to f c h o o s i n gw a v e l e t b a s i si ne n g i n e e r i n gf a u l td i a g n o s i si ss t o o do u t i nt h ep a p e rt h ew a v e l e t a n a l y s i st e c h n u l o g yi sa d o p t e di nt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o no fo n l i n ey a r nq u a l i t y i n s p e c t i o na n df a u l td i a g n o s i s t h es e c o n dp a r to ft h ep a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ho fo n l i n ey a r nq u a l i t yi n s p e c t i o n a m tf a n td i a g n o s i s b yr e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，as o l u t i o no fo n l i d om o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e m e t h o do fd e s i g i i i r i gd a t aw a r e h o u s ea r cg i v e n ，t h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e ta n a l y s i sa n d s p e c t r u ma n a l y s i s i no n l i n ey a r nq u a l i t yi n s p e c t i o na n df a u l td i a g n o s i si s e x p o u n d e di nd e t a i l w a v e l e ta n a l y s i si si n t e g r a t e dw i t hs p e c t r u ma n a l y s i s a n dt h i sn e wp o w e r f u lt o o li sa d o p t e di n t h ef i e l do fo n l i n ey a r ni n s p e c t i o na n df a u l td i a g n o s i si nt e x t i l ei n d u s t r y t h er e l a t e da p p l i c a t i o n s y s t e mi sa l s od e v e l o p e d k e y w o r d s ：r e m o t ef a u l td a i g n o s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s ，0 u r i n ei n s p e c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c t e x t r a c t i o n ，y a r n 一-_一 j t c t 一一 圭塑銮望查兰苎主堂丝兰苎 第一章绪论 1 1 远程故障诊断的研究背景 1 1 1 设备故障诊断的意义 随着科学技术和工业的发展，特别是电子技术、计算机技术的发展和工业生产率的提高， 现代机器设备向着大型化、高速化、连续化、精密化、系统化以及自动化等高度现代化方向 发展，其功能越来越多，组成结构目趋复杂，工作效率日益提高，生产体系规模越来越大， 各方面的性能指标要求越来越严”川。但与此同时也随之产生了各种各样的问题，并对设备 维修提出了更高的要求，因为现代化太生产中，旦机器设备发生故障，哪怕是小小的局部 失灵，都有可能导致整台设备停止运转，造成整条生产线或整个自动化车间停产。甚至带来 严重的灾难性后果。如】： ( 1 ) 1 9 7 9 年3 月美国三里岛核电站由于系统的误判断和误操作，导致堆芯严重漏损： 放射性物质释放，不仅造成几十亿美元的经济损失，而且因此引起居民示威游行， 迫使国会出面干预调停。整个事件震撼了世界； ( 2 ) 1 9 8 6 年4 月，前苏联乌克兰切尔诺贝利核电站的爆炸造成2 0 0 0 多人死亡+ 几万 名居民撤离原居民区溢出的放射性物质，污染了整个西欧上空，带来近3 0 亿美 元的巨大损失，而且还影响了国际政治关系： ( 3 ) 1 9 8 4 年1 2 月，印度博帕尔农药厂的异氰酸甲酯毒气泄漏事故。造成2 0 0 0 多人死 亡，2 0 多万人受害的空前工业事故。这个灾难性事件，人们记忆犹新； ( 4 ) 1 9 8 7 年，英国、菲律宾相继发生海上运输重大沉船海难事故，造成了几百 死亡 的悲剧； ( 5 ) 1 9 8 7 年，困飞机机身结构疲劳断裂破坏，日本群马县上空发生飞机坠毁，造成机 上4 0 0 多名乘客和机组人员无一生还的悲惨空难事故： ( 6 ) 9 8 6 年i o 月与1 9 8 8 年2 月，我国先后于山西和陕西，发生两起2 0 万千瓦发电站 机组由于运行失稳和机组烈振，导致轴系断裂、零件飞出毁坏厂房的恶性事放： ( 7 ) 工厂中高压容器、锅炉、大型球罐发生爆炸破裂，造成严重后果的现象和事件， 十分频繁，屡见不鲜，较难统计。等等。 这些令人震惊的恶性事故，不仅造成了巨大韵经济损失，对人们的生命财产和安全掏成 了巨大的威胁，而且给人们带来了巨大的心灵剖伤。所以人们不得不花费大量的时间和费用 来进行机械瑷备的维修。但是没有故障诊断技术参与的机械设备维修，不仅是对时间、金钱、 力和物力的巨大浪费而且也严重制约了维修体制的已奠革和现代工业的发展。i f 是由于这 些原囡，自6 0 年代起人们已经开始慢慢重视机械设备的放障诊断了，并逐渐认识到了在现 代业生产中发展和应用故障诊断技术的重要性、必要性和迫切性。设备故障诊断接术也正 l 上海交通大学博士学位论文 是在这种情况下得以迅速发展起来的。 在现代化工业生产中大力开展和应用机械设备故障诊断技术，提高设备运行的稳定性， 减少故障的发生率和控制恶性事故的发生，有着重大的社会和经济意义1 5 。1 ： ( 1 ) 极大地提高设备管理水平 现代科学技术和现代化管理，是提高经济效益的决定性因素，是促使经济走向新的成长 阶段的主要支柱。科学技术进步和管理水平的提高，将从根本上决定现代工业的进程。“管 好、用好、修好”设备，不仅是保证再生产的必不可少的条件，而且对提高企业经济效益， 推动国民经济持续、稳定、协调发展，有着极其重要的意义。而机械设备的状态监测与故障 诊断是提高设备管理水平的一个重要组成部分： ( 2 ) 提高了产品质量和设备的可靠性 运用实验研究、现场调查、状态监测、故障分析、数据积累等多种方法，研究部件与设 备系统的可靠性，以及故障发生的机理和过程，可以直接消灭故障增进设备的运行可靠性、 延长设备寿命，改善设各维修性，达到提高系统效能、降低系统寿命周期费用以及提高产品 质量的目的，对全力推行、加速贯彻质量管理和质量保证体系，适应国际贸易发展的需要有 着十分重大的意义： ( 3 ) 避免重大事故的发生减少事故危害性 采用设备故障诊断技术改善现代设各维修体制，可烈预防和减少现代化工业生产中重大 事故的发生直接带来巨大的经济效益和社会效益： 从表l l 和表l 一2 所列出的一些国内外设备故障诊断技术应用实例，我们可以看出采 用设备故障诊断技术后，在提高经济效益、减少事故发生率、节省维修费用、提高产品质量 和企业管理水平等方面的重大经济价值和社会意义： 表l 一】几个发_ 达国家采用设备故障诊断技术前后的经济效益对比( 5 1 t a b l e1 一】e c o n o m i ce f f e c tc o n f f a s tb e t w e e n u s m gf d d a n dw i t h o u t u s i n gf d d a m o n gd e v e l o p e d c o l l i q t r l e ：s 是否采样设备故障 国别统计内容经济效益与社会效益 诊断技术 对工业设备l 、降低维修费用( 一般) 2 5 2 6 采用设备故障诊断 日本 总的统计2 、减少事故发生率7 5 技术以后 对2 0 0 0 个工 1 、每年节省维修费用3 亿英镑 采用设备故障诊断 英国2 、而用于诊断技术手段的费用仅为05 厂调查表明技术以后 亿英镑 1 9 8 0 年度维 l 、用r 工业设备维修费用2 4 6 0 亿美元 未大力开展设备故 美国2 、用于铁路部门维修费用i j 3 亿美元：( 同 修费用统计障诊断技术之前 年全美税收总额不过7 5 0 0 亿美元) c 上海交通大学博士学位论文 表l 一2 开展设备故障诊断技术的经济效益和对企业发展意义的举例脚 t a b l e1 - 2 e x a m p l e s o f e c o n o m i ce f f e c ta n d t h es i g n i f i c a n c e t o t h o d e v e l o p m e n to f c o r pu s i n gf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y 获益企业采取的主要措施与对企业发展 经济效益与减免事故 ( 部门)手段的意义 l 、全厂设备事故损失费：每千元1 、1 9 8 5 年开始抓人1 、设备故障诊 产值计由0 8 8 元下降到o 0 6员组织、诊断仪断技术直接 元( 1 9 5 5 1 9 9 1 年间统计)器、技术培训三渗透到维修 2 、未开展设备_ 故障诊断技术前，落实工作 马鞍山钢 年维修费用为2 _ 3 2 7 亿元2 、全面开展简易诊2 、全公司由静 铁公司 3 、开展设备故障诊断技术后，单断、重点开展精态管理向动 初轧机就可省一次大修，可多密诊断态管理过渡 出产值1 9 2 0 万元3 、全公司开展点减 与定修工作 】、防止车辆燃轴事故2 9 1 万件1 、开展设备故障诊l 、改善了铁路 ( 1 9 7 9 1 9 8 6 年间统计)断技术工作运输 2 、相当与增加运输收入2 个亿2 、采用红外诊断技2 、事故减至原 铁路系统 术 来的1 1 4 ： ( 1 9 8 6 年与 1 9 7 8 年比) i 、平均延长架修3 次以上最多l 、1 9 8 8 年开始试用l 、实行状态维修 广州铁路 的达9 次有关诊断技术2 、进行趋势管理 分局 2 、直接节约维修费用4 9 5 2 9 元2 、采样1 0 0 3 4 个 l 、大幅减少维修时间采用现代诊断技术l 、进企业技术 2 、预测故障，制定每佳维修方案进步 沈阳第 3 、节约人工、材料等费用2 、提高机床加 机床厂 4 、丽年企业增益百万余元工质量 3 、改善劳动条件 1 1 2 国内外设备故障渗断技术的研究、发展和应用状况 1 i 2 1 设备故障诊断技术的发展 磅断这个术语含义相当广泛，被应用于许多领域，如：医学诊断、企业诊断、环境监测 诊断等。在工程领域中，有以机械设备、电子仪器、基础桥梁、工程结构，乃至计算机系统 为对象的各种渗断。与医学领域中的诊断相比，设备诊断开展得比较晚历史比较短它的 水甲和成熟程度部比小上医学诊断。虽然如此：但从6 0 年代中期开始，特别是7 0 年代以来， 3 上海交通大学博士学位论文 设备故障诊断技术的发展速度、研究规模和所取得的成果，以及达到的应用程度都是十分令 人鼓舞的。之所以如此，是因为在6 0 年代人们已经开始认识到发展设备故障诊断技术的重 要性和迫切性。如美国1 9 6 1 年具有划时代意义的阿波罗计划的执行；日本1 9 6 4 年作为技术 进步象征的新干线和东京奥林匹克体育场的建成：英国1 9 7 0 年从节省资源和降低成本角度 出发关于设备综合工程学和寿命周期费用问题的研究，都给发展设备诊断技术以极大的推动 力。从技术背景方面看，6 0 年代是计算机和电子技术大发展的年代，快速傅里叶变换和算 法语言的出现，将信号分析技术从硬件到软件推向了新的高度。设备系统和产品零件可靠性 工程的发展以及对零件失效机理的深入研究，如声发射技术、红外测温技术、油样分折技术、 振动信号谱分析技术以及各种无损检测技术的出现和大力发展，都在硬件和软件两个方面极 大地推动了设备故障诊断技术的发展。但晟重要的还是随着工业生产和科学技术的发展，人 们将机械设备的可靠性、可用性、可维护性、经济性与安全性提到了新的应有高度，进行了 可靠性工程的研究采用了设备全寿命管理，贯彻了全面质量保证体系制度与标准 1 4 1 。 2 2 主要发达工业国家设备诊断技术的发展与研究状况 l 、美国 美国是开展和应用设备故障诊断技术较早的国家，对设备故障诊断技术非常重视。早在 1 9 6 2 年就召开了一系列故障诊断会议，如第一次可靠性维修性会议，第一次故障物理讨 论会，冗余设计和冗余技术讨论会等：1 9 6 4 年美国通用电力公司( g e ) 开发部开始执行 机械信号分析研究计划( m s a ) ：军事部门也相继研发了批初级的监测诊断技术产品，在 可靠性工程等方面为开展设备故障诊断技术打下了坚实的基础；并且为了解决技术进步和工 业发展【特别像阿波罗计划这类尖端技术的提出) 在保证机械设备安全性、可靠性方面所面 临的巨大压力和挑战，咀及缓解设备发生故障日益尖锐的矛盾1 9 6 7 年4 月1 8 1 9 日，在 美国宇航局( n a s a ) 倡导下，由美国海军研究室( o n r ) 主持，召开了美国机械故障预防 小组( m e p g ) 成立大会，进一步推动了故障诊断技术在美国的应用和发展1 5 。7 l 。 美国的一些主要研究诊断技术的单位多年来研究成果累累，不少已经达到先进实用水 平。如美国机械工程师学会( a s m e ) 领导下的锅炉压力容器监测中心( n b b i ) ，通过对锅 炉压力容器和管道等静态设各诊断技术的大量研究，制定了一一系列有关静态设备设计、制造、 试验和故障检铡以及预防的标准和规程；j o h n s m i t c h e l 公司的超低温水泵和空压机的监测技 术，s p i r e 公口l 用于军用机械的轴与轴承诊断技术，t e d e c o 公司的润滑油分析诊断技术 等等部在国际上具有领先地位。航空运输方面的飞行器数据综台系统( a i d s ) ，也已普遍用 于b 7 4 7 、d c 9 等巨型客机，大人提高了e 机的安全性p 。“。 2 、英国 英国列设备故障诊断技术的研究l 作最初始于6 0 年代未7 0 年代初，从r a c o l l a c o t t 为首的英国机械健康监测中心( ukm e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n g c e n t c r ) 开始。存宣传、 培洲、咨询、资车斗交流及诊断技术的升发等冉面都取得r 很好的成效。但到了7 0 年代末l 、 后研究活动进展小人。1 9 8 2 年由曼彻斯特人学的教授发起创立r 袄福森上业维修公n l c 上海交通太学博士学位论文 ( w 1 m u ) ，大力开展设备故障诊断方面的研究和咨询活动，使设备故障诊断技术又有了较 快的发展。在核发电方面，英国原子能机构( u k a e a ) 下设的一个系统可靠性服务站( s r s ) ， 专门从事核发电设备故障诊断技术的研究，并取得了很大的成果，另外，该服务站还起到了 英国故障数据中心的作用。在钢铁和电力工业方面英国也有相应的研究机构提供设备诊断技 术和服务，总之，在英国，设备诊断技术的引进、开发和推广工作都在政府的有力指导下进 行，这是它的一个特点 5 , 1 1 - 1 4 1 。 3 、欧洲 设备故障诊断技术的研究和应用在欧洲一些国家也有很大的进展，他们虽然在广度上的 开展力度不太，但都在某一方面具有特色或占世界领先地位。如瑞典的s p m 轴承监测技术， 挪威的船舶诊断技术等。 4 、日本 如果说美国的设备故障诊断技术在航空、核工业及军事方面占有领先地位，那么日本则 在某些民用工业，如锅铁、化工、铁路等方面占有一定的优势，并且发展很快。日本的做法 是密切注视世界故障诊断技术发展动向，积极引进和消化最新诊断技术，努力发展自己的诊 断技术，特别注意研制本国的诊断仪器和产品。日本国立研究机构中的机械技术研究所和船 舶技术研究所重点对机撤基础件的诊断技术进行了研究。在日本，高等学校开展诊断技术研 究的也不少，比较有名的有东京大学、东京工业大学、京都大学、早稻田大学等，它们均发 表了不少基础性的研究报告。 另外，在日本一些民办企业也积极参与了设备故障诊断技术的研究，如三菱重工、川崎 重工、日立制作所、东京芝浦电气、东京小野测器、国际机械振动( i m v ) 公司、日本住友 化学工业公司等。虽然它们的研究工作是在企业内部以营业为中心开展的但部具有较高的 应用水平，且发表了不少高水平的论文。 1 1 2 3 我国设备诊断技术的发展和研究状况i 。1 早在1 9 7 9 年以前，国内的一些大专院校和科研单位就已经结合教学和有关设备故障诊 断技术的研究课题逐渐开始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论研究工作和小范 围工程实际应用研究，特别是某些工厂、某些机组的事故频繁发生，促进了我国对设备故障 诊断技术的重视。 1 9 7 9 年到1 9 8 3 年全国有较多的企业相继开展了设备状态监测与诊断维修，使机械设备 故障诊断技术从初步认识进入到初步实践的阶段。1 9 8 3 年初，原国家经委和有关部门，把 开展设备故障诊断工作的要求正式纳入国营。业交通企业设备管理试行条例之中指出 了设备故障诊断技术要为维修体制改革服务的方向，从而把设备故障诊断技术工作列入r 氽 业的管理法规。该条例的公布与实施，对促进和发展我国设备故障诊断技术，具有划时 代的意义。 1 9 8 3 年春中国机械工程学会的设备维修学会，在南京召f 了首届设备故障诊断技术 专题座谈会，交流j r 国内外设备故障诊断技术的发展情况，分析r 国内企业的设备现状以及 圭堡窒塑查堂坚圭堂垡丝兰 大力开展设备故障诊断技术的必要性：同时也看到了与国外相比我国在设备故障诊断技术方 面存在的巨大差距。 1 9 8 4 年秋，原机械工业部邀请日本设备故障诊断技术委员会访华，在北京和成都举办 专题讲座，系统介绍了设备故障诊断的相关知识，使国内对设备故障诊断技术在日本的发展 有所了解。 1 9 8 5 年春，在郑州正式成立了以“机械设备故障诊断”命名的研究会，并于次年加人 中国振动工程学会，更名为“故障诊断学会”，同年在沈阳召开“第一届全国机械设备故障 诊断学术年会”。 1 9 8 5 年以后，国内在设备故障诊断技术方面的研究得到了十分迅速的发展，专题性会 议和技术交流活动十分活跃，与国际学术交往也逐渐频繁起来，同时与企业相结合的设各故 障诊断技术应用也越来越广泛。 正是由于以上几方面的影响和努力，几年来我国工矿企业、工交部门对设备诊断技术的 认 只和实践有了较大的发展。 1 1 3 远程设备故障诊断的发展与研究现状 传统的设备故障诊断技术虽然比较成熟，但这些系统都是基于单机的或者是局部范围内 的诊断，其系统结构封闭知识难以共享，使得系统功能的扩展非常困难，系统的升级和维 护工作量非常庞大，诊断知识的更新、规则的提取、历史数据的分析等等也很困难。而且现 场诊断的方式使得诊断工程师一直处于疲于奔命的状态。所以迫切需要一种能在远程对设备 进行监测和诊断的技术来实现异地设备监测和诊断。 近些年来随着i n t e r n e t 技术的飞速发展、w e b 数据库的出现、i n t c r n c t ，i n 口e t 的普及 和网络技术的广泛应用，给设备故障诊断技术带来了新构思路与前景”。“。将 i l i t e m 枷n 廿a n e t 技术与故障诊断技术相结合，可构造一种全新的故障诊断系统即基于 i n t e r n e t 的远程诊断系统( i r d s ：i n t e r n e t b a s e d r e m o t e d i a g n o s i ss y s t e m ) ，它包括远程监测 与诊断，通过在技术力量较强的科研单位或院校建立远程诊断中心，在企业的重要设备上建 立状态监测点，采集设备状态数据并传送到远程诊断中心进行诊断，为企业提供远程技术支 持和保障。这种跨越企业和研究机构时空距离的远程设备故障诊断系统是传感测试技术、计 算机技术、通信技术、w e b 数据库技术与故障诊断技术相结合的产物，是种全新的设各 故障诊断模式近些年来引起了国际国内众多研究者的关注。 1 1 3 1 远程设备故障诊断技术概述 远程设备故障诊断技术，是利用网络系统在异地对远程的现场设备实施监视、测试，并 根据测试数据进行故障的预报和诊断的技术1 。其中远程故障监测是对现场设备进行在线 实时监视、测试，通过远程网络把反映设备运行情况的实时图像和测试数据传送到进行预报 或诊断的远程诊断中心，由预报模块和诊断模块处理。远程监测是远程预报和诊断的基础， 它为远程颓报和诊断提供r 依据。而故障预报的主要功能则是利用软件对监测数据进行分 析以判断设备运行是否会出现故障。如果有可能出现故障，则发出报警，并给出处理建议， 6 t 上海交通大学博士学位论文 阻避免故障的发生。 远程故障诊断的功能主要是通过故障诊断模块( 包括数据库、记录专家知识的知识库及 推理机等) 和各专家台作完成的。对于一些常见、多发故障，可通过故障诊断模块来实现， 此时无须专家介入；而对于那些大型事故或疑难故障，其故障的复杂性很高，要想通过只具 有简单推理机制( 相对专家而言) 的故障诊断模块得以解决，将是十分困难的，需要各方面 的专家共同对其分析诊断。由此可见，在i r d s 中，故障诊断的实现要比故障预报复杂的多， 它不仅仅是推理出故障和找出故障产生源的模块化算法问题，还需要在多个不同地点( 专家 可能来自多个地方) 通过远程网络提供诸如虚拟会议的多方协同诊断环境，其中包括多方的 可视动态图象，需要讨论故障的原始信息、现场的监测情况蚍及相关的历史数据等等。所以 基于i n t e r n e t 的远程故障诊断技术相对来说要复杂得多，难得多。 1 1 3 2 国内外发展与研究现状 最早实现监测诊断网络化的是美国的西屋公司，近年来美国南部电力公司、h i - l a n d 钢铁公司、q a j l t u m 化工公司、b e n t l y 公司等也相继发展了各自的状态监测诊断网络。1 9 9 7 年1 月，首届基于l m o m e t 的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办。 来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表与会。与此同时，密执安大学也在积极开展针对 机械加工的远程诊断和制造系统的研究工作，并在i n t e m e t 上设立了宣传站点。另外，许多 国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r y i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t o v e ns y s t e m s a l l i a n c e ) 、m f t p ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 、v i b r a t i o ni n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备故障诊断的 咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司还在他们的产品中加 入了h i t e r n e t 功能，如计算机在线设备运行状态监测系统d a t am a n a g e r 2 0 0 0 ，可以通过网络 动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设各运行状态：n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司 在其虚拟仪器产品l a b v i m v 中新增了i n t e r n e t 模块，可以通过w w w 、e m a i l 、f t p 等方式 发送测试数据等f 2 1 - 2 9 i 。 国内也基本上同步进入i r d s 的研究顿域 2 1 , 2 2 】，上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨 工业大学、华中理工大学和东南大学等已经开始从事工业领域的远程设备诊断技术研究，并 成立了一些设备故障远程诊断中心，建立了远程诊断站点。 另外e n t e k 、s o l t r a n 等大公司将其最新的网络化设备状态监测产品推向中国市场， 也进一步促进了我国学术界和企业界的网络化设备故障诊断意识，提高了我国设各故障诊断 技术的应用水平。 1 1 3 3 远程设备故障诊断的功能与特点 l r d s 是一个开放的分布式系统，它充分利用了i n t e m e t i n t r a n e t 技术的优势和分布式计 算的特点，将不同地域的设备、监控系统、诊断系统、研究者和使用者联系起来，动态形成 谚断服务网络。一个完善的i r d s 三要由远程诊断服务中心i r d c ( 1 m e r n e t b a s e dr e m o t e d i a g n o s i sc e n t e r ) 、设备用，“、设备设计制造商、第三方设备维护者子网及个人研究者等组 7 上海交通大学博士学位论文 成。其主要功能包括口t 2 “： ( 1 ) 远程数据获取，即诊断信息的远程采集和存储。诊断系统或研究人员能异地远程 获取所需要的数据，包括振动、声音、力、温度、油污染等信息； ( 2 ) 诊断信息初加工及远距离网络传输：包括对采集到的数字信号和图像进行预处理， 以及数据压缩和编码等； ( 3 ) 诊断任务调度与管理：将某一诊断请求按一定的策略进行分解然后分送不同的 诊断子系统或远程诊断中心进行诊断，对整个诊断过程进行调度，并管理和协调 多个诊断任务的运行； ( 4 ) 诊断规则数据挖掘和自学习：对诊断数据进行数据挖掘，自动提取信号特征，发 现产生故障的原因，并进行推理规则自学习：