2003_面上_基于模糊识别的制冷系统故障诊断研究.doc

a. 项目类别投送学科代码1 科学部编号AE06国家自然科学基金申 请 书项目名称: 基于模糊识别的制冷系统故障诊断研究申 请 者: 谷 波 所在单位: 上海交通大学邮政编码: 200030通讯地址: 华山路1954号电 话: （021）62933240传 真: （021）62932601申请日期: 2003年3月国家自然科学基金委员会一九九七年制 填 报 说 明一、填写申请书前，请先查阅国家自然科学基金有关项目申请办法及规定。申请书各项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨，字迹要清晰易辨。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。二、申请书为十六开本，复印时用B5复印纸，于左侧装订成册。第三页起各栏空格不够时，请自行加页。一式六份 （至少一份为原件），由所在单位审查签署意见后，按申报学科投送国家自然科学基金委员会对口科学部。地区科学基金项目，申请书另报送省 （自治区）科委一份原件。三、封面右上角“科学部编号”由对口科学部填写，项目类别和申报学科代码1由申请者填写。四、申请者和项目组中具有高级专业技术职务的主要成员申请（含参加）的项目数，连同在研的国家自然科学基金项目数（不含重点项目、重大项目），不得超过两项。五、同一项目组研究内容相近的项目，只允许报送一个科学部。六、申请者可因同类项目竞争等原因，提出不宜评议本项目的专家名单（姓名与单位，3人以内），附另页于申请书原件中，供科学部选择同行评议人时参考。科学部将对此信息保密。七、国家自然科学基金委员会通迅地址：北京市海淀区花园北路35号东门 邮政编码：100083一、简表名中文基于模模糊糊识别的制了冷系统故障诊断研究研称英文 Research on trouble diagnosis of refrigeration system based on fuzzy - identification究类别 A. 自由申请 B. 高技术探索 C. 青年 D. 地区 E 重大 F. 重点 H. 专项 A高技术探索 项目主题号项申报名称1工程热物理与能源利用名称2A. 基础研究目学科代码1E06代码2B. 应用基础A申请金额22万元起止年月2004年1月 至 2005年12月所用实验室 A. 国家重点 B. 部门开放B实验室编号姓中文谷波性A. 男出生年月1962年7月民名称汉名拼音Gu Bo别B. 女A身份证号310105620721281族代码01申请专业技术职务名称代码教授011学位A. 博士 B. 硕士 C. 学士 B博士学位授予国别或地区国(地区)名代 码A. 院士 B. 博士生导师 C. 博士后 所名称上海交通大学系（所）制冷与低温工程研究所单位代码20003001者在单性 质A. 高等学校B. 科研机构 C. 其它 A邮政编码申请者电话200030(021)62933240隶属关系名 称代 码 教育部 360位所在地 上海市 徐汇区 华山路 1954 号总人数高级中级初级博士后博士生硕士生参加单位数31 111主姓 名身份证号专业技术职务所在单位名称及代码项目中 的分工签 字项要王志毅 370702700628391博士生上海交通大学模型分析成黎远光 440103781201301硕士生上海交通大学负责实验目员组不含申请者1对制了冷系统的故故障进进行机理研究，用用模糊识识别别方法对对故故障表象和故障原因间的非非线性耦合关研摘系进行分析，建立制冷系统的股故障模式集集，构，构构造究造制制冷冷系系统统故故股障障诊诊断断的模模糊专家系统。本研究的内方法和结结果果对制冷系统的在线故障诊断和远程容要故障监控分析具有重要的理理论论基础意义和实际与应用价值.意义主题词1主题词数量不多于三个; 2主题词之间空一格（英文用/分隔）中文制冷系统冷系统故障诊断模糊识别英文Refrigeration system; trouble diagnosis; fuzzy-identification简 表 填 写 要 求一、简表内容将输入计算机,必须逐项认真填写,采用国家公布的标准简化汉字。简表中所有代码以最新发布的国家自然科学基金申请项目分类目录及代码为准填写。高技术探索课题主题号按高技术新概念新构思探索课题项目指南中主题号填写。申请其重点项目时项目类别也填B，并在申请书封面右上角加注“高技术新探索课题重点项目”。二、凡选择性栏目,将相应提示符A、B等之一填入该栏的右下角。三、部分栏目填写要求:项目名称应确切反映研究内容,最多不超过25个汉字(包括标点符号)。基础研究指以认识自然现象、探索自然规律为目的,不直接考虑应用目标的研究活动。应用基础研究指有广泛应用前景,但以获取新知识、新原理、新方法为主要目的的研究。申报学科申请项目所属的最基础学科。如涉及多学科可填写两个,先填为主学科。申请金额以万元为单位,用阿拉伯数字表示,注意小数点。起止年月起始时间从申请的次年1月算起。完成时间为完成年度的12月。所用实验室系指研究项目将利用的实验室，仅填写国家计委批准的国家重点实验室或部门批准的开放实验室。所在单位名称及代码按单位公章填写全称。例如“中国科学院西安光学精密机械研究所”不得填“中科院西安光机所”或“西安光机所”。全称中的数字,一律写中文,例如:航空航天工业部第七一研究所。首次申请国家自然科学基金的单位,尚未编入单位代码,其代码暂不填。参加单位数指研究项目组主要成员所在单位数,包括主持单位和合作单位（合作者所在单位）, 以阿拉伯数字表示。项目组主要成员指在项目组内对学术思想、技术路线的制定与理论分析及对项目的完成起主要作用的人员。本人应在申请书上亲自签名。本栏双线右侧内容不输入计算机。研究内容和意义摘要与主题词均录入软盘。2二、立论依据(包括项目的研究意义、国内外研究现状分析，并附主要参考文献及出处)对基础研究，着重结合国际科学发展趋势，论述项目的科学意义；对应用基础研究，着重结合学科前沿、围绕国民经济和社会发展中的重要科技问题，论述其应用前景。制冷的应用已渗透到社会的各个领域,其系统也日益复杂,设备趋于多样化和大型化,自控程度日趋提高。而制冷系统故障产生的现象也随之增多，且其带来的损失也在增大。因此，进行制冷系统的故障机理研究分析，建立有效、准确的故障判断模式，对制冷系统实时在线监控、故障先兆预测和系统的优化运行显得十分重要。80年代中期国际上开始将专家系统引入制冷空调领域，在故障诊断、能量分析、优化运行进行了较为深入的研究探讨。从1986年起，美国ASHRAE（American Societiy of Heating Refrigeration and Air-conditioning Engineering 美国采暖制冷空调工程师协会）年会都要举行基于知识的系统（Knowledge-based system）在制冷空调领域应用的专题研讨会；同年，美国Colorado大学J.S.Haberl 博士在ASHRAE 杂志上发表了“An expert system for buliling energy consumption analysis: Prototype Result”【1】的论文，标志着专家系统的研究开始进入制冷空调领域。此后，ASHRAE 杂志专门开辟了人工智能和专家系统的专栏。国外的研究主要在如下几个方面：1. 监控、预测和控制系统以最佳状态运行达到节能目的，这方面的研究以文献【1】为代表。2. 领域知识工程方面，包括以获取领域知识为目的的专家系统和对专家系统如何在制冷空调领域中实现的理论探讨文章，如文献【2】3. 故障诊断和设备维护，如文献【3】【4】，其中文献【3】是制冷空调领域故障诊断专家系统研究的最早文章，文献【4】则探讨了在线故障诊断在大楼空调系统中的应用。国际能源组织的IEA Annex17、21、 25等多项子课题项目均把制冷空调系统的故障诊断作为一个重要课题来进行研究，如香港理工大学的王盛卫博士领导的Annex35、荷兰Delft大学进行的DDS研究（Digital Diagnosis System） 数字式故障诊断系统）都表明国际学术界对此非常重视， 故障诊断已成为制冷空调领域重要的研究方向。1987年，在清华大学彦启森教授的提议下，国内开始了专家系统在暖通空调制冷领域的应用研究，南京工程兵学院的马吉民(彦启森教授的研究生)是最早进行该方面研究的，他的研究是用Turbo Prolog 语言设计了一个用于开发设备故障诊断和修理的专家系统DFDRT,并用它实现了一个制冷系统故障诊断和修理专家系统实验原型。文献【7】建立了一个家用电冰箱故障识别的专家系统Redias,文献【8】则对故障识别在制冷系统中的实现进行了理论分析。但国内故障诊断的研究都是针对离线非实时的。 随着技术的高速发展和应用领域的扩展，制冷系统的日趋多样化和复杂化， 系统控制程度也在不断提高，制冷系统不论是从实际的物理流程来看还是从控制流程和信号输出/输入关系来看已经不是一个单独的、孤立的设备“源”，从系统角度来看。它是某个应用环境下具有上下游关系和信号反馈的“元件”， 应用环境的有效维持将依赖于制冷3二、立论依据（续1）(包括项目的研究意义、国内外研究现状分析，并附主要参考文献及出处) 系统的高效和正常运行。由于制冷空调系统故障产生的概率在增大，且故障发生后的直接和间接损失也在增大，因此，对故障产生的原因和现象进行机理研究，分析故障现象和原因之间的耦合对应关系，建立故障现象和原因的判断机制理论、进行故障的先兆分析和预警模型，不仅在基础理论上有重要价值，而且今后在实际应用中也具有重大的意义。 本研究将采用模糊识别方法来对制冷空调系统的故障诊断和故障先兆预测理论进行研究，以此方法产生的专家系统将是一个混合型制冷专家系统：数学计算处理专业模式计算分析传统专业知识，它将更有效地对制冷系统的故障信号进行实时在线处理以及分析判断信号与原因之间的耦合关系。 有效的数学处理方法（模糊识别、人工神经网络）和信息处理技术（软件和硬件）的日甑完善使制冷空调系统的故障诊断的理论研究有了强大的技术支持和在线实时应用的可能性，制冷系统故障诊断理论的研究对制冷装置的群机局域网监控、设备的远程监控专家系统建立以及企业建立统一的维修管理中心有着重要的意义。 参考文献 1.J.S.Habell, ”An Expert System for Buliding Energy Comsumption Analysis:Prototype Results” ASHRAE Trans.1987 2. S.T.Liu,G.E.Kelly,”Knowledge-based Front-end Input Generating Program for Buliding System Simulation” ASHRAE Trans.1988 3. Charlies H.Culp”Expert System in Preventive and Diagnotics” ASHRAE Trans.1989 4. G.M.Kater,Jr.P.E”Embeded Expert System Development for Monitoring Packaged” ASHRAE Trans.19905. MASSIMO DENTICE D”ACCADIA and FILIPPO DE ROSSI,THERMOECONOMIC ANALYSIS AND DIAGNOSIS OF A REFRIGERATION PLANT,”Energy Convers.Mgmt Vol 39 No 12 pp 1223-1232,19986.Chi Ki Sun,”Intelligent diagnostic system for a solar heating system,”Expert Systems with Application 16(1999) 157-171 7孙国平“故障诊断专家系统在制冷系统中的实现研究”上海交通大学硕士学位论文 1994年 8. 鲍士雄 赵鹏 谷波“ 制冷系统故障诊断中模糊识别技术应用”制冷学报 2 / 19989.王志毅,谷波 .基于小波分析的制冷压缩机故障诊断研究.压缩机技术,10王志毅,谷波.神经网络故障诊断技术在暖通空调系统应用的可实现性.建筑热能通风空调，2002(1):35-384三、研究方案1. 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 研究目标a. 获得制冷系统故障判断准则b. 建立制冷系统故障诊断模型c. 建立制冷系统在线故障诊断和故障先兆预测专家系统研究内容a. 建立制冷系统故障知识库b. 构造模糊模式匹配模型c. 建立混合专家系统d. 建立制冷系统在线实时故障匹配模型和预报模型拟解决的关键问题a. 研究确定制冷系统故障的模糊集隶属度函数b. 寻找合适的模式匹配算法c. 模式匹配权系数的研究d. 各故障模式的可信度阙值确定62. 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案和可行性分析研究方法 将模糊专家系统制冷系统故障诊断领域，建立制冷系统故障知识库，运用模糊模式匹配方法构造混合专家系统，建立制冷系统故障诊断的判断和预测模型；通过实验来修正、优化模型 技术路线a. 建立领域知识库，它包括制冷领域中与具体应用对象无关的普遍性规则和事实b. 建立全局数据库，与具体应用对象有关的规则和事实则存放于此；在推理过程产生的规则和事实也存放于此c. 建立混合专家系统的推理和执行机构，该机构的功能是将知识工程用推理和计算来表述d. 建立制冷系统模糊模式匹配故障诊断模型e. 进行制冷系统典型故障试验，建立在线故障诊断和先兆预测分析 实验方案和可行性分析 试验将在风冷和水冷热泵机组上进行，其制冷量在330KW之间，主要信号数据采集如下：a. 温度信号：蒸发器、冷凝器、节流元件、气液分离器的进出口；压缩机的进出口和顶部、底部b. 压力信号：蒸发器、冷凝器、节流元件的进出口c. 流量信号： 系统的制冷制冷剂质量流量，在过冷器之后测试；水流量测试；风机的风量测试d. 电量信号：压缩机、风机、水泵的输入功率、电压、电流该试验系统主要特点是制冷剂的流量测试需在冷凝器后加上一个适当的过冷器，以保证进入质量流量计的制冷剂全部为液体状态，其余试验部分与常规试验接近；且制冷系统是一个带有迟延二阶响应系统，目前的数据采集处理系统（如FLUKE数据采集器）在信号采集速度和容量上完全能达到要求。3.本项目的创新之处a. 将模糊识别处理方法引入制冷系统的故障诊断研究中b 建立制冷系统故障诊断的混合专家系统c 可应用于制冷系统的在线故障诊断 4 年度研究计划及预期研究进展2004.12004.5 建立制冷系统故障知识库2004.62004.12 建立全局数据库；开始建立试验台 2005.12005.4 建立混合专家系统的推理和执行机构 2005.52005.8 建立制冷系统模糊模式匹配故障诊断模型；进行制冷系统故障 实验2005.92005.10 进行制冷系统典型故障试验，建立在线故障诊断和先兆预测分 析2005.112005.12 完成项目总结报告5 预期研究成果 a. 形成制冷系统故障诊断模糊识别理论和模型b. 形成制冷系统故障先兆预测理论和方法 c. 在SCI、EI类期刊上发表论文46篇 8四、研究基础1. 与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩 申请人和课题组成员一直从事制冷空调系统的数值模拟与制冷系统故障诊断技术研究, 发表论文多篇(详见3)。指导3届硕士研究生进行制冷系统故障诊断方面的研究，曾获上海市科技进步一等奖1次; 上海市科技进步二等 奖1次（“制冷空调系统故障诊断及其模拟技术”1998年）; 国家教委科技进步二等奖1次。在多年的研究中积累了大量数据和经验，并取得了一定的成果。在1996和1997年为美国特灵空调有限公司和摩洛哥王国开发设计了“制冷空调系统故障模拟设置和诊断实验装置” 。2. 已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径（包括利用国家重点实验室和部门开放实验室的计划与落实情况）申请者所在单位具有很好的实验条件和计算机条件, 目前, 我们已和海尔集团、美国Lennox公司建立了合作研究中心(包括制冷空调仿真中心和高低温环境室),部分实验将在企业的实验中心完成 。学院和研究所对本项目的研究高度重视, 在科研用房、人员配备方面给予很大支持。 目前要进行该项目的研究，尚需建立1个制冷装置故障模拟和设置实验系统；另外，尚缺少制冷剂流量测试的采样仪器，拟通过国家自然科学基金的资助来购买。我们将在上海交大动力与能源工程学院的国家重点实验室“振动、冲击和噪声实验室”进行系统的噪声测试分析实验。申请者所在单位在2000年获得上海交通大学985重点学科建设资助。申请人所在学术梯队学术气氛活跃, 成员科研素质高, 凝聚力强, 具备了很好 的研究条件和基础。93. 申请者和项目组主要成员的学历和研究工作简历，近期已发表与本项目有关的主要论 著目录和获得学术奖励情况及在本项目中承担的任务；青年科学基金申请者还应注明学位论文名称和导师姓名与工作单位申请人简历谷波 男 1962年7月出生 教授 主要学术研究方向: 1.制冷空调系统数值仿真和优化匹配. 2. 制冷空调系统的故障诊断研究. 3. 制冷空调系统工质替代研究.获奖记录: 获1990年上海市科技进步一等奖; 1998年上海市科技进步二等奖; 1991年 国家教委科技进步 二等奖; 1998年和1999年两次获上海交通大学优秀教师一等奖;申请人一直从事制冷空调系统传热、流动的数值计算和故障诊断研究, 是上海交通大学机械与动力工程学院的骨干教师。在本次项目中为总负责。项目主要成员: 王志毅 男 博士生 1970年生。现为上海交通大学制冷及低温工程专业博士研究生。研究方向为：空调装置的故障诊断模糊识别计算研究。 在本项目中负责制冷系统故障诊断的理论建模分析和模拟试验台的工作。黎远光 男 1978年 12月出生 硕士研究生 于2001年上海交通大学制冷及低温工程专业本科毕业, 现为上海交通大学制冷及低温工程专业研究生。研究方向为：空调装置的故障诊断模糊识别计算研究。 在本项目中负责制冷系统故障模拟试验台的工作。 本研究梯队的有关科技奖励和论文 1鲍世雄 谷波“制冷空调系统故障诊断及其模拟技术”获1998年上海市 科技进步二等 奖2.谷波 田树波 孙涛 “风冷热泵机组的结霜特性研究” 暖通空调第31卷 2001年第1期 p81823.王志毅,谷波,裴勇华. 制冷系统润滑故障分析.压缩机技术,2002(4):31334王志毅,谷波.神经网络故障诊断技术在暖通空调系统应用的可实现性.建筑热能通风空调，2002(1):35-385.王志毅，伍星，谷波. 基于Internet & Intranet技术和CERNET 建立中央空调监控和故障诊断系统初探。暖通空调，2002（6）：81826.王志毅,谷波,裴勇华.应用VB开发制冷系统故障诊断专家系统.制冷与空调，2002(4):43-467.王志毅,谷波,郑钢. 模糊数学在制冷故障诊断专家系统中的应用. 制冷空调与电力机械，2002（12）:33-438.王志毅,谷波,景步云.风冷热泵空调系统调试中的问题三则.制冷与空调,2002(1)：49519.鲍士雄 赵鹏 谷波“ 制冷系统故障诊断中模糊识别技术应用”制冷学报 2/1998 * 论文：作者题目刊名年份卷（期）页码 专著：作者书名出版者年份11*五、经费预算支 出 科 目金 额 （万元）计 算 根 据 及 理 由 合计221. 科研业务费2.8.0其中: 1.0资料购买、检索和复印1.5计算机仿真及软件开发2.0参加学术会议0.5出差, 调研1.5论文打印、邮寄和版面费1.5项目鉴定、总结2. 实验材料4.0实验系统部件、消耗性材料、 3. 仪器设备费7.0传感器、系统控制元件、安全保护元件 数据采集器 4. 实验室改装费1.0 5. 协作费1.0 6. 项目组织实施费1.0注：预算支出科目按下列顺序填写：1. 科研业务费 2. 实验材料费 3. 仪器设备费 4. 实验室改装费 5.协作费 6.项目组织管理费。开支范围详见国家自然科学基金资助项目财务管理办法第二章。12六、申请者正在承担的其它科研项目（攀登计划、863计划、攻关项目和各部委、省市任务等项目的名称及编号、任务来源、起止年月、负责或参加以及与本项目的关系等情况） 申请者正在参加的其它科研项目 项目名称： 高效节能的关键科学问题 课题名称： 能量利用系统的稳态和动态特性 课题编号： G2000026309 起止年月： 2000.42005.3 该项目为国家973基础研究项目，本人承担的内容为制冷空调系统性能的模型分析，与本人现申请的国家自然科学基金一样，都是对制冷空调系统的不同侧面的特性进行模型分析研究，以期达到揭示其内在规律和本质的目的。七、申请者承担(负责或参加)国家自然科学基金资助项目的情况批准号项目名称起止年月负责或参加进展或完