智能诊断技术应用参考教学课件

1第八章 现代智能故障论断技术 2现代信号处理结果示例-数据挖掘KDD从存放在数据库、数据仓库或其他信息库中的大量数据中发现有用知识的过程。Jiawei Han由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，“数据数据挖掘挖掘(DM)DM)”比比“数据库中的知数据库中的知识发现识发现(KDD)KDD)”这个词更流行，这个词更流行，因此，现在多采用因此，现在多采用“数据挖掘数据挖掘(DM)DM)”这个术语。这个术语。工业装备故障诊断技术 2现代信号处理结果示 3现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘用于知识库建立状态识别状态识别诊断决策诊断决策 特征提取特征提取如何更好解如何更好解决同样的问决同样的问题题如何更新如何更新知识库知识库如何利用如何利用历史数据历史数据Data MiningData Mining海量数据海量数据海量数据海量数据知识库知识库工业装备故障诊断技术 3现代信号处理结果示 4现代信号处理结果示例-数据挖掘Fayyad等人提出的过程模型（1996年）工业装备故障诊断技术 4现代信号处理结果示 5现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘的应用过程测试数据测试数据故障数据故障数据Data MiningData Mining评估评估更新更新XXXX故障故障机机 器器现场数据现场数据分类规则分类规则现场评判现场评判工业装备故障诊断技术 5现代信号处理结果示 6现代信号处理结果示例-数据挖掘vv美国美国MarquetteMarquette大学的大学的R.J.R.J.PovinelliPovinelli等人提出的等人提出的TSDMTSDM（Time Series Time Series Data MiningData Mining）模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。入相空间入相空间将时间序列嵌将时间序列嵌选择临时选择临时模式长度模式长度Q Q定义事件特征定义事件特征函数函数g(t)g(t)、目目标函数标函数f(P)f(P)和和优化公式优化公式索临时模式簇索临时模式簇在相空间中搜在相空间中搜定义定义TSDMTSDM目标目标测试时间序列测试时间序列被观测的被观测的时间序列时间序列将时间序列嵌将时间序列嵌入相空间入相空间预测事件发生预测事件发生评价训练结果评价训练结果工业装备故障诊断技术 6现代信号处理结果示 7现代信号处理结果示例-数据挖掘正常正常电机电机扭矩扭矩信号信号3 3个栅条个栅条断裂后断裂后的扭矩的扭矩信号信号3 3个端面个端面连接条连接条断裂后断裂后的扭矩的扭矩信号信号扭矩扭矩相空相空间图间图TSDMTSDM挖掘算法挖掘算法 时间序列时间序列工业装备故障诊断技术 7现代信号处理结果示 8现代信号处理结果示例-数据挖掘德国DataEngine 4.0系统数据分析数据分析数据挖掘数据挖掘数数 据据预处理预处理获获 得得诊断模型诊断模型可视化可视化模糊逻辑模糊逻辑神经网络神经网络工业装备故障诊断技术 8现代信号处理结果示 9现代信号处理结果示例-数据挖掘vv英国英国AstonAston大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个MODIAROTMODIAROT（Model Based Diagnosis of Rotor Systems in Power Model Based Diagnosis of Rotor Systems in Power PlantsPlants）系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备故障。故障。采用先进计算方法比较信信 号号 处处 理理合成振动合成振动信信 号号系统模型系统模型实际振动实际振动信信 号号故障模型故障模型结结 合合实际故障实际故障机机 器器辨辨 识识工业装备故障诊断技术 9现代信号处理结果示故障诊断专家系统故障诊断专家系统一、专家系统概述一、专家系统概述1.定定义：能以人能以人类专家家级水平水平进行故障行故障诊断的智断的智能能计算机程序。算机程序。2.发展展专家系家系统的必要性的必要性 1）知）知识结构的需要构的需要 2）故障）故障诊断断应用上的需要用上的需要 系系统复复杂性及故障复性及故障复杂性所决定性所决定3.专家系家系统所能解决的所能解决的问题 机械系机械系统诊断中的复断中的复杂问题；能达到；能达到专家水平家水平10工业装备故障诊断技术2024/6/27故障诊断专家系统一、专家系统概述10工业装备故障诊断技术204.专家系家系统的特点的特点 1）应用范用范围广广 2）诊断水平高断水平高 3）诊断效率高断效率高5.专家系家系统的的组成成 一般由五部分一般由五部分组成：成：知知识库、推理机、数据、推理机、数据库、解、解释程序和知程序和知识获取程序取程序。实用的用的专家系家系统还有其它中有其它中间环节。故障诊断专家系统故障诊断专家系统11工业装备故障诊断技术2024/6/274.专家系统的特点故障诊断专家系统11工业装备故障诊断技 实用的专家系统数据库管理数据库推理机知识库知识表示知识库管理任务管理工况分析工况报表动态黑板诊断结果诊断结果解释知识获取诊断实例故障诊断专家系统故障诊断专家系统12工业装备故障诊断技术2024/6/27数据库管理数据库推理机知识库知识表示知识库管理任务管理工况分6.专家系家系统分分类故障诊断专家系统故障诊断专家系统(1)解释型解释型(Interpretation)专家系统：这类系统通专家系统：这类系统通过分析所采集到的数据进而阐明这些数据的真实含过分析所采集到的数据进而阐明这些数据的真实含义，如由质谱数据解释化合物分子结构的义，如由质谱数据解释化合物分子结构的DENDRAL系统、由声纳信号识别舰船的系统、由声纳信号识别舰船的HASPSIAP系统、语音理解系统系统、语音理解系统HEARSAY等。等。(2)预测型预测型(Prediction)专家系统专家系统：这类系统根据处：这类系统根据处理对象过去和现在的情况去推测其未来发展趋势，理对象过去和现在的情况去推测其未来发展趋势，如各种气象预报系统、军事预测系统如各种气象预报系统、军事预测系统I&W等。等。13工业装备故障诊断技术2024/6/276.专家系统分类故障诊断专家系统(1)解释型(Interp(3)诊断型诊断型(Diagnosis)专家系统专家系统 这类系统根据输入信这类系统根据输入信息推断出处理对象中可能存在的故障，如计算机硬息推断出处理对象中可能存在的故障，如计算机硬件故障诊断系统件故障诊断系统DART、核反应堆故障诊断系统、核反应堆故障诊断系统REACTOR、感染病诊、感染病诊 断与治疗系统断与治疗系统MYCIN、旋、旋转机械故障诊断系统转机械故障诊断系统EXPLORE-EX、透平机械故障、透平机械故障诊断专家系统诊断专家系统TUBMAC等。等。(4)调试型调试型(Debugging)专家系统专家系统 这类系统给出已确这类系统给出已确认故障的排除方案，如石油钻探机械故障诊断与排认故障的排除方案，如石油钻探机械故障诊断与排除系统除系统Drilling Advisor等。等。故障诊断专家系统故障诊断专家系统14工业装备故障诊断技术2024/6/27(3)诊断型(Diagnosis)专家系统 这类系统根据(5)维修型维修型(Repair)专家系统专家系统 这类系统制定并实施这类系统制定并实施纠正某类故障的规则，如诊断排除内燃机故障的纠正某类故障的规则，如诊断排除内燃机故障的DELTA系统、电话电缆维护系统系统、电话电缆维护系统ACE等。等。(6)规划型规划型(Planning)专家系统专家系统 这类系统能根据给这类系统能根据给定的目标制订行动计划，如电子线路布线系统定的目标制订行动计划，如电子线路布线系统PROTEL等。等。故障诊断专家系统故障诊断专家系统15工业装备故障诊断技术2024/6/27(5)维修型(Repair)专家系统 这类系统制定并实施(7)设计型设计型(Design)专家系统专家系统 这类系统能根据给定这类系统能根据给定的要求形成所需要的方案或图样，的要求形成所需要的方案或图样，如如DEC公司的公司的计算机总体配置系统计算机总体配置系统XCON。(8)监测型监测型(Monitoring)专家系统专家系统 这类系统多用于这类系统多用于完成实时监测任务，如完成实时监测任务，如REACTOR 系统和高危病系统和高危病人监护系统人监护系统VM等。等。故障诊断专家系统故障诊断专家系统16工业装备故障诊断技术2024/6/27(7)设计型(Design)专家系统 这类系统能根据给定的(9)控制型控制型(Control)专家系统专家系统 这类系统能自动控这类系统能自动控制系统的全部行为，通常用手生产过程的实时控制系统的全部行为，通常用手生产过程的实时控制，如维持钻机最佳钻探流特征的制，如维持钻机最佳钻探流特征的MUD系统、系统、MVS操作系统的监督控制系统操作系统的监督控制系统YESMVS等。等。(10)教育型教育型(1nstruction)专家系统专家系统 这类系统能诊这类系统能诊断并纠正学生的行为，主要用于教学和培训，多断并纠正学生的行为，主要用于教学和培训，多为诊断型和调试型的结合体，如为诊断型和调试型的结合体，如GUIDON和和STEAMER等。等。故障诊断专家系统故障诊断专家系统17工业装备故障诊断技术2024/6/27(9)控制型(Control)专家系统 这类系统能自动控二、知二、知识库1.定定义：专家知家知识、经验及及书本知本知识的存的存储器器2.知知识表示表示1）对知知识表示的基本要求（三个基本要求）表示的基本要求（三个基本要求）表示方案表示方案应便于知便于知识的修改和的修改和扩充；充；表示方案表示方案应尽量尽量简单易懂；易懂；表示方法表示方法应清晰明确。因清晰明确。因为专家系家系统的建造的建造过程程是一个不断是一个不断扩充和完善的充和完善的过程，因此，便于修改程，因此，便于修改和和扩充的知充的知识表示方案表示方案对专家系家系统来来说是非常重是非常重要的，它直接关系到要的，它直接关系到专家系家系统的成的成败。实现这一一要求的有效手段是把知要求的有效手段是把知识与使用知与使用知识伪程序相分程序相分离，即把知离，即把知识库和推理机相分离。和推理机相分离。故障诊断专家系统故障诊断专家系统18工业装备故障诊断技术2024/6/27二、知识库故障诊断专家系统18工业装备故障诊断技术2023/故障诊断专家系统故障诊断专家系统人工智能研究者们已提出了许多种知识表示方法，人工智能研究者们已提出了许多种知识表示方法，如产生式表示、框架式表示、语义网络表示、逻辑如产生式表示、框架式表示、语义网络表示、逻辑性表示、对象性表示、对象属性属性值三元组表示、过程表示和值三元组表示、过程表示和面向对象的表示等，这些不同的表示方法各有其优面向对象的表示等，这些不同的表示方法各有其优缺点和最适用的领域。缺点和最适用的领域。综合数据库综合数据库(GlobalDatabase)和和规则解释器规则解释器(RuleInterpreter)这这三个基本部分组成；三个基本部分组成；规则解释器规则库综合数据库2)产生式系统的基本组成产生式系统的基本组成 一个典型的产生式专家系统通常由规则库一个典型的产生式专家系统通常由规则库(RuleBase)、19工业装备故障诊断技术2024/6/27故障诊断专家系统人工智能研究者们已提出了许多种知识表示方法，故障诊断专家系统故障诊断专家系统3）产生式表示）产生式表示(或规则表示）或规则表示）其一般形式为其一般形式为 P Q（即（即IF THEN)左部分表示前提（条件或状态），右部分表示左部分表示前提（条件或状态），右部分表示若干结论若干结论人工智能研究者们已提出了许多种知识表示方法，人工智能研究者们已提出了许多种知识表示方法，如产生式表示、框架式表示、语义网络表示、逻辑如产生式表示、框架式表示、语义网络表示、逻辑性表示、对象性表示、对象属性属性值三元组表示、过程表示和值三元组表示、过程表示和面向对象的表示等，这些不同的表示方法各有其优面向对象的表示等，这些不同的表示方法各有其优缺点和最适用的领域。缺点和最适用的领域。20工业装备故障诊断技术2024/6/27故障诊断专家系统人工智能研究者们已提出了许多种知识表示方法，如：出如：出现异常振异常振动则振幅大。振幅大。对于复于复杂的故障用的故障用树枝状表示。枝状表示。振动峰值大振动峰值大基频振动基频振动低频振动低频振动二倍频振动二倍频振动广谐振动广谐振动不平衡不平衡热弯曲热弯曲油膜涡动油膜涡动油膜震荡油膜震荡支承问题支承问题 轴裂纹轴裂纹 不对中不对中摩擦摩擦联轴器问题联轴器问题注：与事故树类似注：与事故树类似故障诊断专家系统故障诊断专家系统21工业装备故障诊断技术2024/6/27 如：出现异常振动则振幅大。对于复杂的故障用树枝状表示2.2.产生式表示的优缺点产生式表示的优缺点优点优点:模块化模块化 ；自然性自然性 ；一致性。一致性。主要缺点：主要缺点：推理效率低推理效率低 ；非通用性；非通用性；依赖于已有的经验。依赖于已有的经验。故障诊断专家系统故障诊断专家系统22工业装备故障诊断技术2024/6/27产生式表示的优缺点故障诊断专家系统22工业装备故障诊断技术2故障诊断专家系统故障诊断专家系统3.3.不确定知识表示不确定知识表示1 1）随机性知识）随机性知识2 2）模糊性知识）模糊性知识3 3）未确知性知识）未确知性知识三、知识的获取三、知识的获取知识获取的方法：有知识获取的方法：有*机械式、条件反射式、机械式、条件反射式、*传授传授式、演绎式、归纳式、猜想证实式、式、演绎式、归纳式、猜想证实式、*反馈修正式、反馈修正式、类比式、联想式、灵感与偶发式等，类比式、联想式、灵感与偶发式等，23工业装备故障诊断技术2024/6/27故障诊断专家系统3.不确定知识表示23工业装备故障诊断技术2故障诊断专家系统四、推理机制四、推理机制1.1.推理分类推理分类2.2.推理控制策略推理控制策略3.3.推理搜索策略推理搜索策略4.4.似然推理似然推理故障诊断专家系统故障诊断专家系统24工业装备故障诊断技术2024/6/27故障诊断专家系统四、推理机制故障诊断专家系统24工业装备故障故障诊断专家系统故障诊断专家系统五、应用五、应用 美国西屋公司从开发汽轮发电机专家系统美国西屋公司从开发汽轮发电机专家系统GenAIDGenAID开始，开始，现已在佛罗里达州的奥兰多发电设备本部建立了一个自动现已在佛罗里达州的奥兰多发电设备本部建立了一个自动诊断中心，对各地西屋公司制造的汽轮发电机进行远距离诊断中心，对各地西屋公司制造的汽轮发电机进行远距离自动诊断。诊断对象从汽轮发电机逐步扩大到汽轮机、锅自动诊断。诊断对象从汽轮发电机逐步扩大到汽轮机、锅炉和辅机。西屋公司和卡内基炉和辅机。西屋公司和卡内基梅隆大学合作研制了一台梅隆大学合作研制了一台汽轮发电机监控用专家系统，用来监视德州三家主要发电汽轮发电机监控用专家系统，用来监视德州三家主要发电厂的七台汽轮发电机组的全天工作状况。此专家系统能快厂的七台汽轮发电机组的全天工作状况。此专家系统能快速、精确地分析仪表送来的信号，然后立即告诉操作人员速、精确地分析仪表送来的信号，然后立即告诉操作人员应采取什么措施。应采取什么措施。我国故障诊断工作者也积极探索专家系统的应用研究，我国故障诊断工作者也积极探索专家系统的应用研究，国家在国家在“七七五五”和和“八五八五”期间也列有这方面的攻关课期间也列有这方面的攻关课题，取得了题，取得了些进展，但目前总的情况是实验室研究较多，些进展，但目前总的情况是实验室研究较多，现场条件下的实际应用、特别是成功的应用实例并不多见。现场条件下的实际应用、特别是成功的应用实例并不多见。25工业装备故障诊断技术2024/6/27故障诊断专家系统五、应用 美国西屋公司从开发汽轮发电机人工神经网络人工神经网络一、概述一、概述1.1.定义及特点定义及特点2.2.目前的应用情况目前的应用情况二、基本原理二、基本原理1.1.神经元结构模型神经元结构模型 x x1 1xxn n 输入输入 w w1 1wwn n 权值权值 阈值阈值XiXi神经元求和输出，神经元求和输出，OiOi输出输出F F神经元特性函数神经元特性函数 fOiXi-1x1 w1x2 w2xn wnSi26工业装备故障诊断技术2024/6/27人工神经网络一、概述fOiXi-1x1 w1x2 w2x人工神经网络各参数之间的关系为：各参数之间的关系为：特性函数主要有特性函数主要有还有符号型、还有符号型、S S型、型、双曲正切型和高斯双曲正切型和高斯函数型等。函数型等。1f(x)f(x)xx线性阶跃1-1a-a符号型斜坡型0.51S型双曲正切型1c1高斯函数27工业装备故障诊断技术2024/6/27人工神经网络各参数之间的关系为：1f(x)f(x)xx 线性阶人工神经网络2.2.网络拓扑结构（神经元联结结构）网络拓扑结构（神经元联结结构）1 1）不含反馈的前向网络）不含反馈的前向网络 神经元分层排列，组成输入层、隐层（可有若干）和输神经元分层排列，组成输入层、隐层（可有若干）和输出层。每一层的神经元只接受前一层的神经元输出作为输入。出层。每一层的神经元只接受前一层的神经元输出作为输入。输入模式经过各层的顺次处理后得到输出层输出。误差反向输入模式经过各层的顺次处理后得到输出层输出。误差反向传播算法（传播算法（BpBp法）的网络即为此模型。法）的网络即为此模型。单层前单层前向网络向网络多层前多层前向网络向网络xnx2x1y1ynx1x2xny1y2yn28工业装备故障诊断技术2024/6/27人工神经网络2.网络拓扑结构（神经元联结结构）单层前向网络多人工神经网络2 2）反馈网络）反馈网络 输入输出之间存在反馈，因此具有动态特性。输入输出之间存在反馈，因此具有动态特性。输出层输入层隐 层输入层隐 层输出层yuyu29工业装备故障诊断技术2024/6/27人工神经网络2）反馈网络输出层输入层隐 层输入层隐 人工神经网络3.3.学习算法学习算法1 1）学习算法）学习算法2 2）BPBP算法算法3 3）应用）应用30工业装备故障诊断技术2024/6/27人工神经网络3.学习算法30工业装备故障诊断技术2023/7