加注系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方案研究

楊潞鋒 孫慶國 董 薇 楊曉靜

（北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

0 引言

加注系統(tǒng)是發(fā)射場地面勤務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，主要承擔(dān)發(fā)射前火箭推進(jìn)劑的安全、精準(zhǔn)以及快速加注工作。加注系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，如何快速進(jìn)行故障定位、查找故障原因并及時(shí)排除故障是一項(xiàng)非常重要的工作。目前在加注過程中如果出現(xiàn)故障，主要依靠崗位人員或?qū)I(yè)技術(shù)人員，參考“雙想”預(yù)先制定好的故障預(yù)案，結(jié)合歷史故障經(jīng)驗(yàn)情況，進(jìn)行故障排查和處置。因此，非常有必要實(shí)時(shí)對加注系統(tǒng)關(guān)鍵特性參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，一旦有故障苗頭，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。同時(shí)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能夠快速查出故障部位，及時(shí)有效地進(jìn)行故障處置。

1 在線狀態(tài)監(jiān)測及故障智能診斷系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

由于加注系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多，系統(tǒng)復(fù)雜且故障機(jī)理復(fù)雜，因此就需要建立一套以專家系統(tǒng)為核心，包括規(guī)則庫、經(jīng)驗(yàn)故障庫以及故障診斷機(jī)在內(nèi)的在線狀態(tài)監(jiān)測和故障智能診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)總體功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

系統(tǒng)主要包括傳感器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、故障診斷機(jī)、規(guī)則庫、規(guī)則庫編輯模塊、經(jīng)驗(yàn)故障庫、人工模擬故障編輯模塊、輸出模塊等部分，其基本功能分為3 個(gè)部分 。

1.1 數(shù)據(jù)輸入

傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場推進(jìn)劑狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，并對信號(hào)輸入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中的處理模塊對大量信息進(jìn)行分類整合，作為狀態(tài)檢測和故障診斷的判斷識(shí)別源。

1.2 專家系統(tǒng)

規(guī)則庫、故障診斷機(jī)、經(jīng)驗(yàn)故障庫是構(gòu)成專家系統(tǒng)的3 個(gè)部分。規(guī)則庫中包括加注系統(tǒng)中所有檢測到的參數(shù)取值范圍、各參數(shù)間的隸屬度函數(shù)關(guān)系以及各參數(shù)之間相互影響的關(guān)系規(guī)則。經(jīng)驗(yàn)故障庫主要存放領(lǐng)域?qū)＜业墓收辖?jīng)驗(yàn)知識(shí)，包括已發(fā)生的故障、各種人工模擬故障以及實(shí)際故障與設(shè)備操作、參數(shù)規(guī)則之間的關(guān)系等。故障診斷機(jī)的功能是采用一定的推理策略從規(guī)則庫中選擇有關(guān)規(guī)則，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)故障庫中的相關(guān)知識(shí)，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中采集到的參數(shù)進(jìn)行推理診斷[1-2]。

1.3 結(jié)果輸出

輸出模塊包括解釋單元和人機(jī)界面。解釋單元可對推理診斷過程作出解釋。人機(jī)界面是面對用戶的窗口，用于輸出圖形、文字、語音報(bào)警等故障信息和故障處置建議等。

2 在線狀態(tài)監(jiān)測及故障智能診斷系統(tǒng)的模塊構(gòu)成

2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來自傳感器，傳感器定時(shí)（例如每5 s 或每10 s）將探測到的參數(shù)信息送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫一次。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫保存和記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和以往歷史數(shù)據(jù)，以備推理診斷所用。根據(jù)加注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)可表示為：

泵狀態(tài){入口壓力P1;出口壓力P2;流量Q;電流I;電壓V;泵體溫度T;泵噪聲S;入口壓力范圍[P3,P4];出口壓力范圍[P5,P6];流量范圍[Q1,Q2];電流范圍[I1,I2];泵體溫度范圍[T1,T2];泵噪聲范圍[S1,S2];};

氣動(dòng)球閥狀態(tài){閥門開啟信號(hào)K1;閥門關(guān)閉信號(hào)K2;閥門開閉時(shí)間t;閥前壓力P1;閥后壓力P2; 汽缸壓力范圍[P1，P2];}等。

2.2 規(guī)則庫

圖1 在線故障診斷專家系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

專家系統(tǒng)的診斷規(guī)則存儲(chǔ)在規(guī)則庫中，規(guī)則庫可通過規(guī)則庫編輯模塊進(jìn)行規(guī)則的擴(kuò)充和修改。這樣診斷系統(tǒng)的功能就會(huì)隨著規(guī)則庫的豐富而增強(qiáng)[3]。規(guī)則庫的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是診斷規(guī)則的表示方法，一種規(guī)則的表示方法實(shí)際上就是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就是把規(guī)則用一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來，以便計(jì)算機(jī)能夠接受、存儲(chǔ)和修改。診斷規(guī)則的表達(dá)方法有很多，從加注系統(tǒng)的實(shí)際情況來看，可采用以下3 種表示方法。

2.2.1 條件/結(jié)論表示法

其基本思想是把規(guī)則表示成“條件—結(jié)論”的因果關(guān)系對。表達(dá)格式為：

R# IF A, THEN B;式中：R#為規(guī)則號(hào)，A 為條件，B 為結(jié)論。表示當(dāng)A 為真時(shí)，則有結(jié)果B。例如：

R01 IF 閥門開啟信號(hào)K1=0,THEN 閥門未打開;

R02 IF 閥門開啟信號(hào)K1=1,THEN 閥門已打開;

這種表示法由前提條件和結(jié)論2 個(gè)部分組成，自然直觀，接近人的思維和交流方式，易于理解，便于人們掌握和接受。但加注系統(tǒng)中往往會(huì)出現(xiàn)：當(dāng)條件A 為真時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)果B1，也可能會(huì)出現(xiàn)B2，甚至可能出現(xiàn)結(jié)果B3。這種出現(xiàn)結(jié)果不確定性的規(guī)則，無法直接用條件/結(jié)果表示法直接表示。因此，提出了下面的基于權(quán)重分配的條件/結(jié)果表示法。

法院經(jīng)審理后認(rèn)為，趙某訴稱劉某家的狗曾撲到其身上，劉某表示認(rèn)可，但否認(rèn)狗傷人的事實(shí)時(shí)并未提供相關(guān)證據(jù)予以佐證，根據(jù)趙某提供的次日就診病歷及醫(yī)療費(fèi)發(fā)票，可認(rèn)定劉某家的狗傷害趙某的事實(shí)。劉某作為動(dòng)物飼養(yǎng)人未盡到管理家犬的義務(wù)，從而導(dǎo)致本案事故發(fā)生，且趙某不存在過錯(cuò)，故劉某應(yīng)對趙某的損失承擔(dān)全部責(zé)任，遂依法判處劉某賠償趙某醫(yī)療費(fèi)等支出1000余元。

2.2.2 基于權(quán)重分配的條件/結(jié)果表示法

這種規(guī)則的表示形式是：

R# IF A; THEN [B,CF(B,A)];

式中：R#為規(guī)則號(hào)，A 為條件，B 為結(jié)果，CF（B，A）表示當(dāng)A 為真時(shí)，結(jié)果為B 的概率或者權(quán)重。CF（B，A）的取值范圍為[0，1]，值越大說明權(quán)重越大，表示相應(yīng)的規(guī)則越為真。當(dāng)值為1 時(shí)，表示相應(yīng)的規(guī)則為真，當(dāng)值為0 時(shí)，表示相應(yīng)的規(guī)則為假。例如：

R03 IF 進(jìn)箭前壓力表數(shù)值P1＞1.0MPa, THEN(過濾器堵塞，0.8);

基于權(quán)重分配的表示法往往帶有較強(qiáng)的主觀性與經(jīng)驗(yàn)性，但在處理經(jīng)驗(yàn)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的故障時(shí)，其仍是一個(gè)有效的方法。

2.2.3 基于模糊邏輯關(guān)系的條件/結(jié)果表示法

在加注系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，經(jīng)常會(huì)有這樣的判斷，例如“泵噪聲偏大，則加注泵可能發(fā)生氣蝕”“加注泵入口壓力過低，則泵入口過濾器堵塞”等。這些規(guī)則中的條件和結(jié)果很難用精確的數(shù)字表示，只能借用模糊邏輯概念加以敘述。模糊邏輯不需要建立條件和結(jié)論的精確數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論，總結(jié)成具有一定關(guān)系的邏輯語言，再形成規(guī)則。其表示形式為：

R# IF A, THEN B;式中：A、B 分別是條件和結(jié)論，和前面敘述的一樣。但不同的是A、B 均是模糊概念量，例如：

R05 IF 泵噪聲偏大, THEN 泵可能發(fā)生氣蝕;

2.3 故障診斷機(jī)

故障診斷機(jī)是專家系統(tǒng)推理診斷的核心，其在一定的推理策略下，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中當(dāng)前被測的參數(shù)狀態(tài)，調(diào)用規(guī)則庫中與當(dāng)前被測參數(shù)有關(guān)的規(guī)則進(jìn)行分析、推理和診斷，同時(shí)還要用到經(jīng)驗(yàn)故障庫中已發(fā)生過的故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行反復(fù)推理和診斷，直到推出結(jié)論為止。加注系統(tǒng)故障診斷機(jī)的推理方式設(shè)計(jì)為2 種，即正向推理和反向推理。

正向推理就是逐條搜索規(guī)則庫，把動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中被測參數(shù)與規(guī)則庫中每一條具體規(guī)則的條件，逐條進(jìn)行比對和匹配。如果條件不匹配、不吻合，則放棄該規(guī)則，如果條件匹配吻合，則執(zhí)行該規(guī)則。通過反復(fù)執(zhí)行上述過程，直至推出診斷結(jié)論。加注系統(tǒng)故障診斷的正向推理可分為4 種比對方法。1）與歷史正常加注過程中關(guān)鍵參數(shù)的過程曲線進(jìn)行比對。從加注實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中提取關(guān)鍵參數(shù)動(dòng)態(tài)曲線，與歷史正常曲線進(jìn)行對比，從而進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。2）與歷史正常運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)人工定義的正常閾值進(jìn)行對比。把采集到的關(guān)鍵設(shè)備加注過程動(dòng)態(tài)參數(shù)與正常設(shè)定閾值進(jìn)行對比、診斷。3）把采集到的同一性質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行對比。如：進(jìn)行主流量計(jì)和備用流量計(jì)的參數(shù)對比，流量計(jì)參數(shù)與火箭液位信號(hào)參數(shù)對比等。4）與設(shè)備的使用壽命和規(guī)定的檢定標(biāo)定有效期進(jìn)行對比。把設(shè)備當(dāng)前的工作時(shí)間數(shù)據(jù)與設(shè)備壽命數(shù)據(jù)，以及與設(shè)備規(guī)定的檢定標(biāo)定有效期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

反向推理是先假定已經(jīng)推理出診斷結(jié)果，然后反向搜索規(guī)則，找出對應(yīng)的具體規(guī)則。反向推理是在假定結(jié)果的引導(dǎo)下，從規(guī)則庫中找到答案。加注系統(tǒng)故障診斷的反向推理是把實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)被測的參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)故障庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，根據(jù)庫中已發(fā)生故障的數(shù)據(jù)，先大致假定某種故障，然后再從規(guī)則庫中逐條驗(yàn)證故障是真還是假存在。

2.4 經(jīng)驗(yàn)故障庫

經(jīng)驗(yàn)故障庫用于存儲(chǔ)和管理推理診斷所用到的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，主要包括故障事實(shí)、已經(jīng)發(fā)生的故障數(shù)據(jù)、人工模擬故障數(shù)據(jù)等。經(jīng)驗(yàn)故障庫具有存儲(chǔ)、檢索、編輯、增刪、修改和擴(kuò)充功能。故障診斷專家系統(tǒng)的反向推理能力很大程度上取決于經(jīng)驗(yàn)故障庫內(nèi)所含的已知故障的數(shù)量和質(zhì)量，已知故障數(shù)據(jù)的獲取是通過人工模擬故障編輯模塊，從專家那里獲得知識(shí)，即與崗位人員、技術(shù)人員等專業(yè)人員面談，對專業(yè)人員的故障知識(shí)進(jìn)行分析整理后，以計(jì)算機(jī)能理解的形式輸入故障庫中。

2.5 輸出模塊

輸出模塊主要包括人機(jī)界面和解釋單元。人機(jī)界面是用戶和診斷系統(tǒng)信息的傳遞紐帶，負(fù)責(zé)診斷系統(tǒng)到用戶，用戶到診斷系統(tǒng)的雙向信息交換。解釋單元能跟蹤、記錄推理診斷過程，并把推理診斷過程通過人機(jī)界面輸出給用戶。

3 結(jié)論

該文針對加注系統(tǒng)研究了加注過程中關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測和故障智能診斷的總體方案，設(shè)計(jì)了總體構(gòu)架，概述了各組織模塊的功能和作用，對進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)加注系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障智能診斷具有十分重要的意義。