智能診斷技術(shù)應(yīng)用

1、2022-4-5工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)1第八章 現(xiàn)代智能故障論斷技術(shù)S癥狀邏輯關(guān)系F故障 正向邏輯：故障反映C工作狀態(tài)M監(jiān)測正常異常D診斷表現(xiàn)振動、噪聲、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、.診斷理論與方法 統(tǒng)計(jì)識別， 模糊邏輯， 灰色理論， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，.簡易、精密類別磨損、腐蝕、變形、裂紋、不平衡、不對中、松動、滲漏、.性質(zhì)與程度暫時、永久、突發(fā)、漸發(fā)、破壞、非破壞、先天、錯用、.分析參數(shù)監(jiān)測，癥狀識別，特征提取，.邏輯關(guān)系簡單映射、加權(quán)相關(guān)、規(guī)則相關(guān)、置信因子、.逆向邏輯：機(jī)理研究在線、離線；定期、連續(xù)；.(I)(II)2022年4月5日星期二2現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘KDD從存放在數(shù)據(jù)庫、

2、數(shù)據(jù)倉庫或其他信息庫中的大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用知識的過程。 Jiawei Han2022年4月5日星期二3現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘用于知識庫建立海量數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)2022年4月5日星期二4現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘Fayyad等人提出的過程模型（1996年）數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)選擇選擇數(shù)據(jù)清理數(shù)據(jù)清理和預(yù)處理和預(yù)處理挖掘目標(biāo)與挖掘目標(biāo)與方法的匹配方法的匹配定義目標(biāo)定義目標(biāo)知識準(zhǔn)備知識準(zhǔn)備選擇數(shù)據(jù)選擇數(shù)據(jù)挖掘算法挖掘算法數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘挖掘整理整理知識知識知識知識知識知識知識知識知識知識目標(biāo)數(shù)據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)模型模型數(shù)據(jù)約簡數(shù)據(jù)約簡解釋解釋評價評價預(yù)處理后預(yù)處理后的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)約簡后約簡后的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)202

3、2年4月5日星期二5現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用過程測試數(shù)據(jù)故障數(shù)據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)2022年4月5日星期二6現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘2022年4月5日星期二7現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘2022年4月5日星期二8現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘德國DataEngine 4.0系統(tǒng)2022年4月5日星期二9現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘采用先進(jìn)計(jì)算方法比較故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)一、專家系統(tǒng)概述一、專家系統(tǒng)概述定義：定義：能以人類專家級水平進(jìn)行故障診斷的智能以人類專家級水平進(jìn)行故障診斷的智能計(jì)算機(jī)程序。能計(jì)算機(jī)程序。發(fā)展專家系統(tǒng)的必要性發(fā)展專家系統(tǒng)的必要性 1）知識結(jié)構(gòu)的

4、需要）知識結(jié)構(gòu)的需要 2）故障診斷應(yīng)用上的需要）故障診斷應(yīng)用上的需要 系統(tǒng)復(fù)雜性及故障復(fù)雜性所決定系統(tǒng)復(fù)雜性及故障復(fù)雜性所決定3. 專家系統(tǒng)所能解決的問題專家系統(tǒng)所能解決的問題 機(jī)械系統(tǒng)診斷中的復(fù)雜問題；能達(dá)到專家水平機(jī)械系統(tǒng)診斷中的復(fù)雜問題；能達(dá)到專家水平4. 專家系統(tǒng)的特點(diǎn)專家系統(tǒng)的特點(diǎn) 1）應(yīng)用范圍廣）應(yīng)用范圍廣 2）診斷水平高）診斷水平高 3）診斷效率高）診斷效率高5. 專家系統(tǒng)的組成專家系統(tǒng)的組成 一般由五部分組成：一般由五部分組成：知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、解釋程序和知識獲取程序庫、解釋程序和知識獲取程序。 實(shí)用的專家系統(tǒng)還有其它中間環(huán)節(jié)。實(shí)用的專家系統(tǒng)還有其它中

5、間環(huán)節(jié)。故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng) 實(shí)用的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)庫推理機(jī)知識庫知識表示知識庫管理任務(wù)管理工況分析工況報(bào)表動態(tài)黑板診斷結(jié)果診斷結(jié)果解釋知識獲取診斷實(shí)例故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)6.專家系統(tǒng)分類專家系統(tǒng)分類故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)(1) 解釋型解釋型(Interpretation)專家系統(tǒng)：這類系統(tǒng)通專家系統(tǒng)：這類系統(tǒng)通過分析所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)而闡明這些數(shù)據(jù)的真實(shí)含過分析所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)而闡明這些數(shù)據(jù)的真實(shí)含義，如由質(zhì)譜數(shù)據(jù)解釋化合物分子結(jié)構(gòu)的義，如由質(zhì)譜數(shù)據(jù)解釋化合物分子結(jié)構(gòu)的DENDRAL系統(tǒng)、由聲納信號識別艦船的系統(tǒng)、由聲納信號識別艦船的HASPSIAP系統(tǒng)

6、、語音理解系統(tǒng)系統(tǒng)、語音理解系統(tǒng)HEARSAY等。等。(2) 預(yù)測型預(yù)測型(Prediction)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) ：這類系統(tǒng)根據(jù)處：這類系統(tǒng)根據(jù)處理對象過去和現(xiàn)在的情況去推測其未來發(fā)展趨勢，理對象過去和現(xiàn)在的情況去推測其未來發(fā)展趨勢，如各種氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)、軍事預(yù)測系統(tǒng)如各種氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)、軍事預(yù)測系統(tǒng)I&W等。等。(3) 診斷型診斷型(Diagnosis)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 這類系統(tǒng)根據(jù)輸入這類系統(tǒng)根據(jù)輸入信息推斷出處理對象中可能存在的故障，如計(jì)算機(jī)信息推斷出處理對象中可能存在的故障，如計(jì)算機(jī)硬件故障診斷系統(tǒng)硬件故障診斷系統(tǒng)DART、核反應(yīng)堆故障診斷系統(tǒng)、核反應(yīng)堆故障診斷系統(tǒng)REACTOR

7、、感染病診、感染病診 斷與治療系統(tǒng)斷與治療系統(tǒng)MYCIN、旋、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)EXPLORE-EX、透平機(jī)械故障、透平機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)TUBMAC等。等。(4) 調(diào)試型調(diào)試型(Debugging)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 這類系統(tǒng)給出已確這類系統(tǒng)給出已確認(rèn)故障的排除方案，如石油鉆探機(jī)械故障診斷與排認(rèn)故障的排除方案，如石油鉆探機(jī)械故障診斷與排除系統(tǒng)除系統(tǒng)Drilling Advisor等。等。故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)(5) 維修型維修型(Repair)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 這類系統(tǒng)制定并實(shí)施這類系統(tǒng)制定并實(shí)施糾正某類故障的規(guī)則，如診斷排除內(nèi)燃機(jī)故障的糾正某類故障

8、的規(guī)則，如診斷排除內(nèi)燃機(jī)故障的DELTA系統(tǒng)、電話電纜維護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)、電話電纜維護(hù)系統(tǒng)ACE等。等。(6) 規(guī)劃型規(guī)劃型(Planning)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 這類系統(tǒng)能根據(jù)給這類系統(tǒng)能根據(jù)給定的目標(biāo)制訂行動計(jì)劃，如電子線路布線系統(tǒng)定的目標(biāo)制訂行動計(jì)劃，如電子線路布線系統(tǒng)PROTEL等。等。故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)(7)設(shè)計(jì)型設(shè)計(jì)型(Design)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 這類系統(tǒng)能根據(jù)給定這類系統(tǒng)能根據(jù)給定的要求形成所需要的方案或圖樣，的要求形成所需要的方案或圖樣， 如如DEC公司的公司的計(jì)算機(jī)總體配置系統(tǒng)計(jì)算機(jī)總體配置系統(tǒng)XCON。 (8)監(jiān)測型監(jiān)測型(Monitoring)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)

9、這類系統(tǒng)多用于這類系統(tǒng)多用于完成實(shí)時監(jiān)測任務(wù)，如完成實(shí)時監(jiān)測任務(wù)，如REACTOR 系統(tǒng)和高危病系統(tǒng)和高危病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)VM等。等。故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)(9) 控制型控制型(Control)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 這類系統(tǒng)能自動控這類系統(tǒng)能自動控制系統(tǒng)的全部行為，通常用手生產(chǎn)過程的實(shí)時控制系統(tǒng)的全部行為，通常用手生產(chǎn)過程的實(shí)時控制，如維持鉆機(jī)最佳鉆探流特征的制，如維持鉆機(jī)最佳鉆探流特征的MUD系統(tǒng)、系統(tǒng)、MVS操作系統(tǒng)的監(jiān)督控制系統(tǒng)操作系統(tǒng)的監(jiān)督控制系統(tǒng)YESMVS等。等。 (10) 教育型教育型(1nstruction)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 這類系統(tǒng)能診這類系統(tǒng)能診斷并糾正學(xué)生的行

10、為，主要用于教學(xué)和培訓(xùn)，多斷并糾正學(xué)生的行為，主要用于教學(xué)和培訓(xùn)，多為診斷型和調(diào)試型的結(jié)合體，如為診斷型和調(diào)試型的結(jié)合體，如GUIDON和和STEAMER等。等。 故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)二、知識庫二、知識庫1. 定義：專家知識、經(jīng)驗(yàn)及書本知識的存儲器定義：專家知識、經(jīng)驗(yàn)及書本知識的存儲器2. 知識表示知識表示1）對知識表示的基本要求（三個基本要求）對知識表示的基本要求（三個基本要求）表示方案應(yīng)便于知識的修改和擴(kuò)充；表示方案應(yīng)便于知識的修改和擴(kuò)充；表示方案應(yīng)盡量簡單易懂；表示方案應(yīng)盡量簡單易懂； 表示方法應(yīng)清晰明確。因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)的建造過程表示方法應(yīng)清晰明確。因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)的建造過程是一個

11、不斷擴(kuò)充和完善的過程，因此，便于修改是一個不斷擴(kuò)充和完善的過程，因此，便于修改和擴(kuò)充的知識表示方案對專家系統(tǒng)來說是非常重和擴(kuò)充的知識表示方案對專家系統(tǒng)來說是非常重要的，它直接關(guān)系到專家系統(tǒng)的成敗。實(shí)現(xiàn)這一要的，它直接關(guān)系到專家系統(tǒng)的成敗。實(shí)現(xiàn)這一要求的有效手段是把知識與使用知識偽程序相分要求的有效手段是把知識與使用知識偽程序相分離，即把知識庫和推理機(jī)相分離。離，即把知識庫和推理機(jī)相分離。故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)人工智能研究者們已提出了許多種知識表示方法，人工智能研究者們已提出了許多種知識表示方法，如產(chǎn)生式表示、框架式表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、邏輯如產(chǎn)生式表示、

12、框架式表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、邏輯性表示、對象性表示、對象屬性屬性值三元組表示、過程表示和值三元組表示、過程表示和面向?qū)ο蟮谋硎镜?，這些不同的表示方法各有其優(yōu)面向?qū)ο蟮谋硎镜龋@些不同的表示方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和最適用的領(lǐng)域。缺點(diǎn)和最適用的領(lǐng)域。綜合數(shù)據(jù)庫綜合數(shù)據(jù)庫(GlobalDatabase)和和規(guī)則解釋器規(guī)則解釋器(RuleInterpreter)這這三個基本部分組成；三個基本部分組成；規(guī)則解釋器規(guī)則庫綜合數(shù)據(jù)庫2) 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本組成產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本組成 一個典型的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)通常由規(guī)則庫一個典型的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)通常由規(guī)則庫(RuleBase)、故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)3）產(chǎn)生式表

13、示）產(chǎn)生式表示(或規(guī)則表示）或規(guī)則表示） 其一般形式為其一般形式為 P Q（即（即IF THEN) 左部分表示前提（條件或狀態(tài)），右部分表示左部分表示前提（條件或狀態(tài)），右部分表示若干結(jié)論若干結(jié)論人工智能研究者們已提出了許多種知識表示方法，人工智能研究者們已提出了許多種知識表示方法，如產(chǎn)生式表示、框架式表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、邏輯如產(chǎn)生式表示、框架式表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、邏輯性表示、對象性表示、對象屬性屬性值三元組表示、過程表示和值三元組表示、過程表示和面向?qū)ο蟮谋硎镜龋@些不同的表示方法各有其優(yōu)面向?qū)ο蟮谋硎镜?，這些不同的表示方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和最適用的領(lǐng)域。缺點(diǎn)和最適用的領(lǐng)域。 如：出現(xiàn)異常振動則

14、振幅大。對于復(fù)雜的故障用樹如：出現(xiàn)異常振動則振幅大。對于復(fù)雜的故障用樹枝狀表示。枝狀表示。振動峰值大振動峰值大基頻振動基頻振動低頻振動低頻振動二倍頻振動二倍頻振動廣諧振動廣諧振動不平衡不平衡熱彎曲熱彎曲油膜渦動油膜渦動油膜震蕩油膜震蕩支承問題支承問題 軸裂紋軸裂紋 不對中不對中摩擦摩擦聯(lián)軸器問題聯(lián)軸器問題注：與事故樹類似注：與事故樹類似故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)產(chǎn)生式表示的優(yōu)缺點(diǎn)產(chǎn)生式表示的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 模塊化模塊化 ； 自然性自然性 ；一致性。一致性。主要缺點(diǎn)：主要缺點(diǎn)： 推理效率低推理效率低 ； 非通用性；非通用性； 依賴于已有的經(jīng)驗(yàn)。依賴于已有的經(jīng)驗(yàn)。故障診斷專家系統(tǒng)故障診

15、斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)3.3.不確定知識表示不確定知識表示1 1）隨機(jī)性知識）隨機(jī)性知識2 2）模糊性知識）模糊性知識3 3）未確知性知識）未確知性知識三、知識的獲取三、知識的獲取知識獲取的方法：有知識獲取的方法：有* *機(jī)械式、條件反射式、機(jī)械式、條件反射式、* *傳授傳授式、演繹式、歸納式、猜想證實(shí)式、式、演繹式、歸納式、猜想證實(shí)式、* *反饋修正式、反饋修正式、類比式、聯(lián)想式、靈感與偶發(fā)式等，類比式、聯(lián)想式、靈感與偶發(fā)式等，故障診斷專家系統(tǒng)四、推理機(jī)制四、推理機(jī)制1.1.推理分類推理分類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

16、然推理故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)五、應(yīng)用五、應(yīng)用 美國西屋公司從開發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)專家系統(tǒng)美國西屋公司從開發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)專家系統(tǒng)GenAIDGenAID開始開始，現(xiàn)已在佛羅里達(dá)州的奧蘭多發(fā)電設(shè)備本部建立了一個自，現(xiàn)已在佛羅里達(dá)州的奧蘭多發(fā)電設(shè)備本部建立了一個自動診斷中心，對各地西屋公司制造的汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距動診斷中心，對各地西屋公司制造的汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動診斷。診斷對象從汽輪發(fā)電機(jī)逐步擴(kuò)大到汽輪機(jī)、離自動診斷。診斷對象從汽輪發(fā)電機(jī)逐步擴(kuò)大到汽輪機(jī)、鍋爐和輔機(jī)。西屋公司和卡內(nèi)基鍋爐和輔機(jī)。西屋公司和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)合作研制了一梅隆大學(xué)合作研制了一臺汽輪發(fā)電機(jī)

17、監(jiān)控用專家系統(tǒng)，用來監(jiān)視德州三家主要發(fā)臺汽輪發(fā)電機(jī)監(jiān)控用專家系統(tǒng)，用來監(jiān)視德州三家主要發(fā)電廠的七臺汽輪發(fā)電機(jī)組的全天工作狀況。此專家系統(tǒng)能電廠的七臺汽輪發(fā)電機(jī)組的全天工作狀況。此專家系統(tǒng)能快速、精確地分析儀表送來的信號，然后立即告訴操作人快速、精確地分析儀表送來的信號，然后立即告訴操作人員應(yīng)采取什么措施。員應(yīng)采取什么措施。 我國故障診斷工作者也積極探索專家系統(tǒng)的應(yīng)用研究我國故障診斷工作者也積極探索專家系統(tǒng)的應(yīng)用研究，國家在，國家在“七七五五”和和“八五八五”期間也列有這方面的攻期間也列有這方面的攻關(guān)課題，取得了關(guān)課題，取得了些進(jìn)展，但目前總的情況是實(shí)驗(yàn)室研究些進(jìn)展，但目前總的情況是實(shí)驗(yàn)室研究較

18、多，現(xiàn)場條件下的實(shí)際應(yīng)用、特別是成功的應(yīng)用實(shí)例并較多，現(xiàn)場條件下的實(shí)際應(yīng)用、特別是成功的應(yīng)用實(shí)例并不多見。不多見。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一、概述一、概述1.1.定義及特點(diǎn)定義及特點(diǎn)2.2.目前的應(yīng)用情況目前的應(yīng)用情況二、基本原理二、基本原理1.1.神經(jīng)元結(jié)構(gòu)模型神經(jīng)元結(jié)構(gòu)模型 x x1 1xxn n 輸入輸入 w w1 1wwn n 權(quán)值權(quán)值 閾值閾值XiXi神經(jīng)元求和輸出，神經(jīng)元求和輸出， OiOi輸出輸出F F神經(jīng)元特性函數(shù)神經(jīng)元特性函數(shù) fOiXii-1x1 w1x2 w2xn wnSii人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)之間的關(guān)系為：各參數(shù)之間的關(guān)系為：特性函數(shù)主要有特性函數(shù)主要有還有符號型、還有符號型、S S型、型、雙曲正切型和高斯雙曲正切型和高斯函數(shù)型等。函數(shù)型等。)(1iinjiijjixfOswxXkxxf)(線性：0001)(xxxf階躍：1f(x)f(x)xx線性階躍1-1a-a符號型斜坡型0.51S型雙曲正切型1c1高斯函數(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2.2.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（神經(jīng)元聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（神經(jīng)元聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)）1 1）不含反饋的前向網(wǎng)絡(luò)）不含反饋的前向網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)元分層排列，組成輸入層、隱層（可有若干）和輸神經(jīng)元分層排列，組成輸入層、隱層（可有若干）和輸出層。每一層的神經(jīng)元只接受前一層的神經(jīng)元輸出作為輸