水煤浆燃烧故障诊断专家系统.pdf

洳专：、硕士学位论文论文题目丞堪筮缝缝越瞳途堑童塞丕统作者姓名一童名坌指导教师型建宝熬攫厦堡虚数堡学科(专业)一工程垫塑：堡所在学院扭越皇篚湮王猩堂瞳提交日期2 1 1 生!旦摘要大型水煤浆锅炉在运行过程中不可避免地会发生各种故障，而水煤浆燃烧系统是其中一个主要的，也是重要的故障源，处理不好的话，可能会带来灾难性的后果，故障诊断对保证其安全正常地运营十分重要。由于对它进行故障诊断的复杂性和困难性，往往需要专家的参与，而专家的数量又很有限。因此，本文对水煤浆燃烧故障诊断专家系统进行了研究与开发，以收集、总结和推广专家的宝贵经验，提高故障诊断水平，部分起到维修专家的作用。本文的主要工作为：1)结合本系统的具体开发过程及软件工程的研究成果，讨论了专家系统丌发的特点及软件开发生存期模型。2)建立了水煤浆燃烧系统故障诊断通用模型。该模型在对水煤浆燃烧故障诊断特点进行分析的基础上，综合使用了专家系统、故障诊断等领域的研究成果。3)在S Q LS e r v e r 平台上用V i s u a lB a s i c N E T 开发了水煤浆燃烧故障诊断专家系统，验证了本文前述研究工作的正确性和可行性。关键词：水煤浆燃烧系统故障诊断专家系统出迤厶坐地I：坐位论立学号：2 0 2 0 8 2 2 9独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名签字日期：年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝鉴太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名签字日期：年月日学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：导师签名签字目期：年月F 1电话邮编浙江大学硕士论文第一章绪论第一章绪论1 1 故障诊断领域的发展状况1 1 1 设备故障诊断学发展概况【J _ 5 I由于人为失误、材料缺陷、制造误差及使用环境波动等因素的影响以及疲劳、磨损和老化等效应的存在，工业设备在使用过程中不可避免地会发生各种故障。设备故障除了降低或失去其预定功能外，还可能会造成严重的甚至是灾难性的后果，因此设备的故障诊断得到了越来越多的重视。所谓故障诊断，就是鉴别设备的技术状态是否正常，确定故障性质、故障部位及故障起因，提出排除故障相应措施的过程。虽然故障诊断自有工业生产以来就已经存在，但是故障诊断作为门学科，则是上世纪6 0年代以后才发展起来的。故障诊断学是以应用数学、可靠性理论、信息论、控制论和系统论等为理论基础，以现代测试技术与计算机为手段，结合各种诊断对象(系统、设备、机器、装置、工程结构和工艺过程等)的特殊规律而逐渐形成的一门新兴学科。它大体上由三个部分组成：第一部分是故障机理研究，即对导致设备零部件失效的腐蚀、疲劳、断裂、磨损、堵塞和老化等物理化学过程的研究；第二部分为故障信息学的研究，主要涉及故障信息的采集、选择、处理与分析过程，例如通过传感器采集设备运行中的温度、压力等信号，再经过时域和频域的分析处理以识别和评价设备所处的状态或故障，上述过程均属故障信息学范畴；第三部分为诊断逻辑与数学原理的研究，主要是借助逻辑推理、数学建模及人工智能等方法，根据观测到的设备故障征兆以确定随后的检测部位及于段，最终确定故障发牛的部位及产生原因。故障诊断技术的发展大体经历了三个阶段：第一阶段，故障诊断主要依靠人类的感觉器官、个人经验及简单仪表，对诊断信息只做简单的数据处理；传感器技术、动态测试技术和信号分析披术的发展使故障诊断技术进入了第二阶段，并且在维修工程及可靠性工程中得到了广泛应用：自上世纪8 0 年代以来，由于机器设备日趋复杂化、智能化及光机电一体化，传统的诊断技术已不能适应这种形势，随着计算机技术、人工智能技术特别是专家系统的迅速发展，诊断技术进入了第三个发展阶段一智能化阶段。目前的故障诊断方法可分为两大类：1)传统诊断方法该方法完全基于剥故障信息和故障机璎的数学处理，包括信号处理和建模处殚两大内容。信号处理的主要内容是统计分析、相关性分析、频谱分析、小波分析及模态浙江人学砸+论文第一章绪论分析等，其理论辇础是数理统计与随机过程：建模处理的丰要内容是参数估计、系统辨识和模式识别等，理论基础是系统论、信息论和控制论。2)智能诊断方法它在传统方法的基础上，将人工智能鲍理论和方法用于故障诊断，利用计算机模拟人类专家进行故障诊断，以知识处理为核心，将知识处理、信号处理与数学建模相融合。智能诊断的优越性在于它既保留了传统方法在数值处理上的优势，又充分利用了专家的经验和思维模式在故障诊断中的巨大作用，业已成为设备故障诊断的主要发展方向。智能诊断的主要应用形式是专家系统和人工神经网络(以下简称神经网络)。专家系统是一个智能计算机程序，它利用知识和推理过程来解决那些需要大量人类专家知识才能解决的复杂问题，所用的知识和推理过程可认为是最好的领域专家的专门知识模型。故障诊断专家系统现已在国内外得到了广泛应用，例如，E G Gz d h a 公司研制的用于诊断和处理核反应堆的系统，通用电气公司研制的用于内燃电力机车的诊断专家系统等等。专家系统的发展大致经历了两个阶段：基于浅知识(专家经验)的第一代故障诊断专家系统和基于深知识(模型知识)的第二代故障诊断专家系统。近期出现的混合结构的专家系统，是将上述西种方法结合使用，以互补不足，相得益彰。神经网络是由大量简单的处理单元(称为神经元)相互连接而形成的复杂网络，它是对人脑神经网络在某种程度上的简化、抽象和模拟。神经网络具有良好的学习能力、联想记忆能力、分布式并行信息处理能力以及极强的非线性映射能力，在故障诊断领域也得到了广泛应用。神经网络在设备故障诊断领域的应用主要集中在二个方面：一是从模式识别角度作为分类器进行故障诊断：二是从预测角度作为动态预测模型进行放障诊断；三是从知识处理角度建立基于神经网络的诊断专家系统。总体而言，设备故障诊断作为-f q 学科，目前还处于形成和发展之中，在故障诊断的鲁棒性、自适应性和各种诊断方法的综合使用等方匿还需进一步的完善。1 1 2 燃烧故障诊断领域的发展1 6 刮近年来，自动控制、计算机等技术在水煤浆燃烧系统设计、制造、运行中得到臼益广泛的应用，对水煤浆燃烧系统的实时全砸的监控已成为很容易达到的事，而相关的故障诊断却没有得到进一步的广泛应用。水煤浆燃烧故障诊断方法和已有的诊断系统中，需要解决的问题丰要有：1)适应性适应性丰要包括两个方面：一方面，水煤浆燃烧系统属于复杂机电设备，对其进行故障论断难度很大，在诊断系统开发中难免存在模型建造偏差，因此在系统投入实际使用后，要求系统能够根据结果反馈自动进行调整；另一方面，在水煤浆燃烧系统浙江人学硕士论文第一章绪论运行期间，运行年限的增加和外部条件的变化会导致部件工况发生改变，所以要求诊断系统具有一定的适应能力以能够对变化后的诊断对象进行有效的诊断。2)综合诊断由于水煤浆燃烧故障诊断的复杂性和各种诊断方法所固有的局限性，在诊断过程中需要同时应用多种方法来进行综合诊断，方法和系统在如何有效地将多种诊断方法集成方面尚需改进。1 2 课题背景和主要工作锅炉运行的可靠性直接影响锅炉使用单位的经济性和安全性。锅炉任何部件的损坏，可能导致锅炉停运，从而对社会经济效益造成影响，而水煤浆燃烧系统出问题在其中占了一个很大比例。分析和判断水煤浆燃烧系统得到机理和原因是一项复杂工作，涉及到流体力学、燃烧学、锅炉运行和控制等多个专业领域的专业知识和经验。如何更好得监测，分析，控制运行和预测燃烧是锅炉使用单位技术人员和运行人员所要面对的一个重要问题。这对上述人员要求是相当高的。锅炉使用单位技术人员和运行人员普遍缺乏对燃烧的系统的，有深度的了解，即使是有经验的运行人员，也只是对已经碰到过的事件有处理经验，缺少对小概率事件的处理经验。而燃烧专家系统是个针对水煤浆燃烧系统设计的专业软件，它运用流体力学、燃烧学、锅炉运行、控制、人工智能、数据库等方面的知识，模拟水煤浆燃烧系统实际运行状况，分析预测燃烧的情况，使运行人员能及时准确的做出反应，在燃烧出现问题时，辅助技术人员找到原因。在平时又可以当运行人员的培训教程。总之采用专家系统辅助锅炉运行是个高效，安全又经济的选择。开发故障诊断专家系统的工作可分为两大部分：一是智能诊断模型的研究，即如何模拟人类专家来进行故障诊断，主要涉及知识库的构造和推理机制的实现，此为专家系统开发工作的核心：二是专家系统的软件开发，专家系统是一个智能计算机程序，它最终以软件方式提交，因此专家系统的研发过程同样也是计算机软件的开发过程，主要涉及软件开发方法和具体实现方式。本文的丰要工作为：1)对专家系统的开发方法进行了探讨，建立了专家系统软件开发牛存期模型。专家系统作为一种智能的计算机程序，其开发应遵循软件工程的基本原则，要充分利用软件工程的思想和方法。由于专家系统以知识作为处理对象，它的开发涉及计算机工程、人工智能及特定专业领域(如能源)，是一种特殊的基于知识的软件系统，因此它的开发又具有区别于其它软件开发的特别之处，但目前对专家系统软件开发方法进行的研究还比较少。本文结合水煤浆燃烧故障诊断专家系统韵开发过程和软件工程领域浙江A 学硕1：论文第章绪论的研究威果，对专家系统的软件开发方法进行了探讨，提出了。个适合专家系统软件开发特点的软件开发生存期模型。2)在对水煤浆燃烧系统的故障诊断进行深入研究的基础上，利用专家系统、故障诊断、可靠性工程领域的理论和方法建立了诊断模型。该模型不仅满足水煤浆燃烧系统对故障诊断的要求，而且较好地模拟了维修专家的故障诊断能力，并具有较强的适应性和综合性。该模型由基于事例推理予系统和基于模型推理予系统两部分构成。基于事例推理了系统主要用于常见故障的快速诊断，以满足水煤浆燃烧系统的故障诊断要求时间紧的特点。它将专家经验总结为事例，借助基于事例的推理来模拟专家的形象思维，并具有系统自学习能力以提高系统的适应性。基于模型推理予系统用于诊断偶发故障。它将水煤浆燃烧系统故障诊断的模型知识表示为扩展故障树，通过基于模型的推理来模拟专家的逻辑思维。在该予系统中，实现了基于可靠性数据的概率统计故障诊断方法以及该方法与专家经验的综合。该r系统也具有自学习能力。3)水煤浆燃烧故障诊断专家系统开发。水煤浆燃烧专家系统丰要包括以下六个功能模块：燃烧错误分析、燃烧预测、堵枪预测、辅助工具、专家扩充、用户管理。软件计划采用目前的丰流编程工具一微软的N E T 作为开发专家系统的丰要工具，开发平台为关系数据库S q l S e r v e r 2 0 0 0。浙江大学硕仁论文第，+章故障诊断专家系统开发方法探讨第二章故障诊断专家系统开发方法探讨2 1 专家系统概述2 2 1 1 专家系统概述自从S t a n d f o r d 大学于1 9 6 8 年开发第一个专家系统D E N D R A L 以来，专家系统由于其广泛的应用范围和能产生巨大的经济效益而得到了越来越多的应用。专家系统的创始人S t a n d f o r d 大学的E A F e i g e n b a u m 教授(D E N D R A L 的开发者1于1 9 9 3 年指出，几乎所有的专家系统的工作效率至少比人高l o 倍，而且能提高解决问题的质量，继承和发展专家经验。F e i g e n b a u m 教授将专家系统定义为：专家系统是一个智能计算机程序，它利用知识和推理过程来解决那些需要杰出人物的专家知识才能解决的复杂问题，所用的知识和推理过程可认为是最好的领域专家的专门知识模型。专家系统的主要特征是：1)具有专家水平的专业知识人类专家之所以能称为“专家”，是因为他掌握了某领域的专f l：t t l 议，使得他在处理问题时能比别人技高一筹。专家系统要达到人类专家解决问题的水平就必须具有专家级的知识，专家系统的性能水平取决于其知识库的大小和质量。2)能够进行有效的推理专家系统的根本任务是求解特定领域的实际问题，问题求解过程就是一个推理过程。所以专家系统必须具有适用于该领域的推理机制。能够根据用户提供的己知事实，运用掌握的知识，进行有效的推理，以实现对问题的求解。3)具有知识获取能力专家系统的基础是知识的存储和利用，知识获取是得到知识的唯一途径。知识获敢的任务就是将人类已有的知识从大脑或书本中抽取出来，表示成计算机能理解的形式，然后输入到计算机中，为专家系统能够完成领域专家所能完成的工作提供知识基础。一4)具有交互能力专家系统多为交互式系统，一方面它需要与领域专家及知识工程师进行对话以获取知识，另一方面它也需要通过与用户对话以拇到求解问题时所需的己知事实。专家系统的这一特征为用户提供了方便，亦是它得以广泛应用的原因之一。5)具有解释能力人们在应用专家系统求解问题时，不仅希望得到正确的答案，而且还希望了解得出该答案的依据，因此专家系统一般都具有解释能力。6)具有一定的复杂性及难度浙江火学硕十论文第章故障诊断专家系统开发方法探讨专家系统拥有知识，并能利用知识进行推理，以模拟人类求解问题时的思维过程。由于人类的知以是丰富多彩的，其思维方式也多种多样，目莳尚难以实现对人；电思维的完全模拟。根据系统所解决问题的性质可将专家系统分为：解释型、诊断型、预测型、咨询型、设计型、规划型、控制型、监测型、教学型、维修型、工具型、决策型和管理型等。从专家系统的角度而言，诊断型专家系统的特点是在解空问中的解是有限的，也就是说所研究的对象的有关状态是已经确定了的，解空间相对封闭是专家系统在故障诊断中得到广泛应用的重要原因之一。2 1 2 专家系统的基本结构不同的专家系统，其功能和结构都不尽相同，但为了完成专家系统最基本的功能，它至少要包括4 个组成部分：知识获取模块、知识库、推理机和人机接口，如图2 1 所示。领域争家般刚广H人桃按l l儿-知识获取儿。rI 知识数矗l i 库Ij推强!和l图2 1 专家系统基本结构图知识获取模块是专家系统中获取知识的机构，由一缎程序组成。其基本任务是把知识输入到知识库中，并负责维持知识的一致性及完整性，建立起性能良好的知识库。知识库是知识的存储机构，用户存储和管理特定领域中包括专家经验在内的各种知识。知识库中的知识来源于知识获取模块，同时它又为推理机提供求解问题所需的知识，与两者都有密切关系。推理机是专家系统的“思维”机构，用来模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。它根据已知事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，得出问题的答案或涯明某个假设的正确性。人机接口是专家系统与用户、领域专家或知识工程师进行信息交换的媒介，用于完成输入输出工作。领域专家或知识工程师通过它输入知识、更新、完善知识库：一般用户通过它输入欲求解的问题及已知事实；系统通过它输出结果或者向用户索取进一步的事实。浙江人学硕十论文第二章故障诊断专家系统开发方法探讨2 1 3 专家系统的开发专家系统的开发包括系统的设计、实现、测试、评价，以及丌发工具和语言的选择等内容，可分为两大部分：一是针对知识的开发内容即如何束获取知识和利用知识，主要涉及知识库的构造和推理机制的实现；二是专家系统的软件丌发，主要涉及软件开发方法和具体实现形式。专家系统的开发技术随着人工智能研究的深入，取得了长足的进步。系统的体系结构也发生了深刻的变化，由最初的单一知识库及单一推理机发展为多知识库和多推理机，由集中式专家系统发展为分布式专家系统。随着近年来人工神经网络研究的再度兴起，神经网络专家系统以及把符号处理与神经网络相结合的专家系统已成为研究热点。应该指出，专家系统在其发展过程中还存在不少有待解决的问题。例如，知识的完备性、知识的自动获取、深知识的表达与利用、分布式知识的处理、多专家的合作与综合、常识性知识的推理等等。专家系统的知识容量和推理能力与人类专家相比还存在很大的差距，不能完全代替人类专家。解决这些问题还需要进一步的研究，同时也有赖于人工智能其它研究领域的共同发展。专家系统是一门综合性很强的边缘学科，开发一个成功的专家系统需要系统设计人员和应用领域的人类专家的密切合作。一般将系统设计人员称为知识工程师，将人类专家称为领域专家。2 2 专家系统软件开发生存期模型I 体”I2 2 1 软件工程概述2 0 世纪6 0 年代以后，随着软件开发规模和复杂程度的不断增加，在软件的开发和维护过程中暴露出一系列严重问题，产生了“软件危机”。为了解决软件危机，逐渐形成了计算机领域中的门新兴学科一计算机软件工程学，简称软件工程。软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学科，它采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护软件，把经过时间考验而证睨是正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来。软件工程的基本原理是：1)用分阶段的生命周期计划严格管理：2)坚持进行阶段评审；3)实行严格的产品控制：4)采用现代程序设计技术；5)结果能清楚地审查：6)3 q：发小组的人员应少而精；7)承认不断改进软件工程实践的必要性。第章故障诊断号家系统开发方法探讨一个软件从定义、开发、使用和维护，到最终被废弃，要经历。段较长的时间，通常将软件经历的这段时间称为生存周期。为了有效地描述软件生存期内各种活动是如何组织的，就诞生了软件生存期模型，它是软件工程基本原理的具体体现。软件_ 丌发生存期模型是用来描述从软件项目需求分析开始，直至该软件交付使用为止，整个开发过程中各种活动和任务的结构框架。迄今为止，国内外学者己提出了多种软件开发生存期模型，例如瀑布模型、进化模型、螺旋模型、原型开发模型、喷泉模型、基于面向对象技术的开发模型等等。在这些模型中最基本的是：瀑布模型、原型开发模型和基于面向对象方法的开发模型，其余均为在它们基础上改进或组合而成。例如，进化模型是原型开发模型的一种特例，螺旋模型是由瀑布模型和进化模型组合而成。本文对这三个基本模型简介如下：1)瀑布模型瀑布模型规定了软件开发过程中的各项工程活动，一般包括可行性分析、需求分析、总体设计、详细设计、编码及测试六项活动。并规定了它们自上而下，相互衔接的固定次序，如同瀑布流水，逐级下降。瀑布模型的各阶段间具有顺序性和依赖性，在编码前设置系统分析和系统设计两个阶段，在这两个阶段内主要考虑目标软件的逻辑模型，不涉及物理实现。瀑布模型通过严格地区分逻辑设计与物理设计，尽可能推迟程序的物理实现，从而最大限度地避免了因软件开发前期失误而导致软件编码阶段的被迫返工，这种返工往往会带来重大损失，甚至灾难性的后果。这也是按照瀑布模型开发软件的一条重要指导思想，同时瀑布模型的阶段性划分也有利于保证开发质量。该模型创立时间较早，它为软件开发提供了一个较为成熟和完善的管理模式，而且直观易学，曾经给软件产业带来巨大的进步，部分缓解了软件危机。该模型最突出的缺点是缺乏灵活性，特别是无法解决软件需求本身不明确或不准确的问题；其次还有修改困难、难以维护和软件模块重用性差等问题。专家系统的开发特点之一就是软件需求在初始阶段难以定义得很完整，因此单纯的瀑布模型不适于专家系统的开发。2)原型_ 丌发模型原型开发模型的主要思想是：借助原型(e P 所开发软件的一个早期可运行版本，它反映了最终系统的部分或全部重要特性)来进行软件开发。在_ 丌发初期，开发人员根据自己对用户需求的理解，利用开发工具快速构造出原型软件，用户及，1：发人员通过对原型软件的试运行、评价、修正和改进，逐步明确对软件的功能需求以进行孤式开发或者直接把原型扩充成最终产品。原型丌发模型有两种方式浙江人学硕十论文第一章故障诊断专家系统开发方法探讨(1)抛弃原型法建立原型系统的目的，是评价目标系统的某个(或某些)特性，以便更准确地确定需求，或更严格地验证设计方案。源型系统使用后即被抛弃，然后重新开发正式的目标系统。(2)演化原型法该方法是种高度迭代的动态方法，其基本做法是：在开发初期，开发人员根据自己对用户需求的理解，利用适当的开发m g(例如第四代语言)快速构造出一个“样品”(即原型)作为各方沟通的基础和用户实践的场所，该原型能够反映用户的主要需求，然后将原型提供给用户，用户经过试用后向开发人员做出“反馈”，通过“试用一反馈修改”的多次重复，最终开发出真正符合用户需要的应用系统。演化原型法的动态性对开发人员和用户都是一种挑战，它的成功在很大程度上取决于：双方是否都愿意在很长一段时间内对信息交流和修改系统采取开放的态度。原型法的最大优点是能够明确用户对系统的需求，保证系统开发质量，而这一点对专家系统的开发尤为重要。3)基于面向对象方法的开发模型面向对象方法学的出发点和基本原则是，尽可能模拟人类习惯的思维方式，使开发软件的方法和过程尽可能接近人类认识世界、解决问题的方法与过程，也就是说使描述问题的问题空间(亦称问题域)与实现解法的解空间(亦称求解域)在结构上尽量保持一致。面向对象方法以对象作为基本元素，从计算机模拟的角度，可将对象分为两类：客观对象，指客观世界中具体的事物、事件或抽象概念等，显然对象会因问题空间的不同而不同，即所要解决的问题不同，客观对象的内容也不一样，例如，一个人、一台设备都可以成为一个对象：计算机中的对象，指按照面向对象方法设计的软件的所有组成部分，是对客观对象的一种内部袭示。面向对象方法具有下述四个要点：(1)客观世界是由各种对象(O b j e c t)组成的，任何事物都是对象，复杂的对象可以由比较简单的对象以某种方式组合而成，整个世界就是一个最复杂的对象。同样，面向对象的软件系统也是由对象组成的，软件中的任何元素都是对象，复杂的软件对象由较为简单的对象组合而成。(2)所有对象都被划分成各种对象类(C l a s s，以下简称类)，每个类都定义了一组数据和一组方法。数据用于表示对象的静态特性，是对象的状态信息。因此，每当建立特定类的个新实例时，就按照该类中对数据的定义为这个新对象生成一组专用的数据，以描述该对象独特的属性值。类定义中的方法，是允许施加于该类对象上的操作，是该类所有对象共享的，无需为每个对象都复制操作的代码。浙江人学硕十论文第一章故障诊断争家系统开发方法探讨(3)按照子类(办称派生类)与父类(亦称基类)的关系，把若干个对象类绸成个层次结构的系统(办称类等级)。在这种层次结构中，通常下层的派生类具有和上层的基类相同的特性(包括数据和方法)，这种现象称为继承(I n h e r i t a n c e)。但是，如果在派生类中对某些特性又做了重新描述，则这些特性将以新描述为准，即低层的特性将屏蔽高层的同名特性。(4)对象彼此间仅能通过传递消息互相联系。对象是进行处理的主体，只能发消息请求它执行它的某个操作，处理它的私有数据，而不能从外界直接对它的私有数据进行操作。也就是说，一切关于该对象的私有信息，都被封装在该对象类的定义中，就像封装在一个黑箱中一样，在外界是不可见的，也不能直接使用，这就是q 寸装性”。综上所述，面向对象的方法学可用下面方程概况：0 0 2 0 b j e c t s+C l a s s e s+I n h e r i t a n c e+C o m m u n i c a t i o nw i t hm e s s a g e s用面向对象方法开发软件，通常需要建立三种形式的模型，它们分别是描述系统数据结构的对象模型，描述系统控制结构的动态模型和描述系统功能的功能模型。面向对象的软件开发过程可分为三大阶段：(1)面向对象分析面向对象分析过程分为论域分析和应用分析，论域分析建立大致的系统实现环境，应用分析则根据特定应用的需求进行论域分析。(2)面向对象设计通常面向对象设计有两个阶段构成。系统设计，用于确定实现系统的策略和目标系统的高层结构；对象设计，用于确定解空间中的类、关联、接口形式及实现服务的算法。(3)面向对象实现该阶段主要包括两项工作：把面向对象设计结果，翻译成用某种编程语言书写的面向对象程序：测试并调试面向对象的程序。该模型的主要优点有：与人类习惯的思维方法一致；便于描述客观世界；歼发的软件性能稳定，易于重用和维护：在生存期各阶段问具有高度的连续性，即后阶段的成果是前一阶段成果的补充和修改。该模型的缺点为：自底向上的开发顺序造成了在设计底层的对象和实体时存在一定的盲目性；由于对象间的消息传递不能完整地体现出系统的总体功能，仅靠对象问消息传递构成的系统的结构性较差。面向对象模型现已成为软件开发中应用最广的一种方法。2 2 2 专家系统的软件开发特点专家系统作为一类特殊的基于知识的软件系统，其软件开发特点为浙江人学硕1：论文第二章故障诊断专家系统开发方法探讨1)类似于人类专家只是某一方面的专家一样，任何一个专家系统均面向一个具体领域，适用范围较窄。例如，出于不同诊断领域，其诊断问题的描述、诊断知识的使用与组织、诊断知识的学习、诊断信息的类型与获取等诸方面是不同的。所以，对一个领域、一类设备非常有效的诊断方法，在另一个领域、另一类设备可能完全不适用。2)专家系统以知识和信息作为处理对象，其开发过程就是获取知识和利用知识的过程，面向知识进行开发是专家系统开发的重要特点。由于知识可能是不精确的、不完备或者模糊的，所以增加了软件的难度和工作量，一般软件以数据作为处理对象，则不存在这种问题。3)事实证明，一旦用户开始使用一个软件后，他头脑中原有的对该软件的需求就会发生或多或少的变化，这往往使最初提出的需求变得不适用了，让用户不经过实践就能提出完整的需求，在许多情况下是不切合实际，对于专家系统所要解决的特定领域的复杂问题而言更是如此；另一方面，专家系统开发涉及到大量的专业知识，而软件开发人员一般并不是该领域的专家，他们对特定领域的熟悉需要一个过程。因此，专家系统的软件需求在初始阶段难以定义得很完整。4)专家系统的求解过程就是利用人工智能理论对知识进行推理的过程，这些理论可分为符号智能和计算智能两大类。由于以上内容难以利用数学模型进行描述，因此在程序开发时没有确定的算法。5)大多数专家系统的体系结构采用了控制和知识相分离的构造原则，即知识库与推理机是相互独立的。而一般软件通常将控制和知识相混合。2 2 3 专家系统软件开发生存期模型根据前述内容和已有系统的开发经验，本文认为专家系统的开发应采用渐增式的开发策略，整个软件开发生存期由一系列动态过程组成。一方面是因为系统本身比较复杂，需要设计并建立知识库，编写知识获取、推理机等模块，工作量较大；另一方面，也是最重要的原因是所设计的知识表示法及推理模型不一定完全符合领域问题的实际情况，需要边建立、边验证、边修正，因此系统的刀：发和评价总是并行的，在系统丌发初期尤为如此：第三方面的原因是参加系统开发的人员既有领域专家、又有知识工程师、程序设计人员以及部分用户，人员结构较为复杂，存在如何协调、密切合作等阀题。因此，系统开发过程虽然可按自顶向下的顺序进行，但会有经常性的反复回溯，在每一阶段都可能要修改前面己完成的工作。专家系统的软件开发生存期模型在总体上可采用瀑布模型，在需求分析后应采用原型开发模型以进一步明确软件需求，在总体设计和详细设计阶段中。白：选用基于砸向对象技术的开发模型来增加各功能模块的独立性、内聚性和重用性，以便于修改。丌发过程参见图2 2，各阶段内容如下：浙江人学硕十论文第一章故障诊断专家系统开发方法探讨圈2 2 软件开发生存周期1)需求分析在该阶段，知识工程师通过对相关领域专业知识的学习，在领域专家的帮助下，对涉及领域进行深入调查，然后初步确定软件需求，即系统的主要功能、使用要求和用户界面等。需求分析做得好坏是系统最终成败的一个关键，向且是专家系统的艰难的开发过程韵第一关。2)知识获取它是在领域专家的密切配合和支持下，知识工程师搜集和整理所涉及领域的理论知识和专家经验的过程。知识所其有的特性，决定了这个过程是反复进行、不断修改、扩充和完善的。知识获取是系统开发过程中最重要的一步，也是最I 耋I难的一步，被称为专家系统开发的“瓶颈”。3 1 知识表示根据涉及领域的特点和已获取的知识，确定知识表示方法。由于知泌类型较多，在构造具体系统时，一般将多种表示方法集成使用。4)推理机制确定基于知识的推理以知识表示为前提，所以在步骤3 完成后，需根据所涉及领第二章故障诊断专家系统开发方法探讨域的特点和知识表示方法确定推理机制。5 1 原型系统的丌发、评估和改进在领域专家的帮助下，选取一个典型的子系统进行原型系统丌发，开发目的为：让用户实际看到未来系统的概貌，使软件需求具体化以便得到撮终确定；验证已获取知识的完备性、知识表示的正确性和推理机制的可行性；初步选定开发平台和编程语言。由于原型系统本质上也是一个小规模的专家系统，而且需要经过反复修改，所以其开发模型宜选用基于面向对象技术的开发模型。6)总体设计根据明确后的需求要求，利用面向对象技术从宏观上设计系统的体系结构，进行功能模块的划分，确定各功能模块间的相互关系。7 1 详细设计根据总体设计结果，采用面向对象技术完成各功能模块的具体方案设计，具体包括知识获取、知识库和推理机等模块。8)进行程序编码在开发平台上利用编程语言，实现详细设计目标。9)系统测试和评价测试和评估整个系统的功能与性能，并进行修改以达到用户要求。2 3 设备故障诊断概述】2 3 1 故障诊断的基本概念1)设备的系统构成从系统论的观点而言，设备是由有限个“元素”，通过元素问的“联系”，按照一定的规律聚合而构成的。系统中的“元素”与“元素间的联系”这一总体称为系统的“构造”。系统的元素可以是子系统，而子系统的元素又可以是更深层次的子系统，直至其元素是物理元件。层次性是系统的一种基本特性。2)设备的功能设备的基本性质(或状态)取决于元素的性质(或状态)，而设备的行为(输出)则取决于设备的基本性质以及设备与外界的关系(输入、客观环境的影响和作用等)。设备的行为中人们所需要的，即设计中所要求实现且能完成定任务的部分称为设备的“功能”。3)设备的分类设备根据构造与功能，可分为三类：(1)简单系统在构造上，此类系统由若干物理元件组成，元件闫的联系是确定的；在功能l 二，系统的输入与输出间存在由构造所诀定的定萤的或逻辑的因果关系。浙江人学硕t 论文第：章故障诊断专家系统开发方法探讨f 2 1 复合系统在构造上，此类系统由多个简单系统作为元素组合而成，这种组合可以是多层次的，层次间的联系都是确定的，因而在功能上，复合系统的特点与简单系统的特点相同。(3)复杂系统在构造上=，此类系统由多个子系统作为元素组合而成，这种组合是多层次的，在于系统内部、层次之间的联系可能是不确定的；在功能上，系统的输入与输出之间存在着由构造所决定的一般不是严格的定量的或逻辑的因果关系。，4)设备的故障是指系统的运行处于不_|：F 常状态，并可导致设备相应的功能失调，致使设备的行为(输出)超过了允许范围，这种不正常状态称为故障状态。从层次关系上看，上一级系统元素的故障必来源于其下一级相应元素及其联系的异常状态，但上一级系统的联系有故障，并不一定来源于下一级的元素及其联系。造成系统的元素和联系处于故障状态的原因有：(1)工作环境异常，即系统的输入超出了允许范围：(2)I 作环境难常，元素及其联系的状态变化超出了允许范围；(3)上述二者的联合作用。5)系统的特征信号特征信号是指系统的行为(输出)中同系统的功能紧密相联系的那部分信号，它们包含了系统中相应元素、联系的有关状态的信息。对设备而著，所关心的功能往往是特征信号的一部分，因此如何选取包含信息最多的特征信号，就成为设备故障诊断领域中的一个重要课题。6)系统的征兆系统征兆是指对特征信号加以处理而提取的、直接用于诊断故障的信息。征兆是故障诊断的基本信息，有效地提取征兆是故障诊断的一个非常重要的问题。7)设备故障的基本性质(1)层次性复杂设备的结构可划分为系统、子系统、部件、元件等各个层次，其功能也可划分为若干层次，因而其故障和征兆也有不同的层次。(2)传播性有两种传播方式：横向传播，例如某一元件的故障引起层内其它元件的功能失调；纵向传播，即元件的故障相继引起部件一子系统一系统的故障。浙汕一人学硕：论文第二章故障诊断专家系统开发方法探讨f 3)放射性某一部件的故障可能引起其它部件出现异常，例如四角切圆布置的水煤浆燃烧器其中一个风道出故障有时会导致其它水煤浆燃烧器燃烧不稳定。f 4)相关性某一故障可能对应若干征兆；而某一征兆可能对应若干故障，它们之间存在错综复杂的关系。这种故障与征兆井非一一对应的关系是造成故障诊断困难的一个主要原因。f 5)延时性，故障的发生和发展以及故障的传播，均有定的时间过程。根据故障的传播时间，可判断故障的性质和位置；根据故障由量变到质变的发生和发展，可以进行状态预测和早期诊断。因此故障空间除了纵向传播和横向传播两个坐标轴外，还有时间轴需加以考虑。(6)不确定性故障和征兆信息的随机性、模糊性，加上某些信息的不确定性，组成了信息的不确定性。8 1 故障模式故障模式是故障发生的具体表现形式，一种故障模式可能由多个原因引起。9)故障原因故障原因是指引起故障模式的故障机理。lo)故障机理在应力和时间等条件下，导致故障发生的物理化学过程，称为故障机理。1 1)故障诊断的定义根据故障征兆，基于己知的诊断对象的结构知识及环境条件，结合该对象的运行历史(包括运行纪录、故障履历和维修纪录)，对其已经发生的故障进行分析、判断，确定故障性质、类别、程度、原因及都位，提出消除放障的调整、维修和治理等措施的过程。1 2)故障诊断的主要步骤故障诊断有三个主要步骤：第一步是检测设备状态的特征信号；第二步是从所检测到的特征信号中提取征兆；第三步是根据征兆和其它诊断信息来识别设备的状态，从而完成故障诊断。2 3 2 故障诊断的知识构成和诊断策略1)知识构成知识是以各种方式把多个信息关联在一起的信息结构，是人类在长期的生产和实践活动中所积累的认识和经验的总结。浙江人学硕十论文第啊二章故障诊断专家系统开发方法探讨知识可分为静态知识和动态知识，静态知识主要指对象性知识，包括与事物有关的各种概念，事物闯的相互联系和事物的插述等：动念知识是有关问题求解的知识，通常为一种过程，说明如何利用已有的数据和静态知识进行问题求解，例如，怎样寻找有关的事实，如何进行推理等等。根据人工智能领域对知识的分类方法以及设备故障诊断领域的特点，设备故障诊断知识可划分为：(1)故障征兆故障征兆属于事实性知识，是对设各发生故障时其各种特征属性值的定性或定量的描述。(2)背景知识表示与诊断对象故障诊断有关的知识，一部分来自理论分析、故障机理研究、模型实验的实测数据、故障可能引起的后果的分级等：其余来自珍断对象发生故障时的情景描述，包括故障类型、故障现象、处理措施等。f 3)经验知识经验知识是指领域专家在长期工作实践中积累起来的有关如何进行设备故障诊断的启发式知识，通常称为浅知识。它存在于专家的头脑中并被专家非常灵活地应用，虽然经验知识缺乏充分的理论依据，但在故障诊断中一般十分有效，开发专家系统的一个主要任务就是继承和推广专家的经验知识。(4)模型知识模型知识(亦称为深知识)是指基于设备的结构、行为和功能描述的知识，能够对新出现的故障进行诊断。(5)过程知识过程知识常常反映一个动态的具有时序的过程。如果一个过程能用数学模型描述，则过程知识可以出计算机程序流程图来定义。对该类知识的运用就是对描述它的过程的调用。f 6)决策知识决策知识为说明设备及其各予系统、部件和零件出现异常时如何采取措施的知识，包括针对各类故障可采用的检测和维修方案，以及故障重复发生时的对策等。决策知识一方面可作为故障排除和设备维修的参考，同时在故障不能完全确诊时也可作为经验知识的必要补充。f 7)控制知识控制知识是关于知识的知识。它一方面用于协调各类知