基于矩阵判别筛选法的机械故障诊断专家系统

ｃ　２　ｐ一【２　第１８卷第２　１９９８年６月　振动、测试与诊断　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　８Ｌ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｖ０１．１８　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．１９９８　基于矩阵判别筛选法的机械故障诊断专家系统　墨　高金吉　Ｔｆ＝）２７７　（辽阳石油化纤公司　辽阳．１１１００３）　摘要通过建立故障树确立了多征兆与多故障原因之间复杂的对应差系，提出了一种新的炬阵判　别筛选法．并建立了基于人工智能技木的故障诊断软件。在总结辽化十几年机械故障螨床诊断经　验、研究故障机理并吸收国内外同行诊断知识精华基础上编帝Ｉ了大量知识规期－所研制的旋转机　械故障诊断专家系统取得了璃意的结果．可以指导工程实跣。　关键词堑　型型必苎！竺苎　中围分类号ＴＰ２７７　机　象　在石化、冶金、电力等流程工业中，大型机组一旦发生故障，据监测结果及时准确分析出其　原因，指导维修决策和制定防治措施往往是生产中的关键。许多场合对同一监测结果，众说纷　纭，得不出一致结论，甚至经常发生误诊，造成巨大经济损失，因此研制人工智能机械故障诊断　程序（或称专家系统）十分必要。　近年来，美国ＥＮＴＥＫ、ＣＳＩ公司推出了故障诊断专家系统，Ｂｅｎｔｌｙ公司研制了故障诊断　工程师帮助系统等，已商品化并在我国推广应用。如何发挥我国设备诊断工程界的优势，总结　十几年机械故障诊断经验和故障机理的研究成果，研制有独创性的国产化故障诊断专家系统，　并能将其推广实用化是当务之急。　本文提出一种基于矩阵判别筛选法的人工智能实用诊断程序，并以诊断旋转机械振动故　障为例加以说明。　１关于最佳故障诊断程序的探讨　机械故障往往是多因多果，一种征兆可能反映多种故障，一种故障可能引起多种征兆。工　厂机械故障诊断实践一般是根据果——故障的征兆信息（如频率、转子轨迹、相位变化等）去探　因——故障的原因即可能是机器零件缺陷、机器部件或系统（例如轴系）的问题、机器零部件间　或与流体（汽、气、润滑油、工艺介质等）、电磁间相互关系的不协调以及外界干扰等等。　探求最佳故障诊断程序就是采用故障树分析（ＦＴＡ）方法，通过故障树建立果和因之关　系　果（征兆信息）在顶，因（故障原因）在底，通过“树”建立二者之闻的内在联系。所谓分析就　是建立相应的判据，从顶果来逐步寻求底因。因此最佳故障诊断程序的建立可以归纳为如下几　，收稿日期；１９９７—９５—１６；修改稿收刊日期：１９９７—０８—２７。　，　，　．＝¨　￣维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｚ期　高金吉：基于矩阵判别筛选法的机械故障诊断专家系统　器｜｝　确　棼匠　岳！璺晕拦取Ｈ、，簟睾粹　一田　１２１　维普资讯 http://www.cqvip.com

１２２　振动、测试与诊断　第１８卷　个步骤：　（１）　列出所有的因和果，并分析选出“一次因”和“直接果”；　（２）将因、果进行科学分类，根据故障机理的研究，将本质上不同的通过分类加以区分；　（３）精选出最能代表故障的主导征兆参数，将果分类并找出其与因类的对应关系；　（４）　根据相应的判据从因类之诸因中筛选取可能的因。　在故障分析过程中，我们采用矩阵规则进行判别来由果寻因。这种方法就是一种筛选法，　如果不知果即对任何征兆参数一无所知则全部因均为可能；如了解一些征兆信息，通过矩阵规　则判别可以找出其因类，并可由果类找出几种或一、二种最可能的因。了解的征兆参数越多，找　出的因就越少，就有可能找出唯一的原因　这种方法的优点是，能产生果的全部因均列入判别筛选之列，如果所测得征兆信息真实准　确，矩阵规则正确无误，一般可以得出满意结果。即使在征兆知道较少情况下也能排出一些因，　从而缩小可能的因的范围。此外，采用计算机人机对话进行判别快速、简捷，是人思维无法比拟　的　因此采用故障树分析的基于矩阵判别筛选法的机械故障诊断专家系统前途可观。　２矩阵判别筛选法及其应用　在由果寻因的程序中，将横列出全部因（Ｙ１Ｙ２…Ｙｎ），在矩阵左行列出规则（Ｒ１Ｒ２…Ｒｉ），　在诊断程序中规则主要内容是果即一些征兆信息，并将此征兆在横向对各因进行判别，可分为　是、否、不能确认三种情况，对诸因打分，为０则舍为ｌ则取。这样通过若干规则进行筛选将可　找出最大可能的一种或几种因，其结果如下图２所示：　因１　因２　因３　因　Ｙ　０　１　０　０　规刚１　Ｎ　１　Ｏ　１　１　ＹＮ　１　１　１　１　Ｙ　１　０　０　ｌ　规则２　Ｎ　０　１　１　０　ＹＮ　ｌ　１　１　１　Ｙ　０　Ｏ　１　０　规则ｉ　Ｎ　１　１　０　１　ＹＮ　１　１　ｌ　１　图２矩阵判别筛选示意图　在上述判别矩阵中，如对规则１回答Ｙ，对规则２回答Ｎ，对规则ｉ为ＹＮ即不知是与否，　则最终结果因２为最大可能原因（因果表中没列出其它诸因，下同）。又如对规则１回答Ｎ，对　规则２、ｉ均回答ＹＮ，则最佳结果为因１、因３和因ｎ为最大可能原因。　这种方法亦可推广应用，如可将横列为诸规则，这样可以用判别法筛选规则的取舍。　３旋转机构故障诊断专家系统总体结构　图１列出了由辽化为总承担单位开发的中国设协设备诊断工程软件库中的旋转机械故障　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　高金吉：基于矩阵判别筛选法的机械故障诊断专家系统　１２３　诊断实用程序总体框架。实际上是一种故障树结构，其诊断过程就是以人机对话形式采用人工　智能矩阵判别筛选来完成　该专家系统由６个层敬构成，现概要说明如下　第１层：机器类型及测试方式　采用选择方式输入主机名称、驱动机、联接方式、密封形式、测试传感器配置等。程序可据　此采用矩阵判别法来决定一次故障原因（５８种）和程序中规则的取舍，如采用电机驱动则与汽　轮机有关的一次故障原因和规则均舍去；如测试中采用单涡流探头，则与轴心迹有关的规则均　自动删除。　第２层：初步诊断和精确诊断　在简单测试没有频谱分析的场合只能采用初步诊断，如有振动分析可以单独选用精确诊　断或者是初步诊断后精确诊断二者同时进行。　初步诊断是按振动趋势及其随转速、负荷等变化规律来初步判别，一般难以得出一、二种　可能的故障原因　但也有例外，如在电机驱动场合采用规则（均断电源后，振动立刻明显变ｔｂ）　则可能直接推断出振动一次原因可能是与电有关的问题。　第３层：由主导征兆信息确定故障原因类别　在对故障机理研究的基础上，找出最能识别故障原因的主导征兆信息，并将其与某类或某　几类故障原因类相对应。在本程序中将故障原因分为十类：转子自身、轴系（予负荷）、转子与定　子相互作用之一电磁力、之二摩碰、之三流体动力、临界、共振、零部件、其它。　第４层，由诸故障原因类中确定一类　则一主导征兆可能有几种乃至十种故障原因类，如同频振动就有可能十类故障均会产生。　要由规则来判别取舍哪一类或二类为可能故障类。　第５层：由故障原因类确定故障一次原因　所谓故障一次原因是指直接产生故障征兆的原因，奉程序共编有５８种故障一次原因　有　些机纽问题如基础沉降、管道力等不列入故障一次原因，而它们可能引起的对中不良，松动、转　子定子不同心等才列为一次原因，它们本身称为故障二次原因　第６层：由故障一次原因查找故障二次原因　程序中由得出的故障一次原因可以查得引起这些一次原因的故障二次原因，诸如设计制　造、安装维修、运行操作、机器劣化等问题及防治对策。　该程序具有故障报告打印功能，将机器及测试有关情况　诊断出的故障原因以报告输出，　同时可以查阅对规则回答的历程，便于用户查找分析，也为在实际应用中不断改进完善专家系　统提供了原始依据　４本系统的特点及展望　本文所研究的专家系统与当前国际上商品化及国内一些院校研制的专家系统有许多不同　之处，是一种新的探索。　（１）　专家系统中的矩阵判别知识规则是辽化十几年应用诊断技术集体智慧的结晶。在总　结辽化处理大量的机械故障临床诊断经验的基础上，研究了故障机理，对故障原因及主导征兆　进行了科学分类，吸取了美国故障诊断专家ｓｏｈｒｅ表格的精华，纠正了其不足之处，编制出自　维普资讯 http://www.cqvip.com

１２４　振动、捌试与诊断　第１８卷　己的故障诊断表格用来编制知识规则。这些表格主要有：旋转机械故障机理、振动故障频率特　征分类，同频振动、超异步振动，亚异步振动原因及识别特征一览表。其中大部分均未公开发　表。　（２）奉系统采用矩阵判别筛选法，通过计算机程序实际上对十类５８种故障均在“考虑　之列，据矩阵规则中的征兆特征判别其取舍，如果对征兆特征了解的较多，并且回答正确，可以　得出一种或＝、三种故障可能原因。即使了解的征兆很少，也可以为用户提供多种可能故障原　因供分析参考。故障征兆和故障一次原因错综复杂的对应关系，通过程序建立起来，“考虑”问　题周密、迅捷，可以达到故障诊断专家水平。并且可以在故障诊断实践中，据发现的问题或诊断　不当十分简便地修改程序，以利逐步完善。　（３）奉系统不采用概率、隶属度、可信度和模橱等方法，凡是肯定排除的故障则舍去，凡　是不能舍去的故障原因一律到为可能故障原因，供现场决策时参考。而采用概率方法可能将这　类故障忽视，如对同频振动几乎７０　振动原因为转子不平衡，但从振动故障机理分析引起同　频振动原因有十类２７种，采用本专家系统对所有故障原因“一视同仁　，这样有利于诊断不常　见和疑难故障。在工厂处理故障时，只要有救小的可能原因也应列入考虑之列，并设法采用专　家系统提示的判别规则做一些补充测试、分析来进行精细判别，而不是靠经验概率来决定取　舍。这样有时能避免误诊，事半功倍。　本文研究的系统无论在知识规则的建立，程序总体结构及推理方法均是一种新的探索，有　其独到之处。该系统是中国设备管理协会主持开发的ＺＺＢ－ｌ振动诊断工程软件包重要组成部　分，已在全国一些大流程工业推广应用，今后将继续努力逐步做到量化和自动诊断并应用于　ＤＭＳ集散监测诊断系统。　参　考　文　赫　１　高金吉．高速涡轮机械振动故障机理及诊断方甚研究：［博士论文］．北京：清华大学力学系，１９９３　２高金吉．旋转机械同频振动机理及故障识别特征（Ｉ－）、（下）．振动与冲击．１９９３，（４）：４２￣４９；１９９４（４）：２７～　３２　３高金吉．旋转机械振动故障原因及识别特征研究．振动、捌试与诊断，１９９６，（３）：３～５　４邝朴生．故障特性与诊断思维方法．见：全国设备诊断技术学术会议’９５论文集．武汉，１９９５，１５１～ｌ５６　６高金吉．姥文涛．振动诊断工程（旋转机械）软件包．中国设备管理，１９９６，（１１）：２８￣２９　作者简介：高金吉男，１９４２年ｌ２月１目生。教授级高级工程师、工学博士，现任石化辽阳　石油化纤公司尉总工程师ｔ略尔滨工业大学兼职教授、副博士导师，国家级有突出贡献中青　年科技专家，中国设备管理协会设备诊断工程委员会主任委员。发表过　Ｒｏｔｏｒ　ｔｏ　Ｓｔａｔｏｒ　Ｒｕｂ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　（ＮＡＳＡ　ＣＰ２４０９　ＵＳＡ．１９８５，６）和“设备诊断　工程与集散监铡系统”．（《石油化工设备技术）），Ｖｏ１．１７，Ｎｏ．５．１９９６）辱论文。　、　ｌ　、ｌ