??? 緒論 ?
§ 1 ? 研究的意義及必要性
燃氣輪機是典型的動力設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于電力、能源、交通及軍事等關(guān)系國計民生的重要部門。因此，研究如何提高燃氣輪機使用壽命及可靠性，減少事故發(fā)生，以充分提高其經(jīng)濟性及安全性系數(shù)，無疑具有重要的意義。
本文研究的目的是，通過對燃氣輪機（以 MS6001B 型燃氣輪機為母型）的運行工況實施監(jiān)測，分析、比較實測參數(shù)同其歷史運行參數(shù)及設(shè)計性能之間的關(guān)系，以判斷機組實時運行點是否在允許的范圍之內(nèi)，從而得出機組運行經(jīng)濟性和安全性方面的評估，供機組管理人員參考和決策；另一方面，根據(jù)評估結(jié)果及實時運行工況，分析實測參數(shù)的變化趨勢，對機組可能即將發(fā)生的故障予以報警，對已經(jīng)發(fā)生的故障依照專家的經(jīng)驗和知識指出其故障的部件、原因并采取可能的自動診斷措施或向管理人員推薦最佳維修方案，而這一工作將由專家系統(tǒng)來完成。
對燃氣輪機實施狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷是必要的。從經(jīng)濟性的角度來看，有利于將燃氣輪機的定期維修制或“壞了再修”的思想轉(zhuǎn)向合理的視情維修制。定期維修從理論上分析對指數(shù)型、矩形和正態(tài)分布型等幾種常見的損壞分布函數(shù)的實用性仍然是十分有限的
[4]
，且在實際工作中也還帶有較大的盲目性，即往往不是出現(xiàn)機件失修，就是出現(xiàn)對機件的毫無根據(jù)的檢修，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，用于對機件的毫無根據(jù)的維修費用約占全年維護開支的
7
％
[2]
，既勞民傷財，又有損機件的精度。以科學(xué)的預(yù)報代替費時費力的盲目檢修，既可以避免維護人員的無功勞動又可以延長機組的壽命，使維修工作合理化，節(jié)約人力和燃料的開支。因此采用“以運轉(zhuǎn)工況為依據(jù)”的視情維修策略，從經(jīng)濟性上講是合理的。從安全性的角度來講，對燃氣輪機實施監(jiān)控和診斷更為必要，只有以安全性為前提，談經(jīng)濟性才有意義。縱觀國內(nèi)外，由于燃氣輪機的不安全運行而導(dǎo)致蒙受重大經(jīng)濟損失的事例并不鮮見。如
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§ 2 ? 國內(nèi)外研究動態(tài)
近年來，狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷領(lǐng)域取得了長足的進展，并且提出了各種診斷模型，較著名的有故障陣法、最短距離法及小偏差方法等，它們都有一個共同的特點：即監(jiān)測燃氣輪機運行參數(shù)的變化，在該模型的作用下，直接定位到故障源。事實上，僅僅基于模型的診斷方法有一定的片面性。首先，模型的診斷對象大都是針對某幾個具體參數(shù)的變化或某些特定部件的不正常狀態(tài)，對于其它類型的故障則視而不見，故其適用面較窄；其次，模型的抽取本來就是一個忽略許多因素的不精確過程，然而燃氣輪機實際運行工況千變?nèi)f化，很難得出符合實際情況的精確的診斷結(jié)論。事實證明，有經(jīng)驗的操作人員或燃機運行專家對于故障的判斷或定性享有很大發(fā)言權(quán)，這里專家的經(jīng)驗則顯得尤為重要。正是基于這一點，使得依賴專家的經(jīng)驗和知識運作的專家系統(tǒng)同故障診斷領(lǐng)域日趨結(jié)合，這就是故障診斷型專家系統(tǒng)。
目前，故障診斷型專家系統(tǒng)已經(jīng)由基于淺層知識診斷推理為主的第一代系統(tǒng)發(fā)展成為基于深知識診斷推理為主的第二代系統(tǒng)，知識表示和推理策略也由單一的模式發(fā)展為多種知識表示及推理技術(shù)相結(jié)合的層次化模型。在這方面有許多成功的先例，如 1983 年 GE 公司推出的“萬能修理機”， 1978 年 Westing house 電氣公司的透平發(fā)電機診斷系統(tǒng)，以及卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)的通用過程診斷系統(tǒng) PDS ，就是 3 個典型的代表。尤其是模糊數(shù)學(xué)的介入，又給不精確推理機制提供了強有力的手段。
有關(guān)方面的研究開發(fā)在我國也方興未艾。自
80
年代起，故障診斷專家系統(tǒng)開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)，首例是華北電力學(xué)院于
1986
年推出的日調(diào)度計劃系統(tǒng)，此后又出現(xiàn)了火力電廠事故診斷專家系統(tǒng)，近期推出的有華中理工大學(xué)的汽輪發(fā)電機在線故障診斷專家系統(tǒng)，上海交通大學(xué)
?
§ 3 ? 關(guān)于燃氣輪機系統(tǒng)故障
一、燃氣輪機可靠性與故障
燃氣輪機可靠性是指燃氣輪機應(yīng)完成規(guī)定功能的能力，同時使本身的使用指標在所要求的工作期限內(nèi)保持在規(guī)定的范圍內(nèi) [3] 。
燃氣輪機故障就是燃氣輪機某工作狀態(tài)的參數(shù)不符合技術(shù)文件的要求，即是不符合技術(shù)文件中某一項的要求 [3] 。
燃氣輪機的可靠性與故障是矛盾的兩個方面，故障多則可靠性自然下降，而要提高可靠性勢必要減少故障及降低故障率。燃氣輪機屬于高速旋轉(zhuǎn)機械，處于“三高”（高轉(zhuǎn)速、高負荷、高溫）環(huán)境下工作，加之本身構(gòu)件復(fù)雜，工作環(huán)境千變?nèi)f化，使燃氣輪機在使用期間容易出故障，此外燃氣輪機又屬于多發(fā)性故障的機械，因此，研究燃氣輪機故障診斷專家，就是要確保燃氣輪機能正常地工作。
二、燃氣輪機故障分類
由于燃氣輪機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其工作環(huán)境的多變性，導(dǎo)致其故障類型及故障模式紛繁復(fù)雜，從總體上看分為 3 類：
1. 性能型故障 ?? 這種故障能導(dǎo)致機組性能的顯著下降，性能型故障多表現(xiàn)在機組最大負荷下降，耗油率過高，部件效率下降，渦輪排氣溫度過高，壓氣機喘振等。
2. 結(jié)構(gòu)強度型故障 ? 這類故障的后果較為，嚴重表現(xiàn)為機組強度不足引起的破裂與損傷，高、低周疲勞損傷、熱疲勞損傷等，如壓氣機葉片磨損及斷裂。
3. 輔助系統(tǒng)型故障 ?? 這種類型的故障往往會誘發(fā)前述兩種類型的故障，如控制系統(tǒng)的故障會導(dǎo)致壓氣機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定這類性能型故障，繼而有可能導(dǎo)致壓氣機葉片斷裂這類結(jié)構(gòu)強度型故障。
我們認為故障的發(fā)生是一個漸變的過程，在故障發(fā)生之前，總會表現(xiàn)為一定的征兆，而這種征兆不可避免地表現(xiàn)為燃氣輪機相關(guān)熱力參數(shù)的異常變化。通過監(jiān)測并分析熱力參數(shù)的變化趨勢，可以盡早地預(yù)報故障或給以相應(yīng)診斷措施。這就是本文研究的故障診斷專家系統(tǒng)的基本出發(fā)點。
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有趣的是，有人經(jīng)過分析得出了故障分布的浴盆曲線，從而給出了另一種分類方法，如圖
1
－
1
所示，其形狀似浴盆，故稱之為浴盆曲線，
t
為時間軸，
§ 4 ?? 故障診斷及專家系統(tǒng)概述
一、故障診斷的定義及內(nèi)容
故障診斷技術(shù)最早應(yīng)用于航天、航空、核反應(yīng)堆等國防尖端工業(yè)中，隨著技術(shù)的發(fā)展，它已逐步向其他領(lǐng)域滲透。一般可將故障診斷定義為“故障監(jiān)測、故障分離定位和參數(shù)識別”所組成的集合。故障診斷的基本內(nèi)容包含以下幾方面：
（ 1 ）故障監(jiān)測： ? 通過各種監(jiān)測手段，監(jiān)測運行設(shè)備的各項數(shù)據(jù)，用著判斷故障的依據(jù)；
（ 2 ）故障分析： ? 根據(jù)監(jiān)測到的故障信息進行分析，以尋找故障原因，確定故障的性質(zhì)和程度；
（ 3 ）故障決策： ? 根據(jù)故障分析的結(jié)果，對系統(tǒng)作出報警、停機等決定。
二、故障診斷的類型及發(fā)展趨勢
?????? 目前，故障診斷的技術(shù)大體可分為三類：
?????? 1. ??? 基于數(shù)學(xué)模型及參數(shù) / 狀態(tài)估計技術(shù)方法 ??? ?????? 這類方法主要依賴于數(shù)學(xué)模型，由于建模的困難及模型本身的誤差和各種不可預(yù)見的因素，大大地影響其診斷的準確率。
?????? 2. ??? 基于數(shù)據(jù)分析與直接推理的方法 ??? ?????? 這類方法包括數(shù)理統(tǒng)計方法、故障樹技術(shù)、因果關(guān)系圖法、模式識別等。它們的主要問題是知識表達能力十分有限，缺乏必要的靈活性，因而一般只適用于故障監(jiān)測和簡單場合的故障診斷。
?????? 3. ??? 基于專家經(jīng)驗和知識的專家系統(tǒng)方法 ? 這類方法的主要優(yōu)點是不單純依賴于數(shù)學(xué)模型，而且具有較為豐富與靈活的知識表達和問題求解能力，它可充分發(fā)揮人類專家根據(jù)經(jīng)驗和知識所進行的推理和判斷能力，并可用于各種場合的判斷。
?????? 綜上所述，故障診斷專家系統(tǒng)方法由于其本身所具有的優(yōu)點已經(jīng)成為故障診斷領(lǐng)域中的一個主要方法，它不僅可以進行離線診斷，還可以用于在線的故障診斷及故障處理。同專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，是故障診斷技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是本文研究的重點，因此下面將對專家系統(tǒng)作一介紹。
三 ? 專家系統(tǒng)簡介
1. 專家系統(tǒng)的定義及構(gòu)成
專家系統(tǒng)是人工智能的一個最活躍的分支，產(chǎn)生于 60 年代中期， DENDRAL 專家系統(tǒng)的出現(xiàn)標志著專家系統(tǒng)的誕生，短短的 30 多年時間內(nèi)發(fā)展迅速。目前同自然語言理解、機器人學(xué)并列為人工智能的三大研究方向。至于專家系統(tǒng)的定義，有以下幾種說法：
????? 1. 專家系統(tǒng)是一個智能程序系統(tǒng)；
????? 2. 專家系統(tǒng)能利用僅人類專家可用的知識和解決問題的方法來解決問題；
????? 3. 專家系統(tǒng)是一種計算機程序，它可以以人類專家的水平完成專門的一般是困難的問題。
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圖 1 － 2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu) |
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? 一般說來，如圖 1 － 2 所示，專家系統(tǒng)由下述幾個部分構(gòu)成：
?????? （ 1 ） 知識庫 ? 存儲專家的知識、經(jīng)驗及書本上的知識和常識，簡稱領(lǐng)域 (Domain) 知識庫，包括：領(lǐng)域的專門知識和啟發(fā)性知識（經(jīng)驗），要求知識庫具有完備性和可用性，即知識要全面，同時不能有冗余，即不能存放多余的或無用的知識。
?????? （ 2 ）動態(tài)數(shù)據(jù)庫 ? 存貯專家系統(tǒng)當(dāng)前要處理的對象的一些事實，包括該領(lǐng)域內(nèi)的初始論據(jù)（初始狀態(tài)），推理過程得到的各種中間信息 , 推理的最終結(jié)果也在其中。
（ 3 ）推理機 ? 根據(jù)當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)，利用知識庫中的知識，推出一定的推理策略去解決當(dāng)前問題。有三種策略：正向推理、反向推理和正反向混合推理。
（ 4 ）輸出解釋系統(tǒng) ? 解釋并執(zhí)行推理結(jié)果，回答用戶有關(guān)推理結(jié)果的問題，這部份很重要，是征服用戶的關(guān)鍵。
（ 5 ）知識獲取 ? 由專家和知識工程師共同完成，提供系統(tǒng)學(xué)習(xí)知識的手段，難點在于專家知識和經(jīng)驗的收集和表達。
（ 6 ）用戶接口 ? 給用戶提供一個充分利用系統(tǒng)功能的途徑，用戶的第一印象往往取決于人—機接口是否友好、方便和快捷。
2. 專家系統(tǒng)發(fā)展史
一般認為專家系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個時期：
（
1
）初創(chuàng)期（
1965~1971
）：
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圖 1 － 3 專家系統(tǒng)組成 |
（ 2 ）成熟期（ 1972~1977 ）： 七十年代專家系統(tǒng)趨于成熟，先后出現(xiàn)了以 MYCIN 、 HEARSAY 、 PROSPECTOR 等為代表的一批卓有成效的專家系統(tǒng)，其中斯坦福大學(xué)研究開發(fā)的血液感染病診斷專家系統(tǒng) MYCIN 被國際上公認為最有影響的專家系統(tǒng)。在 MYCIN 中第一次使用了知識庫思想并在系統(tǒng)中采用了似然推理技術(shù)來模擬人類的啟發(fā)式問題求解方法，它對專家系統(tǒng)的理論和實踐都有很大貢獻。而知識工程概念的提出，宣告了專家系統(tǒng)已走向成熟。
（ 3 ）發(fā)展期（ 1978~ ? ） 本世紀七十年代末，人工智能專家開始認識到這樣一個事實：即一個程序的求解問題的能力，不單單取決于所應(yīng)用的形式化體系和推理模式，還取決于它所具有的處理知識的能力。從而產(chǎn)生了一個研究思路上的突破：要使一個程序有智能，必須向它提供大量有關(guān)領(lǐng)域的高質(zhì)量的專門知識。這種認識上的突破導(dǎo)致了專家系統(tǒng)地位的確立，為人工智能的研究開辟了一個新的研究方向。近年來，專家系統(tǒng)的研究進入了一個新的階段。首先是數(shù)量增多，其次是專家系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域被拓寬，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、石油天然氣資源評價、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科以及企業(yè)管理、工業(yè)控制、經(jīng)濟決策等方面，而機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域則又是一個新的方向。
3. 專家系統(tǒng)在我國的發(fā)展概況
我國對專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作起步較晚，大約始于 70 年代末期，但相對而言，其發(fā)展速度較快。首先在醫(yī)療領(lǐng)域展開，隨后很快進入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。八十年代初，相繼滲透到交通運輸、地質(zhì)勘探、氣象預(yù)報等領(lǐng)域。近年來專家系統(tǒng)更如雨后春筍般出現(xiàn)在故障診斷領(lǐng)域。
§ 5 ? 主要研究內(nèi)容及研究策略
一、主要研究內(nèi)容
狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)是一類應(yīng)用性很強的系統(tǒng)，必須同實際相結(jié)合才有意義。結(jié)合我國具體情況，本文以深圳月亮灣電廠使用的美國通用電氣公司制造的 MS6001B 型燃氣輪機為例展開研究。該機型目前在我國應(yīng)用較為廣泛，以它為例，符合我國國情，具有實際意義。本文研究的內(nèi)容如下：
?????? 1. MS6001B 機組性能預(yù)估
燃氣輪機各特性截面的設(shè)計性能是狀態(tài)監(jiān)控及實時評估的基礎(chǔ)， MS6001B 型燃氣輪機從國外引進，由于技術(shù)保密性原因，該型燃機各部件的設(shè)計性能沒有公布，更無這方面的資料。因此，我們根據(jù)收集到的有關(guān)實測數(shù)據(jù)，通過了大量反算建立了其熱力參數(shù)模型，得出了 MS6001B 燃氣輪機各截面設(shè)計性能數(shù)據(jù)及其曲線。
?????? 2. 狀態(tài)監(jiān)測及實時評估
狀態(tài)監(jiān)測的意義在于通過監(jiān)測熱力參數(shù)的變化給機組運行工況提供一個合理的準確的評估，使機組管理人員能預(yù)先知道機組的變化趨勢或可能發(fā)生的異常情況，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性系數(shù)。為了準確地反映機組的運行情況，本文根據(jù)實際情況選擇了主要的主機及輔機參數(shù)進行監(jiān)測和評估。
安全性和經(jīng)濟性的結(jié)合是機組實時運行工況的準確體現(xiàn)，因此，本文從安全性和經(jīng)濟兩方面對系統(tǒng)進行評估。安全性系數(shù)主要體現(xiàn)在包括壓氣機喘振裕度、渦輪前燃氣溫度等在內(nèi)的參數(shù)的變化上，而經(jīng)濟性則表現(xiàn)在機組的熱耗、油耗等參數(shù)上，本文將主要結(jié)合這幾個參數(shù)進行評估。
?????? 3. 基于知識的診斷推理
這部份內(nèi)容是研究的重點，本文將專家系統(tǒng)思想引入故障診斷技術(shù)，根據(jù)燃氣輪機特有的專家知識和經(jīng)驗的外在形式，給出了針對燃氣輪機的框架與產(chǎn)生式規(guī)則相結(jié)合的復(fù)合知識表達方式，保證了專家知識和經(jīng)驗的準確，簡潔而全面的再現(xiàn)。同時，提出了知識庫的多級層次化模型，設(shè)計了知識元庫、關(guān)聯(lián)庫、斷言庫及規(guī)則庫和征兆庫等多級深、淺層知識庫，通過關(guān)聯(lián)和索引機構(gòu)極大地提高了知識庫的搜索效率，有效地避免了知識的冗余，同時提供了高效的自動化的知識維護功能，使得知識庫系統(tǒng)具有開放性，從而保證了診斷類型的廣度；此外，還設(shè)計了正、反向推理相結(jié)合的推理機制，充分利用了知識庫中的規(guī)則和征兆，對推理結(jié)果逐一驗證，準確捕捉最小故障范圍，并能根據(jù)專家的經(jīng)驗和知識推薦最佳診斷方案，保證了診斷的深度。
上述 3 個部分相輔相成，性能預(yù)估為狀態(tài)監(jiān)控及評估提供一個參照標準，撇開系統(tǒng)設(shè)計性能的監(jiān)控及評估是毫無意義的；而實時評估的結(jié)果又是故障診斷專家系統(tǒng)運作的前提
二、研究策略
燃氣輪機狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)技術(shù)屬于多學(xué)科交叉的邊緣技術(shù)，涉及內(nèi)容廣泛。燃氣輪機本身構(gòu)件復(fù)雜，參數(shù)眾多，如何同專家系統(tǒng)技術(shù)有機地結(jié)合起來在實踐中產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益，那么良好的技術(shù)路線和研究方法則是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用的技術(shù)路線如下：
1. 故障診斷技術(shù)同專家系統(tǒng)方法相結(jié)合
2. 完備的知識表示和開放的知識庫結(jié)構(gòu)
3. 完善而嚴密的混合推理策略
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