一种基于键合图和专家系统相结合的半定量故障诊断系统

1.本发明属于核动力装置的故障诊断领域，具体涉及一种基于键合图和专家系统相结合的半定量故障诊断系统。


背景技术：

2.核动力装置系统复杂，参数众多。为保证核电站的正常安全运行，需要操作员具有极强的专业能力与心理素质。在此背景下，故障诊断技术的地位日益显现。纵观全范围故障诊断技术，可以分为三类：基于解析模型的故障诊断技术、基于数据驱动的故障诊断技术以及基于专家系统的故障诊断技术。三种技术的优缺点及代表算法如表1所示。
3.表1故障诊断技术的优缺点及代表算法
[0004][0005]
国外方面，丹麦科技大学电气工程系morten lind对多层流建模的知识获取与策略进行研究。美国伦斯勒理工学院junyung kim等人利用多层流模型对系统风险进行量化评估。美国匹兹堡大学farber,ja等人研究了在没有事故数据的情况下的冷却剂丧失事故的诊断与检测方法韩国蔚山国立科学技术研究院lee，seung jun等人采用卷积神经网络模型对核电站异常诊断进行研究。韩国hongmin an等人利用核电厂模拟数据识别对压力边界部件故障进行诊断。美国密歇根大学nguyen,tn等人运用概率模型搭建起核工程系统诊断框架。印度萨斯特拉大学mandal,s等人运用奇异值分解的方法对核电站传感器进行故障检测。
[0006]
国内方面，清华大学张勤、邓宏琛等人将立体动态不确定因果图(dynamical uncertainty causality graph,ducg)的递归算法应用在核电站的故障诊断中。华北电力大学吴韬等人以百万千瓦级核电机组一回路作为分析的工程对象，运用fmea、故障树并创新性的加入hmm理论模型，通过遗传算法对监测参数估计的方法实现对系统的状态评估与判断。海军工程大学杨光、钟小军等人利用sdg-qta对一回路冷却剂系统进行故障诊断。上
海交通大学陈玉昇等人运用深度学习神经网络的方法对核电厂进行故障诊断。哈尔滨工程大学王航等人运用卷积门控递归网络和增强粒子群优化的方法进行核电站故障诊断。厦门大学李宁、金典等人将在线监测算法应用在核电厂系统故障诊断之中。哈尔滨工程大学郭良壮等人利用仿真模型对核电站进行故障诊断。
[0007]
每种方法的优缺点都十分突出。在如今计算机技术兴起的时代，故障诊断技术与计算机技术相结合，往往可以发挥更大的作用。随着科学技术的发展，人们对于故障诊断的要求在逐渐提高，更准确的定量化诊断一定是未来故障诊断技术的大势所趋。因此，基于解析模型的方法受到了无数研究学者的青睐。但是，解析模型的固有缺点却使很多研究人员望而却步。建立数学模型复杂，推理困难等缺点使得该方法的应用极其有限。对于工业中许多复杂系统无法获得其准确的数学模型，就不能运用该方法进行故障诊断，而其他方法又不能进行定量分析，诊断模糊。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于提供一种基于键合图和专家系统相结合的半定量故障诊断系统。
[0009]
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
[0010]
一种基于键合图和专家系统相结合的半定量故障诊断系统，包括以下步骤：
[0011]
步骤1：数据模块向系统中导入故障数据；
[0012]
步骤1.1：从pctran仿真机中引入故障，提取格式为xls故障数据文件；
[0013]
步骤1.2：将该文件转换为utf-8编码，并将文件后缀改为csv；
[0014]
步骤1.3：通过专家系统格式配置外部数据点，形成数据点配置文件，改为csv文件；
[0015]
步骤1.4：通过opc接口导入csv文件，系统将读取步骤1.3中数据点配置文件与步骤1.2中的数据文件，将参数值导入系统中；
[0016]
步骤2：领域图模块绘制核动力装置设备和系统图；
[0017]
绘制完毕后，设置内部数据点，设备包含的参数信息，与步骤1中数据模块的数据点一一对应，是将外部数据点映射到内部数据点的过程；
[0018]
步骤3：推理机模块设计推理逻辑架构，将定量键合图模型进行适应性更改，通过定性键合图的方法对推理机模块进行设计；
[0019]
步骤4：阈值设定模块设定参数报警阈值；
[0020]
利用专家系统中的阈值设定机制或内部编程语言对参数阈值进行设定，分析试验或仿真机数据，得出正常与异常状态下各个参数的运行范围，将该范围设定到专家系统中；如果输入参数偏离此范围，就会在推理机模块中触发相应的推理事件，根据推理机模块推理得出其他参数的变化趋势与诊断结果。
[0021]
进一步地，步骤3的具体步骤如下：
[0022]
步骤3.1：将每个核动力装置分为至少1个控制体，进行分模块建模；表示每个控制体内部的能量、质量传递关系，绘制出每个控制体内部的键合图模型，键合图的建立步骤如下：
[0023]
步骤3.1.1：选取势变量e与流变量f，可以是压力与质量流量，也可以是温度与能
量流量，也可以同时选取并建立两类键合图；故障数据需要通过压力、质量流量或温度、能量流量反映出来；
[0024]
步骤3.1.2：冷却剂在一回路流动的过程中，热阻、耗散、流动阻力过程用r表示，冷却剂流动造成稳压器、蒸汽发生器控制体容积的变化过程用c表示；0节点表示压力或温度在该节点处均相同，质量流量或能量流量在该节点处为代数和；1节点表示质量流量或能量流量在该节点处均相同，压力或温度在该节点处为代数和；
[0025]
0节点：e1＝e2＝e3[0026]
f1＝f2 f3[0027]
1节点：e1＝e2 e3[0028]
f1＝f2＝f3[0029]
步骤3.1.3：确定控制体内输入与输出，判断键的因果关系；
[0030]
步骤3.2：通过步骤3.1中的定性键合图模型，找出控制体内部势变量的输入与输出，绘制时间因果图，绘制步骤如下：
[0031]
步骤3.2.1：列出所有设备及系统的解析方程，方程式中因变量置于方程等式右边，果变量置于方程左边；
[0032]
e1＝rf1代表由f1求解出e1，箭头由f1指向e
1；
[0033]
代表由e1求解出f1，箭头由e1指向f1；
[0034]
步骤3.2.2：根据步骤3.2.1得出的方程连接变量；将各控制体势变量，压力或温度，按顺序排列在第一行，流变量，质量流量或能量流量，按顺序排列在第二行；箭头由方程右边的输入变量指向方程左边的输出变量，同时根据方程在箭头上标明变量之间的关系； 1代表正相关，-1代表负相关，＝代表两变量相等；
[0035]
步骤3.3：根据步骤3.2绘制的时间因果图，找出输入变量和输出变量的影响导致关系，得到变量关系图，绘制步骤如下：
[0036]
步骤3.3.1：在时间因果图中设定一个变量作为开始点，根据变量在时间因果图中的传播路径进行前后向传播，每一条路径在出现已知变量时终止；
[0037]
步骤3.3.2：当一条路径以已知变量结束后再开始另一条路径，直到所有未知变量都处于以已知变量结束的路径中；f9对f
13
是正相关，f
10
、f
11
、f
12
对f
13
是负相关；
[0038]
步骤3.4：对设备故障进行故障影响分析；分析要诊断故障的典型参数变化，通过典型参数的变化与变量关系图的结合分析得出变量关系图中其他参数的变化特征；
[0039]
步骤3.5：根据步骤3.4中分析的其他参数变化特征，绘制故障特征矩阵，列出不同故障下所有参数的变化趋势；
[0040]
步骤3.6：利用故障特征矩阵进行专家系统推理机设计，推理机模块的事件表示为故障特征矩阵中系数的增加、减少或不变( 1，-1或0)；通过系数的异常推理出相应的故障。
[0041]
进一步地，步骤3.3.1中的传播为一个变量用另外的变量表示，由于键合图中变量既是输入变量又是输出变量，因此有前向和后向传播。
[0042]
本发明的有益效果在于：
[0043]
本发明克服核动力装置设备或系统无法建立精确键合图模型而进行定量故障诊断的问题而提供一种与专家系统相结合的半定量故障诊断方法，可以克服解析模型与专家
系统固有缺点，将二者进行融合，利用键合图模型对专家系统推理机进行设计，以达到对核动力装置复杂设备或系统进行半定量的描述与诊断的目的。
[0044]
对于现有的技术，本发明创新性的将键合图模型融入到专家系统诊断中，可以通过设备或系统系数等深知识，从机理入手对核动力装置或系统进行诊断。本发明亦可以通过系数的异常对未知故障进行诊断，同时可以通过参数异常范围来判断故障大小，实现半定量。本发明法比其他方法在针对核动力装置复杂系统的故障诊断上适应性更高，诊断范围更广泛。
[0045]
诊断范围相对于其他技术更广泛。此优点主要体现在推理机模块的键合图模型的建立需要对设备或系统进行机理分析，得出质量与能量的传递关系。通过此关系延伸到系数的变化从而实现故障诊断。涉及到机理层面的知识可以代替专家浅知识，更加细致，准确。
[0046]
诊断结果极具可解释性。此优点体现在键合图建模中，从对象内部机理出发，对故障进行诊断。在模型内部列出的不仅是各种参数，还有内部物理过程量的变化。因此建模更为完善，涉及到的特征参数更多更广泛，同时也能将引起物理过程量变化而不引起参数变化的故障诊断出来。有些故障早起轻微的表现可能仅仅是设备内部物理过程量的变化，尚未达到引起故障的程度，因此也可以对这些征兆进行初步判断，并引起操作人员的警觉。相比于数据驱动的故障诊断系统来说更容易使操作人员信服，且不需要大量的故障数据对模型进行训练，这也正适用于故障数据较少的核动力装置系统。
[0047]
适应性高的原因在于推理机模块中定性键合图模型的建立。常规的定量键合图模型需要得知系统或设备内部的解析方程，而本发明淡化了键合图的数学含义，着重强调了键合图的物理过程。仅保留图中能量与物质的传递关系，不用确定具体建模公式。这对于复杂系统尤其是只清楚内部质量与能量流动过程而不清楚具体关系式的复杂设备或系统来说十分友好，特别适用于各种堆型的核动力装置设备的故障诊断中。
[0048]
原始创新技术：将键合图模型进行了定量改进。如推理机模块中首次将键合图与专家系统相结合。考虑到核动力装置系统建立解析模型困难，无法定量将键合图应用其中。因此本发明淡化键合图的数学方程部分，强调物理过程部分。本发明只通过键合图绘制能量质量传递过程，而无需确定具体系数，这在任何复杂系统上都是通用的。而且，通过键合图的模式对专家系统推理机建模也是首次提出，具有诊断内容更丰富等优点。
附图说明
[0049]
图1为本发明基于键合图和专家系统结合的半定量故障诊断系统方案架构图；
[0050]
图2为本发明基于键合图和专家系统相结合的半定量故障诊断系统具体流程；
[0051]
图3为本发明的变量关系图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0053]
本发明的方案整体架构如图1所示，整体实施步骤如图2所示。整体系统分为：数据模块，领域图模块，推理机模块，阈值设定模块。输出为推理过程，警报，根事件，以及操作指导。
[0054]
所述数据模块，功能为向系统中导入故障数据。
[0055]
步骤1：故障诊断系统要通过向系统中输入数据来进行诊断。鉴于核动力装置的复杂性，无法从实验中获得故障数据，因此需要从pctran仿真机中引入故障，并提取出故障数据，文件格式为xls。
[0056]
步骤2：将该xls文件转换为utf-8编码，并将文件后缀改为csv以待备用。
[0057]
步骤3：利用专家系统格式配置外部数据点，形成数据点配置文件。改为csv文件以待备用。
[0058]
步骤4：利用专家系统中的数据管理模块对数据进行导入。利用opc接口对csv文件进行导入，系统将读取步骤3中数据点配置文件与步骤2中的数据文件，将参数值导入系统中。
[0059]
所述领域图模块，功能为绘制核动力装置设备和系统图，反映真实的核动力系统设备。绘制完毕后，要在此部分设置内部数据点：即设备包含的参数(温度、压力等)信息。与数据模块中的数据点一一对应。是将外部数据点映射到内部数据点的过程。
[0060]
所述推理机模块，功能为设计推理逻辑架构。推理机设计方法大致有三类：基于解析模型的方法、基于流程图的方法和基于经验知识的方法。三种方法均能进行推理机设计并进行故障诊断。但是基于流程图与基于经验知识的方法大多都是靠经验得出的浅知识，因此无法获取系统机理层面的知识进而进行故障的甄别。而常规的基于解析模型的诊断方法对系统的可解析性要求较高，通过解析冗余关系(analytical redundancy relations，arrs)来得到残差。之后对残差进行数据分析处理从而进行故障诊断。针对于本发明对象核动力装置复杂系统来说实用性不强。因此本发明将定量键合图模型进行了适应性更改，采用定性键合图的方法对推理机模块进行设计。具体设计步骤如下：
[0061]
步骤1：将每个核动力装置分为若干个控制体，进行分模块建模。将每个控制体内部的能量、质量传递关系明确表示，绘制出每个控制体内部的键合图模型，势变量与流变量可以使一组或几组。键合图的建立步骤如下：
[0062]
1、选取势变量与流变量。可以是压力与质量流量，也可以是温度与能量流量，也可以同时选取并建立两类键合图。故障测得的数据需要通过压力、质量流量或温度、能量流量反映出来。
[0063]
2、阻性过程用r表示，容性过程用c表示，惯性过程用i表示，步骤2中控制体内部的质量与能量的汇集与输出可以用0节点或1节点来表示。0节点代表整个控制体内势变量相同，1节点代表整个控制体内流变量相同。
[0064]
3、确定键的方向。在每一个控制体内，势变量标注在键合图的上方，流变量标注在键合图的下方。在0节点键的方向代表流变量的方向，1节点键的方向代表势变量的方向。
[0065]
4、确定控制体内输入与输出，判断键的因果关系。
[0066]
需要说明的是，在整个键合图建模过程中，涉及到的变量、公式均不需要确定具体系数，只明确质量变化关系以及能量变化关系即可。
[0067]
步骤2：通过步骤1中的定性键合图模型，找出控制体内部势变量的输入与输出，绘制出时间因果图。绘制步骤如下：
[0068]
1、列出所有设备及系统的解析方程，方程式中因变量置于方程等式右边，果变量置于方程左边。
[0069]
2、按照1所得出的方程连接变量。箭头由方程右边的输入变量指向方程左边的输出变量，同时根据方程在箭头上标明变量之间的关系。直接注明变量名称即可。
[0070]
步骤3：根据步骤2绘制的时间因果图，找出输入变量和输出变量的影响导致关系，得到变量关系图。绘制步骤如下：
[0071]
1、在时间因果图中任选一个变量作为开始点，根据变量在时间因果图中的传播路径进行前后向传播，每一条路径在出现已知变量时终止。所谓传播是指将一个变量用另外的变量表示，由于键合图中大多数变量既是输入变量又是输出变量，因此有前向和后向传播。
[0072]
2、当一条路径以已知变量结束后再开始另一条路径，直到所有未知变量都处于以已知变量结束的路径中。
[0073]
步骤4：对设备故障进行故障影响分析。分析出要诊断故障的典型参数变化。通过典型参数的变化与变量关系图的结合分析就可以得出变量关系图中其他参数的变化特征。
[0074]
步骤5：根据步骤4中分析出来的其他参数变化特征，绘制出故障特征矩阵。列出不同故障下所有参数的变化趋势。
[0075]
步骤6：利用故障特征矩阵进行专家系统推理机设计。推理机的事件表示为故障特征矩阵中系数的增加、减少或不变( 1，-1或0)。通过系数的异常推理出相应的故障。
[0076]
所述阈值设定模块，功能为设定参数报警阈值。利用专家系统中的阈值设定机制或内部编程语言对参数阈值进行设定。通过具体试验或仿真机数据进行分析，得出正常与异常状态下各个参数的运行范围，将该范围设定到专家系统中。如果输入参数偏离此范围，就会在推理机中触发相应的推理事件，根据推理机推理得出其他参数的变化趋势与诊断结果。
[0077]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。