基于專家推理的智慧水廠機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江蘇合信環(huán)境發(fā)展有限公司 王衛(wèi)兵

隨著智慧水廠建設(shè)的需要，機(jī)泵健康評(píng)估是實(shí)現(xiàn)水廠智能化的一個(gè)重要方面。本文圍繞機(jī)泵運(yùn)行提出基于專家推理的智慧水廠機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)所涉及的專家技術(shù)、智慧水廠技術(shù)等進(jìn)行介紹及設(shè)計(jì)。本文提出的機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)動(dòng)態(tài)參量，運(yùn)用智能報(bào)警和預(yù)警技術(shù)，強(qiáng)化設(shè)備狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)和智能推理、故障診斷技術(shù)，及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)、檢修提供有針對(duì)性的重要依據(jù)。

機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)相關(guān)部位的振動(dòng)、擺度、溫度（電機(jī)溫度和軸承溫度）、轉(zhuǎn)速、三相電流等狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)以及過(guò)程量參數(shù)，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)并記錄，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行過(guò)程量參數(shù)、工況參數(shù)等的變化，提高機(jī)泵運(yùn)行的安全可靠性，可有效地發(fā)現(xiàn)并消除故障早期隱患，大幅度降低維修費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)水廠優(yōu)化調(diào)度和高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；同時(shí)，通過(guò)改變企業(yè)的維修管理模式、提高水廠管理的智能化水平，真正實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人水廠”和“少人水廠”的管理要求，降低了公司人力成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益和安全性。

本系統(tǒng)結(jié)合水廠現(xiàn)有信息數(shù)據(jù)，融合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各種信息，并與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，形成一套基于振動(dòng)、電氣、潤(rùn)滑、效率等多個(gè)要素構(gòu)成的環(huán)節(jié)狀態(tài)特征以綜合判定機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的方法。開(kāi)發(fā)出一套設(shè)備綜合健康評(píng)估和智能診斷系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)動(dòng)態(tài)參量，運(yùn)用智能報(bào)警和預(yù)警技術(shù)，強(qiáng)化設(shè)備狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)和智能推理、故障診斷技術(shù)，及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)變化時(shí)，及時(shí)輔助判定產(chǎn)生故障的原因和部位，防止惡性事故的發(fā)生，并為機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)、檢修提供有針對(duì)性的重要依據(jù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 專家推理技術(shù)

專家系統(tǒng)是早期人工智能的一個(gè)重要分支，它可以看作是一類具有專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，一般采用人工智能中的知識(shí)表示和知識(shí)推理技術(shù)來(lái)模擬通常由領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的復(fù)雜問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，專家系統(tǒng)=知識(shí)庫(kù)+推理機(jī)，因此專家系統(tǒng)也被稱為基于知識(shí)的系統(tǒng)。一個(gè)專家系統(tǒng)必須具備3 個(gè)要素：領(lǐng)域?qū)＜壹?jí)知識(shí)、模擬專家思維和達(dá)到專家級(jí)的水平。專家系統(tǒng)適合于沒(méi)有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)很少的情況，而基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)則適合大量數(shù)據(jù)情況，給定數(shù)據(jù)，通過(guò)模型找到用戶輸入到結(jié)果的映射關(guān)系。

1.2 智慧水廠

為探索智慧城市建設(shè)、運(yùn)行、管理、服務(wù)和發(fā)展的科學(xué)方式，決定開(kāi)展國(guó)家智慧城市試點(diǎn)工作，2014 年八部委印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出：“智慧城市是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式”，由此可見(jiàn)，智慧城市的手段是新的技術(shù)，特別是信息技術(shù)，目的是提高規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)能力。為滿足智慧城市的要求，作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，智慧水廠應(yīng)該是以應(yīng)用新一代信息技術(shù)為手段，生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)、調(diào)度和服務(wù)等全方位、全過(guò)程各環(huán)節(jié)高度信息互通、反應(yīng)快捷、管理有序的高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適水廠。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采取分層分布的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包含現(xiàn)地和上位機(jī)兩個(gè)層次，現(xiàn)地系統(tǒng)具有采集、監(jiān)測(cè)、顯示和報(bào)警的功能，上位機(jī)系統(tǒng)著重于建立智能數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面和完整顯示、分析、處理，并與自控系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)信息的雙向交流，建立完整的、科學(xué)的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)還應(yīng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計(jì)算，與調(diào)度中心或遠(yuǎn)程中心進(jìn)行信息交換，充分發(fā)揮遠(yuǎn)程中的技術(shù)指導(dǎo)功能。

本系統(tǒng)通過(guò)多源信息采集，提取反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的征兆，并利用這些征兆通過(guò)建立機(jī)泵健康模型對(duì)機(jī)組的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而智能診斷出故障原因、部位、類型、性質(zhì)、嚴(yán)重程度以及發(fā)展勢(shì)，并指導(dǎo)維修，對(duì)機(jī)組進(jìn)行早期故障分析，從而確定機(jī)組各部件的最佳維修時(shí)間，實(shí)施預(yù)知維護(hù)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)接入云服務(wù)平臺(tái)。

機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)主要由軟件部分、硬件部分構(gòu)成。硬件部分包括：現(xiàn)場(chǎng)傳感器、智能數(shù)據(jù)采集器、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通訊電纜等組成；軟件部分主要包括：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與運(yùn)行管理軟件、數(shù)據(jù)采集軟件，遠(yuǎn)程平臺(tái)通訊軟件組成，如圖1 所示。

圖1 機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)Fig.1 Health evaluation system of pump

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 綜合監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

以形象化圖片顯示機(jī)組各部位，以綠/黃/紅三色漸變標(biāo)識(shí)機(jī)組的當(dāng)前狀態(tài)，以及機(jī)組測(cè)點(diǎn)上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綠/黃/紅三色標(biāo)識(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)警狀態(tài)；能以列表顯示機(jī)組和對(duì)應(yīng)機(jī)組下的測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果；能以結(jié)構(gòu)圖、棒圖、表格、曲線等形式展示機(jī)組的當(dāng)前監(jiān)測(cè)的信息，所有狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫面可定制化靈活組態(tài)，

3.2 信號(hào)分析功能模塊設(shè)計(jì)

具備完善的穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析以及非穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析和振動(dòng)與工藝參數(shù)相關(guān)分析，以可視化主動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)快速查詢，對(duì)所有被監(jiān)測(cè)機(jī)組在不同時(shí)刻、不同狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)信號(hào)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行各種信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理，以結(jié)構(gòu)圖、棒圖、表格、曲線等形式豐富的表達(dá)出來(lái)，所有監(jiān)測(cè)畫面可根據(jù)客戶需求靈活組態(tài)，支持定制化。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)類別分為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：包括振動(dòng)波形等，靜態(tài)數(shù)據(jù)包括溫度、壓力、流量、水位等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具備狀態(tài)監(jiān)測(cè)特征量秒級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索功能。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式為“非線性存儲(chǔ)策略”數(shù)據(jù)按照歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)，追憶級(jí)別分為三級(jí)即短期追憶、中期追憶和長(zhǎng)期追憶。短期追憶長(zhǎng)度為2 天，中期為1 季度，長(zhǎng)期為5 年。非線性存儲(chǔ)策略方式為：停機(jī)后存儲(chǔ)頻率大大降低，如變?yōu)樵瓉?lái)3-4 分之一左右，

3.4 綜合評(píng)價(jià)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)能在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，把來(lái)自于不同源的信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到相應(yīng)的信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行深度挖掘和信息融合，得到設(shè)備狀態(tài)的綜合信息，根據(jù)一定的規(guī)則模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)水泵機(jī)組的狀態(tài)，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。能針對(duì)不同因素對(duì)機(jī)組總體狀態(tài)具有不同影響程度的特點(diǎn)，要求采用不同的權(quán)值來(lái)進(jìn)行機(jī)組的總體評(píng)價(jià)（包含電氣類、機(jī)械振動(dòng)、溫度、油氣水、點(diǎn)檢、運(yùn)行效率、運(yùn)行時(shí)間、維修保養(yǎng)等綜合評(píng)價(jià)），具有更加合理的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和真實(shí)性。

4 系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新

（1）綜合健康評(píng)估：根據(jù)“短板原理”，構(gòu)建基于多指標(biāo)的機(jī)泵健康評(píng)估體系，遴選了振動(dòng)、溫度、泵效率等評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)構(gòu)建機(jī)泵的健康評(píng)價(jià)模型，通過(guò)基于部件敏感特征分解的振動(dòng)評(píng)價(jià)等技術(shù)，有效提高泵站設(shè)備評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，以不同權(quán)值來(lái)表達(dá)指標(biāo)的重要程度，以良好、可用、需維修、需停機(jī)4 個(gè)級(jí)別表征最終機(jī)泵健康評(píng)估結(jié)果，結(jié)果客觀，表達(dá)形象。（2）智能診斷專家系統(tǒng)：開(kāi)發(fā)了具備可視化規(guī)則管理和基于專家系統(tǒng)語(yǔ)言JESS 的專家推理引擎，采用包括同源信息融合技術(shù)在內(nèi)的多種特征提取算法，建立針對(duì)大型泵站各類機(jī)泵（立式混流泵、軸流泵等）設(shè)備特點(diǎn)的故障特征庫(kù)、診斷規(guī)則庫(kù)，顯著提高泵站設(shè)備故障診斷的正確率，積累超過(guò)1000 條故障診斷規(guī)則，可覆蓋大型泵站高頻發(fā)故障的85%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞智慧水廠機(jī)泵健康評(píng)估等問(wèn)題，提出了基于專家推理的智慧水廠機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中所涉及的專家推理技術(shù)、智慧水廠等關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案等進(jìn)行介紹，對(duì)系統(tǒng)主要模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)并歸納了技術(shù)優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新之處。本文提出的智慧水廠機(jī)泵健康評(píng)估系統(tǒng)對(duì)于智慧水廠機(jī)泵健康運(yùn)行具有指導(dǎo)性意義，也為水廠安全可靠運(yùn)行提供了新的思路。