??? 緒論 ?
§ 1 ? 研究的意義及必要性
燃氣輪機是典型的動力設備，被廣泛地應用于電力、能源、交通及軍事等關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，減少事故發生，以充分提高其經濟性及安全性系數，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）的運行工況實施監測，分析、比較實測參數同其歷史運行參數及設計性能之間的關系，以判斷機組實時運行點是否在允許的范圍之內，從而得出機組運行經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，根據評估結果及實時運行工況，分析實測參數的變化趨勢，對機組可能即將發生的故障予以報警，對已經發生的故障依照專家的經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來完成。
對燃氣輪機實施狀態監控及故障診斷是必要的。從經濟性的角度來看，有利于將燃氣輪機的定期維修制或“壞了再修”的思想轉向合理的視情維修制。定期維修從理論上分析對指數型、矩形和正態分布型等幾種常見的損壞分布函數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，即往往不是出現機件失修，就是出現對機件的毫無根據的檢修，根據有關資料統計，用于對機件的毫無根據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。以科學的預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，節約人力和燃料的開支。因此采用“以運轉工況為依據”的視情維修策略，從經濟性上講是合理的。從安全性的角度來講，對燃氣輪機實施監控和診斷更為必要，只有以安全性為前提，談經濟性才有意義。縱觀國內外，由于燃氣輪機的不安全運行而導致蒙受重大經濟損失的事例并不鮮見。如
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§ 2 ? 國內外研究動態
近年來，狀態監測及故障診斷領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：即監測燃氣輪機運行參數的變化，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的變化或某些特定部件的不正常狀態，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萬化，很難得出符合實際情況的精確的診斷結論。事實證明，有經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言權，這里專家的經驗則顯得尤為重要。正是基于這一點，使得依賴專家的經驗和知識運作的專家系統同故障診斷領域日趨結合，這就是故障診斷型專家系統。
目前，故障診斷型專家系統已經由基于淺層知識診斷推理為主的第一代系統發展成為基于深知識診斷推理為主的第二代系統，知識表示和推理策略也由單一的模式發展為多種知識表示及推理技術相結合的層次化模型。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 電氣公司的透平發電機診斷系統，以及卡內基－梅隆大學的通用過程診斷系統 PDS ，就是 3 個典型的代表。尤其是模糊數學的介入，又給不精確推理機制提供了強有力的手段。
有關方面的研究開發在我國也方興未艾。自
80
年代起，故障診斷專家系統開始應用于電力系統，首例是華北電力學院于
1986
年推出的日調度計劃系統，此后又出現了火力電廠事故診斷專家系統，近期推出的有華中理工大學的汽輪發電機在線故障診斷專家系統，上海交通大學
?
§ 3 ? 關于燃氣輪機系統故障
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完成規定功能的能力，同時使本身的使用指標在所要求的工作期限內保持在規定的范圍內 [3] 。
燃氣輪機故障就是燃氣輪機某工作狀態的參數不符合技術文件的要求，即是不符合技術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機械，處于“三高”（高轉速、高負荷、高溫）環境下工作，加之本身構件復雜，工作環境千變萬化，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
由于燃氣輪機結構的復雜性及其工作環境的多變性，導致其故障類型及故障模式紛繁復雜，從總體上看分為 3 類：
1. 性能型故障 ?? 這種故障能導致機組性能的顯著下降，性能型故障多表現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. 結構強度型故障 ? 這類故障的后果較為，嚴重表現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. 輔助系統型故障 ?? 這種類型的故障往往會誘發前述兩種類型的故障，如控制系統的故障會導致壓氣機轉速不穩定這類性能型故障，繼而有可能導致壓氣機葉片斷裂這類結構強度型故障。
我們認為故障的發生是一個漸變的過程，在故障發生之前，總會表現為一定的征兆，而這種征兆不可避免地表現為燃氣輪機相關熱力參數的異常變化。通過監測并分析熱力參數的變化趨勢，可以盡早地預報故障或給以相應診斷措施。這就是本文研究的故障診斷專家系統的基本出發點。
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有趣的是，有人經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
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－
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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概述
一、故障診斷的定義及內容
故障診斷技術最早應用于航天、航空、核反應堆等國防尖端工業中，隨著技術的發展，它已逐步向其他領域滲透。一般可將故障診斷定義為“故障監測、故障分離定位和參數識別”所組成的集合。故障診斷的基本內容包含以下幾方面：
（ 1 ）故障監測： ? 通過各種監測手段，監測運行設備的各項數據，用著判斷故障的依據；
（ 2 ）故障分析： ? 根據監測到的故障信息進行分析，以尋找故障原因，確定故障的性質和程度；
（ 3 ）故障決策： ? 根據故障分析的結果，對系統作出報警、停機等決定。
二、故障診斷的類型及發展趨勢
?????? 目前，故障診斷的技術大體可分為三類：
?????? 1. ??? 基于數學模型及參數 / 狀態估計技術方法 ??? ?????? 這類方法主要依賴于數學模型，由于建模的困難及模型本身的誤差和各種不可預見的因素，大大地影響其診斷的準確率。
?????? 2. ??? 基于數據分析與直接推理的方法 ??? ?????? 這類方法包括數理統計方法、故障樹技術、因果關系圖法、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測和簡單場合的故障診斷。
?????? 3. ??? 基于專家經驗和知識的專家系統方法 ? 這類方法的主要優點是不單純依賴于數學模型，而且具有較為豐富與靈活的知識表達和問題求解能力，它可充分發揮人類專家根據經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，故障診斷專家系統方法由于其本身所具有的優點已經成為故障診斷領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。同專家系統技術相結合，是故障診斷技術發展的趨勢，也是本文研究的重點，因此下面將對專家系統作一介紹。
三 ? 專家系統簡介
1. 專家系統的定義及構成
專家系統是人工智能的一個最活躍的分支，產生于 60 年代中期， DENDRAL 專家系統的出現標志著專家系統的誕生，短短的 30 多年時間內發展迅速。目前同自然語言理解、機器人學并列為人工智能的三大研究方向。至于專家系統的定義，有以下幾種說法：
????? 1. 專家系統是一個智能程序系統；
????? 2. 專家系統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 專家系統結構 |
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? 一般說來，如圖 1 － 2 所示，專家系統由下述幾個部分構成：
?????? （ 1 ） 知識庫 ? 存儲專家的知識、經驗及書本上的知識和常識，簡稱領域 (Domain) 知識庫，包括：領域的專門知識和啟發性知識（經驗），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 ）動態數據庫 ? 存貯專家系統當前要處理的對象的一些事實，包括該領域內的初始論據（初始狀態），推理過程得到的各種中間信息 , 推理的最終結果也在其中。
（ 3 ）推理機 ? 根據當前輸入的數據，利用知識庫中的知識，推出一定的推理策略去解決當前問題。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 ? 解釋并執行推理結果，回答用戶有關推理結果的問題，這部份很重要，是征服用戶的關鍵。
（ 5 ）知識獲取 ? 由專家和知識工程師共同完成，提供系統學習知識的手段，難點在于專家知識和經驗的收集和表達。
（ 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. 專家系統發展史
一般認為專家系統的發展經歷了三個時期：
（
1
）初創期（
1965~1971
）：
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圖 1 － 3 專家系統組成 |
（ 2 ）成熟期（ 1972~1977 ）： 七十年代專家系統趨于成熟，先后出現了以 MYCIN 、 HEARSAY 、 PROSPECTOR 等為代表的一批卓有成效的專家系統，其中斯坦福大學研究開發的血液感染病診斷專家系統 MYCIN 被國際上公認為最有影響的專家系統。在 MYCIN 中第一次使用了知識庫思想并在系統中采用了似然推理技術來模擬人類的啟發式問題求解方法，它對專家系統的理論和實踐都有很大貢獻。而知識工程概念的提出，宣告了專家系統已走向成熟。
（ 3 ）發展期（ 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領域的高質量的專門知識。這種認識上的突破導致了專家系統地位的確立，為人工智能的研究開辟了一個新的研究方向。近年來，專家系統的研究進入了一個新的階段。首先是數量增多，其次是專家系統的應用領域被拓寬，廣泛地應用于醫學、地質勘探、石油天然氣資源評價、數學、物理學、化學等學科以及企業管理、工業控制、經濟決策等方面，而機械設備的狀態監測與故障診斷領域則又是一個新的方向。
3. 專家系統在我國的發展概況
我國對專家系統的研究與開發工作起步較晚，大約始于 70 年代末期，但相對而言，其發展速度較快。首先在醫療領域展開，隨后很快進入農業領域。八十年代初，相繼滲透到交通運輸、地質勘探、氣象預報等領域。近年來專家系統更如雨后春筍般出現在故障診斷領域。
§ 5 ? 主要研究內容及研究策略
一、主要研究內容
狀態監控及故障診斷專家系統是一類應用性很強的系統，必須同實際相結合才有意義。結合我國具體情況，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。本文研究的內容如下：
?????? 1. MS6001B 機組性能預估
燃氣輪機各特性截面的設計性能是狀態監控及實時評估的基礎， MS6001B 型燃氣輪機從國外引進，由于技術保密性原因，該型燃機各部件的設計性能沒有公布，更無這方面的資料。因此，我們根據收集到的有關實測數據，通過了大量反算建立了其熱力參數模型，得出了 MS6001B 燃氣輪機各截面設計性能數據及其曲線。
?????? 2. 狀態監測及實時評估
狀態監測的意義在于通過監測熱力參數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先知道機組的變化趨勢或可能發生的異常情況，以提高系統的經濟性和安全性系數。為了準確地反映機組的運行情況，本文根據實際情況選擇了主要的主機及輔機參數進行監測和評估。
安全性和經濟性的結合是機組實時運行工況的準確體現，因此，本文從安全性和經濟兩方面對系統進行評估。安全性系數主要體現在包括壓氣機喘振裕度、渦輪前燃氣溫度等在內的參數的變化上，而經濟性則表現在機組的熱耗、油耗等參數上，本文將主要結合這幾個參數進行評估。
?????? 3. 基于知識的診斷推理
這部份內容是研究的重點，本文將專家系統思想引入故障診斷技術，根據燃氣輪機特有的專家知識和經驗的外在形式，給出了針對燃氣輪機的框架與產生式規則相結合的復合知識表達方式，保證了專家知識和經驗的準確，簡潔而全面的再現。同時，提出了知識庫的多級層次化模型，設計了知識元庫、關聯庫、斷言庫及規則庫和征兆庫等多級深、淺層知識庫，通過關聯和索引機構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，使得知識庫系統具有開放性，從而保證了診斷類型的廣度；此外，還設計了正、反向推理相結合的推理機制，充分利用了知識庫中的規則和征兆，對推理結果逐一驗證，準確捕捉最小故障范圍，并能根據專家的經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，性能預估為狀態監控及評估提供一個參照標準，撇開系統設計性能的監控及評估是毫無意義的；而實時評估的結果又是故障診斷專家系統運作的前提
二、研究策略
燃氣輪機狀態監控及故障診斷專家系統技術屬于多學科交叉的邊緣技術，涉及內容廣泛。燃氣輪機本身構件復雜，參數眾多，如何同專家系統技術有機地結合起來在實踐中產生明顯的經濟效益，那么良好的技術路線和研究方法則是系統成敗的關鍵。本系統采用的技術路線如下：
1. 故障診斷技術同專家系統方法相結合
2. 完備的知識表示和開放的知識庫結構
3. 完善而嚴密的混合推理策略
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