閻庚未

（中國航空工業(yè)空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（CPS）是一種計算機系統(tǒng)，其中的機制由基于計算機的算法控制或監(jiān)視。在網(wǎng)絡物理系統(tǒng)中，物理和軟件組件緊密地交織在一起，能夠在不同的時空尺度上運行，展現(xiàn)出多種不同的行為方式，并以隨環(huán)境變化的方式彼此交互。成熟的網(wǎng)絡物理系統(tǒng)通常設計為具有物理輸入和輸出的交互元素網(wǎng)絡，而不是獨立的設備。這個概念與機器人技術和傳感器網(wǎng)絡的概念緊密聯(lián)系在一起，其智能機制以計算機智能為主導?？茖W和工程學的不斷發(fā)展通過智能機制改善了計算元素與物理元素之間的聯(lián)系，從而提高了網(wǎng)絡物理系統(tǒng)的適應性、自治性、效率、功能性、可靠性、安全性和可用性。

1 狀態(tài)監(jiān)測技術

隨著傳感器技術和計算機技術的發(fā)展，設備狀態(tài)監(jiān)測方法正向自動化方向發(fā)展，系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測將成為一個重要的新興領域。傳統(tǒng)的設備狀態(tài)監(jiān)測方法是定期人工檢查和定期預防性維護相結合。本質(zhì)上，需要通過外觀和儀表指示做出異常判斷，避免安全事故的發(fā)生。檢查和定期維護制度能保證設備的安全運行。狀態(tài)監(jiān)測技術就是通過信息化技術，將通信信息的狀態(tài)、應用情況通過電信號的方式傳遞給控制電腦，電腦端將數(shù)據(jù)分析之后，傳遞給控制裝置，狀態(tài)監(jiān)控技術是建立在信息技術快速發(fā)展基礎之上的有效嘗試，而本質(zhì)上狀態(tài)監(jiān)控技術是一種前面的網(wǎng)絡通信信息和狀態(tài)協(xié)同的新技術[1-2]。

2 設備故障監(jiān)測系統(tǒng)的構建意義

（1）通過故障監(jiān)測系統(tǒng)，工作人員能及時掌握設備運行情況，自動化系統(tǒng)的應用能保證在實際的故障監(jiān)測工作中，一切都是建立在穩(wěn)定高效的監(jiān)測系統(tǒng)之上的，是二十四小時全方位監(jiān)測下的故障診斷和安全管理。

（2）大型機械設備的運轉都是需要長期進行的，單以人工的力量進行設備管理工作，費時耗力且效果一般，并不能做到全方位、全過程的管理，而一旦發(fā)生事故所造成的安全隱患和故障損失是非常大的，設備故障監(jiān)測系統(tǒng)它能自動記錄故障過程并準確分析，“瞄準目標”精準定位，本質(zhì)上能提升設備運行的整體效能。

（3）通過對異常狀態(tài)的分析，在線調(diào)整和延長設備的運行周期，能最大程度上提升監(jiān)測效率。

（4）能通過數(shù)據(jù)監(jiān)測提升數(shù)據(jù)集累程度，幫助技術人員更加系統(tǒng)地了解設備性能，做好技術的改進設計。

（5）優(yōu)化整體的管理效能，還能根據(jù)整體的監(jiān)測情況進行故障管理，最終提高設備的整體管理水平。

3 常見設備運行診斷

3.1 故障診斷基本內(nèi)容

整體上故障診斷將按照以下流程圖進行分析論證，整體的故障監(jiān)測系統(tǒng)是具有一個診斷決策的，能通過故障確定和趨勢分析確定設備允許的參數(shù)，首先，被監(jiān)測的設備通過信號采集流程，獲取監(jiān)測的信號，通過專業(yè)的設備進行信號處理，得到特征信息，在和設備的允許參與進行對比之后，就能識別這樣的狀態(tài)是不是正常的，也能根據(jù)實際的故障監(jiān)測系統(tǒng)的流程對設備的運行進行有效管理如圖1所示。

圖1 故障診斷整體框架

3.1.1 信號采集

主要采集的是各種能量的變化，設備的運行中會有各種能量的變化，例如力、熱、電、震動等，這樣的能量變化會產(chǎn)生不同的信息，例如，當設備出現(xiàn)不明發(fā)熱的時候，就是溫度傳感器提取信息，設備診斷后作出“異?！钡臎Q策。

3.1.2 信號處理

信號在進入傳感器之后，不同的傳感器會將信號進行分類處理和加工，這樣才能將信息轉化為能讓機器處理的信號。

3.1.3 狀態(tài)信號

信號進入機器之后，與規(guī)定的參數(shù)進行對比比較，整體的數(shù)據(jù)在允許的區(qū)間之內(nèi)就說明是正常的，但是在這一階段也要注意的是，這一階段所轉化的信號不一定是單純的某一時刻的狀態(tài)信號，也可能是一段時間的信號變化趨勢，這些都可以作為獨立的狀態(tài)信號，

3.1.4 診斷決策

診斷決策階段就是通過以上流程發(fā)現(xiàn)狀態(tài)問題，最后一步就是通過人工智能進行決策。

3.2 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)

以風洞監(jiān)測設備為例，其主要的狀態(tài)檢測主要由以下構成，（1）分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：針對風洞中的各種設備，以網(wǎng)絡控制方式支持振動、溫度、轉速、位移參數(shù)等各類傳感器的數(shù)據(jù)采集。（2）數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)：合理組織和維護各類信息，提高系統(tǒng)的可擴展性。（3）集中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)：在組態(tài)軟件的基礎上，建立了一個開放、兼容的信息監(jiān)控軟件。提供自動報告、應急響應等處理措施來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。（4）故障診斷與預測軟件平臺：實時分析系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)，診斷、分析和定位異常，實時評估設備性能狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在故障[3]。

4 設備監(jiān)測系統(tǒng)設計

當前大型設備結構越來越復雜，但大多由液壓系統(tǒng)，氣動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，智能信息系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)構成的。

以某低速風洞為例，其動力系統(tǒng)就是一個復雜大型設備，針對現(xiàn)場監(jiān)控設備缺失、狀態(tài)指示屏信息顯示不直觀、不全面、無故障報警功能的現(xiàn)狀，基于OPC協(xié)議利用LabVIEW軟件開發(fā)了信息監(jiān)控全面直觀、實時性好的風洞安全信息采集系統(tǒng)。上位機采集監(jiān)控系統(tǒng)在風洞試驗過程中嚴密監(jiān)測動力系統(tǒng)相關參數(shù)信息，一旦參數(shù)超標立即報警。風洞安全信息采集系統(tǒng)下位機主要包含前端的傳感器、信號采集模塊、通訊控制模塊等，實現(xiàn)安全監(jiān)控信號的采集和上傳；網(wǎng)絡部分主要包含網(wǎng)絡通訊模塊、接口模塊、通訊網(wǎng)絡等，實現(xiàn)采集系統(tǒng)各個子系統(tǒng)間以及和中控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊；上位機主要包括管理計算機、顯示系統(tǒng)、人機交互設備等，實現(xiàn)動力系統(tǒng)信息的集中管理，狀態(tài)顯控監(jiān)視，人機交互操作等[4]，系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 風洞硬件系統(tǒng)監(jiān)控圖

5 設備監(jiān)測系統(tǒng)的構建問題及發(fā)展展望

5.1 設計標準需要規(guī)范統(tǒng)一

如今，狀態(tài)監(jiān)測設備的制造商層出不窮，產(chǎn)品的技術標準和接口協(xié)議大多各自為政。如果一些不合格的狀態(tài)監(jiān)測裝置在出廠前未經(jīng)驗收，投入運行后容易出現(xiàn)誤報警和拒收現(xiàn)象，從而導致系統(tǒng)可靠運行的不穩(wěn)定因素。因此，有必要建立一套完善的狀態(tài)監(jiān)測裝置的設計、選型和出廠驗收規(guī)范。

5.2 提升監(jiān)測傳感器的技術含量

優(yōu)化整體的技術管理，采用高科技的監(jiān)測傳感器，能提升工作效率，技術水平低的傳感器，可能在傳感器靈敏度、精確度上存在問題，為了確保狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的靈敏度，還是要選擇精確度高的傳感器。系統(tǒng)需要從硬件和軟件兩個方面進行設計，結合現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡技術和分布式計算技術/中間件技術，完成各種現(xiàn)場設備的狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)了對風洞各段關鍵設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和記錄，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并報警，從而提高了風洞試驗運行系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5.3 優(yōu)化診斷專家系統(tǒng)

整體上需要做好實時的系統(tǒng)故障診斷的優(yōu)化，利用好人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)、模糊集數(shù)學等關系，建立一個規(guī)則化模型，而整體上需要提升設備故障監(jiān)測的效果，積極引進專家系統(tǒng)，通過知識和經(jīng)驗的模型化，將整體上設備的存在的故障類型和出現(xiàn)故障的位置進行精確的判斷。專家系統(tǒng)的完善，依賴于系統(tǒng)使用過程中的長期積累，其完善程度，對于系統(tǒng)故障診斷的水平和能力具有決定性作用。系統(tǒng)完善后，可以方便實現(xiàn)歷史預警信息、故障診斷方案的查詢分析功能[5]。

5.4 人工智能技術的展望

從專用智能向通用智能發(fā)展。2016年10月，美國國家科學技術委員會發(fā)布《國家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略計劃》，提出在美國的人工智能中長期發(fā)展策略中要著重研究通用人工智能。

從人工智能向人機混合智能發(fā)展。借鑒腦科學和認知科學的研究成果，將人的作用或認知模型引入到人工智能系統(tǒng)中，提升人工智能系統(tǒng)的性能，使人工智能成為人類智能的自然延伸和拓展，通過人機協(xié)同更加高效地解決復雜問題。在我國新一代人工智能規(guī)劃和美國腦計劃中，人及混合智能都是重要的研發(fā)方向。

從“人工+智能”向自主智能系統(tǒng)發(fā)展?？蒲腥藛T開始關注減少人工干預的自主智能方法，提高機器智能對環(huán)境的自主學習能力[6]。

總之，未來的大型設備結構越來越復雜，狀態(tài)監(jiān)測難度也越來越高，隨著人工智能技術的發(fā)展，需要不斷引入新興的技術，不斷探索更多的路徑。

6 結語

將智能監(jiān)測技術應用其中提升管理效能是非常有必要的，而在當下，越來越多的行業(yè)將系統(tǒng)遠程監(jiān)控設備終端逐步應用工業(yè)生產(chǎn)和生產(chǎn)發(fā)展系統(tǒng)之中，通過構建該系統(tǒng)，最后將系統(tǒng)和報警模塊相連，構建一個完善的預警監(jiān)測和報警系統(tǒng)，可以大幅提升設備運行的安全性、可靠性和效率量，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。