设备故障诊断技术的内容简介

第1章 设备故障诊断概述

1.1 设备故障诊断的基本概念和特点

1.1.1 设备故障的基本概念

1.1.2 设备故障诊断的内容及特点

1.2 故障诊断的基本问题

1.2.1 故障分类

1.2.2 故障诊断的任务

1.2.3 评价故障诊断系统的性能指标

1.3 设备故障诊断的知识构成和求解过程

1.3.1 设备故障诊断的知识构成

1.3.2 设备故障诊断的求解过程

1.4 设备故障诊断的基本方法及研究现状

1.4.1 基于解析模型的故障诊断方法

1.4.2 基于知识的故障诊断方法

1.4.3 基于信号处理的故障诊断方法

1.4.4 其他故障诊断方法

1.4.5 设备故障诊断技术研究的热点

1.5 设备故障诊断技术的发展趋势

复习思考题

第2章 故障诊断中的数据处理

2.1 数据处理的有关知识

2.1.1 动态测试数据的分类

2.1.2 随机过程的基本概念

2.1.3 测试数据处理方法

2.1.4 数据检验

2.1.5 数据分析流程

2.2 随机数据统计参量的数值分析

2.2.1 估计理论的基本概念

2.2.2 均值和方差的计算

2.3 离散傅里叶变换（DFT）

2.3.1 采样与混叠

2.3.2 截断与泄漏

2.3.3 频率采样（延拓）

2.4 小波分析的基本原理

2.4.1 小波变换

2.4.2 小波变换的直观理解及其工程解释

2.4.3 小波包分析

2.4.4 适合故障信号分析的小波函数选择

复习思考题

第3章 基于统计理论的诊断方法

3.1 Bayes决策诊断方法

3.1.1 概述

3.1.2 基于最大后验概率的Bayes诊断

3.1.3 基于最小风险的Bayes诊断

3.2 时序模型诊断法

3.2.1 ARMA，All和MA模型

3.2.2 故障诊断时序方法的步骤

3.2.3 故障诊断时序方法的内容

3.2.4 ARMA模型的建模

3.2.5 根据模型参数进行故障诊断

3.2.6 距离判别函数故障诊断法

3.3 序贯模式分类故障诊断法

3.3.1 概述

3.3.2 序贯分类原理及步骤

3.3.3 Bayes序贯判别步骤

3.4 主分量分析法

3.4.1 引言

3.4.2 主分量分析

3.5 线性判别函数法

3.5.1 引言

3.5.2 Fisher判别式分析（FDA）

3.6 灰色系统的关联分析诊断方法

3.6.1 概述

3.6.2 关联度分析法在故障诊断模式识别中的应用

3.6.3 灰色预测在设备状态趋势预报中的应用

3.7 基于支持向量机的故障诊断方法

3.7.1 支持向量机的基本原理

3.7.2 多类支持向量机

3.7.3 支持向量机的故障诊断方法

3.7.4 实例

复习思考题

第4章 基于模糊理论的诊断方法

4.1 模糊集合理论基础

4.1.1 模糊集与隶属函数

4.1.2 隶属函数的确定

4.1.3 常用的隶属函数图表

4.1.4 模糊集的表示方法及其运算

4.2 基于模糊模式的故障诊断方法

4.2.1 模糊模式识别的直接方法

4.2.2 模糊模式识别的间接方法

4.3 故障诊断的模糊综合评判原则

4.3.1 综合评判的数学原理

4.3.2 模糊综合评判的五种具体模型

4.3.3 综合评判模型的故障诊断应用实例

4.3.4 几种综合评判模型的适用范围

4.3.5 故障诊断的多级模糊综合评判方法

4.4 故障诊断的模糊聚类分析方法

复习思考题

第5章 故障树分析诊断方法

5.1 故障树分析概述

5.1.1 故障树分析及其特点

5.1.2 故障树分析使用的符号

5.2 故障树分析的一般步骤及表述

5.2.1 故障树分析的步骤

5.2.2 故障树建造的一般方法

5.2.3 故障树的结构函数

5.3 故障树的分析

5.3.1 故障树的定性分析

5.3.2 故障树的定量分析

5.4 诊断实例

复习思考题

第6章 专家系统故障诊断方法

6.1 专家系统概述

6.1.1 专家系统的基本概念

6.1.2 专家系统的结构

6.1.3 专家系统的特点

6.2 专家系统的知识表示

6.2.1 知识的层次结构

6.2.2 公共知识和私有知识

6.2.3 陈述性知识与过程性知识

6.2.4 对知识表示的要求

6.3 知识的产生式表示

6.3.1 产生式规则的形式

6.3.2 产生式系统

6.3.3 产生式表示的优缺点

6.4 知识的框架表示

6.4.1 框架表示的形式

6.4.2 框架表示下的推理

6.5 故障诊断专家系统的推理方式与控制策略

6.5.1 基于规则的诊断推理

6.5.2 基于模型的诊断推理

6.5.3 基于案例的诊断推理

6.5.4 不精确推理

6.6 故障诊断专家系统知识的获取

6.6.1 间接获取方式

……

第7章 神经网络故障诊断方法

第8章 数据融合故障诊断方法

第9章 集成技术的故障诊断方法

参考文献

地质环境风险评价

智能诊断技术包括: (1)专家系统诊断。专家系统是应用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂实际问题的一种人工智能计算机程序。一般包括知识库、数据库、推理机、人机接口及知识库管理系统、解释系统等。故障诊断专家系统是专家系统应用的一个重要分支。 (2)人工神经网络诊断。人工神经网络以其大规模并行处理能力、自适应学习能力、分布式信息存储、鲁棒性、容错性和推广能力等特点在故障检测和诊断领域受到广泛重视。应用对象主要是设备和子系统。 (3)模式识别诊断。模式识别诊断是将系统的工作流程经过仿真和分析，加上人的经验，建成各种故障模式，并根据测量信息，确定系统属于哪种模式，从而检测和分离故障。它包括个体识别法和群体识别法两种。 (4)故障树分析法。故障树分析法是一种自上而下逐层展开的演绎分析法。它以系统或设备最不发生的故障为顶层事件，向下逐层查出导致该事件发生的全部原因，以一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图(即故障树)，表示事件的逻辑关系，并进行定性、定量的安全性和可靠性分析。该方法是比较常用的故障诊断方法，主要用于简单对象的离线诊断。 (5)模糊诊断。模糊概念是内涵确定而外延不确定的概念，如:“电压过大”，“电机过热”等。正是由于这些模糊知识及故障诊断中的经验知识存在，所以模糊诊断技术具有较多的使用场合。 (6)灰色系统理论诊断。灰色系统理论是我国学者邓聚龙1982年首先向国际提出的，灰色概念是外延确定而内涵不确定的概念，如“机器人失控”。灰色系统是指部分信息清楚而部分信息不清楚的系统。灰色系统理论是控制论观点和方法的延伸，它从系统的角度出发研究信息间的关系，即研究如何利用已知信息去揭示未知信息，也就是系统的“白化问题”。一个运行中的设备实际上就是一个复杂的灰色系统。这个系统中，有的信息能知道、有的信息不准确知道或不可能知道，故障诊断就是利用已知信息去认识含有不可知信息系统的特性、状态和发展趋势，并对未来作出预测和决策，实际上是一个灰色系统的白化过程。其中灰色预测模型、灰色关联度和灰色聚类法等理论方法已在时序模型定阶、预测和故障诊断中得到初步应用。 (7)小波分析诊断。小波变换是近几年得到迅速发展并形成研究热点的信号分析新技术，被认为是对傅立叶分析方法的突破进展。 (8)遗传算法诊断。遗传算法的主要特点是群体搜索策略和群体中各个体之间的信息转化，可并行地爬多个峰，搜索不依赖于梯度信息，采用概率的变迁规则来指导它的搜索方向。它尤其适用于处理传统搜索方法中难以解决的复杂问题和非线性问题，不仅避免了局部优化算法的缺陷，而且可以利用固有知识缩小搜索空间，避免其他全局优化算法产生搜索的组合爆炸。 (9)集成化诊断。

一、垃圾填埋的地质环境风险评价发展简况

地质环境风险评价属于环境风险评价的组成部分。环境风险评价兴起于20世纪70年代几个工业发达国家，尤以美国在这方面的研究独领风骚。在20多年中，就环境风险评价技术发展而言，大体上经历了三个时期：20世纪70年代至80年代初，风险评价处于萌芽阶段，风险评价内涵不甚明确，仅仅采取毒性鉴定的方法；20世纪80年代中，美国国家科学院（NAS）提出风险评价由四个部分组成，称为风险评价“四步法”即危害鉴别，剂量一效应关系评价，暴露评价和风险表征，由此，风险评价的基本框架已经形成。从1989年起，风险评价的科学体系基本形成，并处于不断发展和完善的阶段。目前国外环境风险评价主要包括人体健康风险评价和环境风险评价两方面。相对来说，人体健康风险评价的方法基本定型，环境风险评价正处在总结、完善阶段。国外对垃圾填埋处置的地质环境风险评价已零星可见，但国内对城市垃圾填埋处置地质环境风险评价方法的研究成果，至今还没有见到。

二、地质环境危险与风险

（一）地质环境风险一般表达

地质环境风险一般可表述为：地质环境风险是由不幸的地质环境事件发生的可能性P及其发生后将要造成的损害所组成的概念。不幸的地质环境事件发生的可能性称为“风险概率”P（x），也称风险度，这个事件发生后所造成的损失或危害称为“风险后果”D（x），风险则可表征为：

R（x）＝P（x）·D（x）

式中，x为一个具体的事件或事故。一般地，一个实际环境事故是由若干独立事件组合起来的，则这个环境事故的风险R（x）为：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

或

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

由此，地质环境风险评价的任务就是：求出其R（x）（即P（x），D（x））。

按照上面两式，分别计算出风险事故发生的概率P（x）、及其可能造成的危害或损失D（x），再计算风险R（x），这是比较经典的基础方法。这是地质环境风险评价的基本思路。

（二）地质环境危险性

地质环境危险性是指地质环境被污染或破坏的可能性，如果能定量表示，即是指上述地质环境风险表达式中的风险概率P（x）。地质环境风险包含了危险性评价。地质环境的危险性评价国内外研究很多，如地质灾害危险性评价，地下水污染的危险性评价等。比较而言，地质环境风险评价工作开展晚，成果也不多。

三、垃圾处置场地质环境风险评价

垃圾处置场地质环境风险评价一般指垃圾场污染地质环境的事故发生的概率与其造成的损失之积。这里的地质环境一般指土壤、地下水。鉴于垃圾淋滤液在土壤中的运移缓慢，影响范围一般不大，造成的损失一般也不大，因此，这里进行的“垃圾处置场地质环境风险评价”重点是污染地下水的风险评价。

四、地质环境风险评价内容与步骤

进行地质环境风险评价内容和关键步骤如下：

（1）危害识别：判断要出什么事故：对于广义的地质环境风险识别来讲，一个垃圾填埋场可能出的事故为填埋气体逃逸进入地层、土壤和地下水，污染空气、地表水、地下水，传播疾病；垃圾淋滤液渗漏进入地层、土壤和地下水，污染土壤、地下水、地表水等。危害识别就是要对这些事故进行逐项分析。

（2）危险评估：分析和计算出事故的可能性有多大：即是对上述可能发生的事故进行可能发生的概率进行分析、计算或评估。

（3）后果评估：评价如事故一旦发生将产生什么后果，即对上述可能发生的事故将造成的后果（环境污染、传播疾病等可能导致的经济损失、健康损失等）进行定性分析和定量评估。

（4）风险检验和分析：指出与风险相关的事有哪些。

（5）风险评判：判断风险的可接受程度，根据各事故概率、其危害后果、人们或其他受体的承受能力进行综合判断，评估人们或其他受体对风险的接受程度。

（6）风险降减：提出回避或降低风险的对策或措施。

五、常用的环境风险评价方法

风险因素因区域开发性质和类型、区域环保目标和标准、环保敏感目标的不同而异，所以各风险因素的评价和综合评价的方法有所不同。总的来说，目前区域环境风险评价的方法还是定性和半定量的，难以完全定量化。综合起来，可归纳为以下几种：

（一）概率设计方案的优化

该方法适用于几个备选方案的比较。把几个方案可能的后果的相对权值一一列出，根据具体要求和实际情况挑选其中一方案付诸实施，并对此方案作失败机率时的可能损失分析。

（二）商值法

商值法也称比率法，是生态风险评价最常用最普通的方法。它要求首先为保护受体设立参照浓度指标，然后与估测的环境浓度相比较。修正的商值法用有害指数Hi表示风险量。Hi≤1时，环境受害概率低；1<Hi<10时，环境可能受影响；Hi≥10时，环境受害概率较大，须做现场评价。

（三）外推法

外推法是健康风险评价中最常用的方法，它根据流行病学或动物毒理学研究资料，外推到环境水平的毒物暴露时生物体（或人体）所受的风险性。

（四）逻辑分析法

将层次分析方法AHP（Analytic Hierarchy Process）和故障树及事故树等逻辑分析方法用于区域环境风险评价中，分析事故源项，求取各风险因素的风险“相对大小”，即衡量对区域综合风险的“贡献”。

（五）统计分析法

收集历史上的有关数据，利用统计分析的方法求取类似事故发生的概率，即“依旧推新”，如事故时天气条件的计算、疾病发生率的估计等多用此方法。

（六）公式评价法

通过对事故的模拟分析，推导或实验得出经验公式，利用公式计算出风险的可能大小，通过进一步实验和观测，对公式逐步修正。如有毒气体的泄漏，利用在类似条件下的大气扩散模式；污染物在水中的泄漏，利用水体迁移扩散模式；人体健康风险也可采用暴露危害计算公式。

（七）模糊数学法

区域环境风险涉及复杂的因果关系，往往用精确的方法难以解决，风险在大与小之间没有明显的界限，模糊数学恰恰能够表达这种差异的中间过渡性，较为客观地刻划出风险的大小，其研究和应用逐步深入。

（八）图形叠加法

单因素环境风险评价结果有时采用图形表示，特别是风险危害后果在用其他方法难以计算时采用图形表达，如有毒危险性气体的泄漏扩散一般绘制浓度等值线图。在风险综合评价时，将各个环境风险因素的分布图进行合理叠加，得到整个研究区域中不同功能区的风险相对大小。

（九）事件树分析（ETA）

事件树分析是从初因事件出发，按照事故发展的时序，分成阶段，对后继事件一步一步地进行分析，每一步都从成功和失败（可能与不可能）两种或多种可能的状态进行考虑（分支），最后直到用水平树状图表示其可能后果的一种分析方法，它可以定性、定量反映整个事故的动态变化过程及其各种状态的发生概率。

针对所选择的不同故障事件作为初因事件，简单的污染源源强分析，可取其事故排放顶事件为事件树的初因事件。ETA可分析得出相应不同的事件链。事故排放故障树分析所确定的能导致向环境排放污染物的各种事件，由于其故障原因和所导致的污染物排放形态各异，使得事故排放的强度有所差别，因此，都应作为源强事件树分析的初因事故。应用ETA，我们可以分析出事故源强及其后继事件与最终结果的概率分布谱。也可用ETA分析污染源事故排放后通过环境介质造成受体安全风险的过程。

（十）故障树评价方法

前面已经介绍，这里不再重复。

值得说明的是，区域内研究的环境风险因素很多，每一种风险都有各自的特点，所以评价时应针对具体的风险问题选择合适的方法。

（十一）主观概率与客观概率法

进行风险分析必须获得关于状态变量的概率分布信息。获得概率的信息一般有两种途径：一是根据大量的试验进行统计计算；二是根据概率的古典定义，将事件集分解成基本事件，用分析的方法进行计算。由于上述两种估计是以客观存在的数据为基础。故称为概率的客观估计、按这种方法得到的概率、称为客观概率。

在实际工作中，有时不能获得充分的信息计算客观概率，但在风险决策分析时，又必须对概率进行估计。此时，只好由决策者或分析人员对事件发生的概率作出主观估计。这种既没有大量的历史数据作依据，又未通过试验或精确计算，主要靠个人主观判断获得的概率称为主观概率。一般情况下，主观概率的定义可以描述为：根据对某事件是否发生及该事件发生可能性大小的个人主观判断。用一个0～1之间的数来描述事件发生的可能性，此数即为主观概率。

主观概率的概率分布与客观概率分布一样，有离散型和连续型两种。对于连续型分布，常见的是正态分布相均匀分布。获取主观概率估计值除了依据分析者的主观判断外，可借助概率转盘法。概率转盘是一种具有黑、白两个扇形的圆盘。圆盘中心有一根可旋转的指针，该指针可任意旋转，可位于转盘内任意扇区内。不同颜色扇区面积大小可根据需要任意调节，如图10-1所示。

图10-1 概率转盘示意图

从上述评价内容和方法来看，垃圾处置场地质环境风险危害识别、风险检验与分析、风险评判、风险降减等相对于危害评估、后果评估来讲都要难。换句话说，处置场环境风险评价的关键在风险的危害、后果的分析与评估上，在相关计算和评估参数的准确求取上。

下面主要通过叙述三个例子，来说明垃圾处置场地下水污染风险的评价。

垃圾处置场污染地下水的风险评价，实际上可以分解为“填埋场垃圾淋滤液渗漏风险”和“淋滤液渗漏后可能穿过地层进入地下水的风险”两个大的方面来评价。下面第二节与第三节以两个实例分别讨论这两方面的内容。第四节则以石家庄滹沱河两侧建设垃圾处置场的地下水污染风险评价为例，综合说明垃圾处置场污染地下水风险评价。