基于Internet的设备远程诊断系统实现技术研究_张晓彤

·网络技术应用·

基于Internet 的设备远程诊断系统实现技术研究

①

张晓彤②

　徐金梧③

　杨德斌　屈蓉

(北京科技大学　100083)

摘要　设备远程诊断是设备故障诊断技术发展的必然趋势,是近几年随着Internet 的发展而兴起的一项综合性新技术。从传统的诊断方式入手,着重介绍了远程诊断技术的主要特点和基本原理,重点讨论了目前有关远程诊断技术新的研究方向,如数据仓库和数据挖掘技术,多网络协议的集成技术,基于分布式系统的CO RBA 技术,为开发新一代远程诊断系统提出了一些设想和实施过程中的经验和体会。

关键词　远程诊断　计算机网络　数据仓库　CO RBA 中图分类号　T P277 文献标识码　A

Study of Remote Machinery Fault Diagnosis System

Application Technologies Based on Internet

Zhang Xiaotong Xu J inw u Yang debin Qu Ro ng

(Univ ersity of Science a nd Tech nolog y Beijing )

ABSTRACT

　The technologies of remo te machinery fa ult diagno sis ar e th e t rend o f the machinery fa ult diag no sis dev elo pm ent ,which a re nov el multi -technolog ies accompany dev elo pme nt o f Inte rnet .T he con-v entio nal methods o f building fault diag no sis system ar e intr oduced first ,and the main futur es and funda-ments of long-dista nce machinery fa ult diagno sis ar e inv estig ated late.Em phasis is fo cused on th e dev elop-ing o rienta tion,such as the tech nique o f Da ta W areho use,Da ta M ining ,M ulti-Pr oto co l Integ ra tio n and CO RBA,which w ould be helpful to dev elop adv anced long-dista nce machinery fault diag nosis system.

KEYWORDS Remo te fa ult diag nosis Computer netw o rk Da ta W a rehouse CO RBA

1　前言

设备故障诊断技术始于60年代初,经过近20年不懈的努力,一些新的技术(如信息论、控制论、计算机和人工智能等)不断地被引入到故障诊断领域,并使故障诊断技术不断地丰富与完善。应用领域从单纯的机械设备诊断,发展到航空航天、海洋船舶、汽车、水利和电力等系统的诊断,以及生产过程的监测与控制。许多大型系统

或关键设备在设计阶段就已经考虑到对故障诊断的要求。故障诊断系统的规模也从原来的单机监测发展到现在的远程分布式监测系统,使计算机的监测范围扩大到整个企业。目前在冶金、石化、电力等领域已有许多企业采用了设备远程在线监测系统,并取得了显著地成效。文中在分析了目前常用的设备故障诊断技术的基础上,提出了实现设备远程诊断系统的模式与方法,并对设

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30—To tal N o .125Februa ry 2001 冶　金　设　备M ET AL L U RG ICA L EQ U I PM EN T

总第125期2001年2月第1期①国家教委“跨世纪优秀人才计划”基金资助项目

②　作者简介:张晓彤,男,博士,1968年5月生,北京科技大学信息工程学院计算机系,主要从事设备故障诊断、神经网络、小波分

析、信号处理和人工智能等方面的研究

③　作者简介:徐金梧,男,博士,博士生导师,北京科技大学机械工程学院教授

备远程诊断技术的应用前景做了展望。

2　设备监测与诊断技术的发展过程

在不同工业生产时期,生产设备的性能、结构和规模大不相同,与之相适应的设备监测与诊断技术的发展主要经历了如下几个阶段:

1)人工离线监测与诊断方式:

有经验的设备维护人员或工程技术人员利用常规监测仪表或者较复杂的分析仪器对设备进行人工巡检,根据自己的经验对设备的状态以及发展趋势等做出判断。这种监测方式,只能对设备作一些简易的诊断。在这种监测方式下,监测仪器只是作为辅助工具,监测人员的经验和责任心对诊断结果的准确性影响很大。

2)单机集中式在线监测与诊断系统:这种形式的监测系统主要由一台计算机来完成数据的采集、信号处理、特征提取和故障识别。这类系统集主要功能于一体,维护方便且投资较少。主要用于重要的主体设备,如:风机,发电机等设备的监测与诊断。由于采用单台微机,因此系统所能监测的测点数目有限,巡检周期长,系统的功能受到诸多限制。

3)分布式在线监测与诊断系统:这类系统综合了单机系统的优点,采用多台微机通过传统的计算机通信手段(如RS-232)形成一个完整的诊断网络。下位机主要用于数据采集和信号的预处理,上位机负责信号的精密分析和数据的管理,上、下位机各司其职,提高了系统的功能。这类系统主要用于大型设备,如现代连轧机组、大型发电机组、大型石化设备等。由于采用分布式技术,系统相对复杂,技术难度大,且投资较高。

4)远程分布式在线监测与诊断系统:这类系统采用Internet和Intra net技术,实施异地远程诊断,能充分利用更多的技术支持和数据共享,大大地提高了系统诊断的命中率。远程诊断将是今后设备在线监测与诊断系统的发展趋势。远程诊断系统是建立在集中式或分布式监测系统的基础之上的,如果没有这种监测系统也就无法实施异地的远程在线监测与故障诊断,同时实现远程在线监测与诊断的技术要求较高,还有很多技术问题尚待解决。

3　远程诊断技术3.1远程诊断系统的特点

设备远程诊断技术是设备诊断技术、计算机网络与通信技术、数据库与决策支持技术相结合的产物。美国密歇根大学是国外较早开展远程诊断研究的学术单位,主要开展针对机械加工的远程诊断和制造系统的研究工作,并在Internet上设立了一个宣传站点。美国的西屋公司在其诊断操作中心可以远程在线监测全美20多个电厂的运行情况。在国内,华中理工大学、西安交通大学、东南大学、北京科技大学等单位也在开展该技术的开发和研究。设备远程诊断系统具有如下主要特点:

1)采用多种网络接入方式形成一个完整的企业级诊断系统,实现对远程设备进行实时监控和管理,能及时准确地掌握和控制设备的状态,为设备的安全运行提供可靠的技术保障,同时也可以形成全国范围内的诊断网络;

2)有利于实施多样化协同服务,实现企业和异地专家对设备故障进行实时会诊,提高诊断的准确性和可靠性;

3)有利于数据的积累和资源共享,远程诊断系统要求数据格式必须规范化和标准化,从而能够形成统一的数据库,实现大范围内的诊断知识与诊断数据的共享;

4)具有良好的可扩展性,借助Internet/In-tranet,远程诊断系统可以灵活的扩展,可以在大到世界范围,小到一个工作间的几台计算机的局域网上实现诊断任务。

3.2远程诊断系统的框架结构

远程诊断系统的基础是集中式在线监测系统和分布式在线监测系统,采用若干台中心计算机作为诊断服务器,在关键设备上建立状态监测点。通过在监测点上永久安装的传感器拾取机械设备的运行信息,经过信号预处理、A/D转换后输入现场监测计算机,然后对信号进行单位变换,实现连续实时地采集设备状态数据,而在技术力量较强的科研院所、大学建立远程分析诊断中心,为企业提供远程技术支持和保障。通过网络将监测点连接成一个复杂的监测网,任何一个监测系统都可以提出请求服务的要求,在异地的诊断服务中心接到请求服务的信息后,可以提供

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各种服务,并返回诊断结果。同时,远程的服务中心也可以从网上直接获取目前各监测点的设备状态信号和历史数据,从而形成一个完整的监测系统。一旦重要设备出现隐患或故障,可以在短

时间内调动互连网内的所有诊断资源,实现对设备故障的早期诊断和及时维修。使企业能及时调整生产过程,达到安全、高效生产的目的。

远程诊断系统的框架结构如图1所示

。

图1　远程诊断系统框架结构

3.3远程诊断系统的实现方法与基本功能

构建远程诊断系统的三要素:网络的接入与通信方式、数据管理和数据仓库、方法库和其它的服务功能。

1)网络的接入与通信方式

远程诊断系统可采用多种网络连接形式,典型的有:

(1)高速以太网(100M /10M ,千兆以太网)和A TM 网;

(2)调制解调器和公用电话网;(3)无线发送(无线发射和微波传送);(4)有线电视线缆(Cable M odem )。常用的是采用网络电缆和电话电缆的接入方式。由于无线发射有可能会对计算机控制系统造成干扰,所以在企业使用较少,但适用于像油田、水文监测这类环境复杂需要借助远程在线监测系统进行数据采集与监测的场合。微波传送受障碍物的影响较大并且数据传送的可靠性较低,在企业中也不多见,但这类网络接入形式适用于较长距离的数据传输,通常,其传输速率可达2Mbps 以上。

采用光缆传输的高速网,最高速率可达1200M bps (千兆以太网)和622M bps (ATM 网)。这类网络可作为企业Intra net 的主干网,桌面端可采用100/10BASE-TX 端口。

实现远程诊断的系统大多采用支持TCP/IP 协议的通信方式,这样便于网络内不同平台之间的数据传输与交换。可以采用以下数据传输方式:

(a)基于数据流的传输方式,如:套接字。(b )基于文本的传输方式,如:超文本传输、简单邮件传输、普通文件传输等。

远程诊断系统可以采用多种模式来实现,如:传统的客户机/服务器(Client /Serv er )模式(简称C /S 模式)和浏览器/服务器(Brow se /Serv er )模式(简称为B /S 模式),以及面向A-gent 的CO RBA 技术。实际上,B /S 是在C /S 基础上发展起来的,是由浏览器端发出一系列命令和请求动作,由服务器端负责对请求进行处理,并将处理的结果通过网络返回到客户端的技术。

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开发基于Intranet的B/S模式的远程诊断系统,需要实现W eb与数据库的集成,因为许多诊断与分析过程是借助数据库来实现的。

采用B/S模式远程诊断系统的客户端只需安装和运行浏览器软件,而在服务器端需要安装W eb服务器软件和数据库管理系统。B/S结构提供了一个跨平台的、简单一致的应用环境,与传统的C/S模式的远程诊断系统相比,它实现了开发环境和应用环境的分离,使开发环境独立于用户的应用环境,避免了为多种不同操作系统开发同一应用系统的重复工作,便于系统的扩展、维护及管理,能够大大提高远程诊断的工作效率。

2)数据管理和数据仓库

不论远程服务中心、企业级诊断中心或者厂级诊断中心都应当建立相应的数据库系统。另外,有条件的远程服务中心还应当建立相应的数据仓库。通过计算机网络形成分布式数据库,为达到数据共享和数据兼容的目的,数据结构和数据库结构必须具备统一、规范的格式。数据类型包括:

(1)特征量数据:从原始信号中通过各种信号处理方法提取的信息,便于今后进行趋势分析和状态比较。

(2)原始信号数据:不同时期从设备中采集的原始时域信号,尤其是新设备运行初期和出现各种故障的原始信号。

这两类数据中都应包括采样状态信息,设备工作状态信息,设备类型信息以及时间信息等。分布式数据库是建立在客户机/服务器基础上的,目前很多数据库系统都支持C/S服务,如O-racle,Sybase,DB2等商业数据库软件。分布式数据库可以采用多层数据库技术来实现。

3)方法库和其它服务功能

远程诊断系统不仅需要分布式数据库的支持,同时还需要方法库的支持。远程服务中心应提供各种分析工具以支持远端各种请求,这些分析工具构成方法库。方法库和数据库协同工作,才能实施真正意义上的远程诊断服务。这些分析工具包括:

(1)信号处理模块:线性和非线性信号处理,时变信号和随机信号处理,以利于提取故障特征。

(2)诊断方法模块:专家系统,模糊诊断,神经网络,信息熵,机器自学习模块。

(3)数据统计和趋势分析模块。

这些应用工具可以在本地和异地为客户端提供各种诊断分析服务。客户端可以通过网络下载这些分析工具(如利用Jav a技术实现的Jav a 小程序,以及利用DCOM技术实现的专用Ac-tiv eX控件等)并与客户应用程序协同使用,形成一套完整的服务程序。

同时这些应用小程序也可以在远端为客户提供服务,在一个真正的分布体式系中,系统打开一个数据库,或编写复杂的查询过程,这些任务都可以由远程对象来完成。

操作系统和整个网络都可以被看作是一套以组件对象形式提供的服务集,它们可以通过COM、DCOM和COBRA等形式来实现。

4　远程诊断技术新的研究方向

远程诊断技术是在分布式技术和网络技术上发展起来的。随着计算机技术和信息处理技术的不断发展,远程诊断技术将日益引起人们的关注。但远程诊断技术目前还处于发展的初期,还有很多的问题尚待解决。

4.1数据仓库和数据挖掘技术[3～5]

目前的数据处理大致可以分为两种类型:事务处理和分析处理,事务处理主要是指数据的日常查询和修改。分析处理也叫信息型处理,主要用于数据的分析、信息的提取和决策分析,而且经常要访问大量的历史数据。数据仓库主要是针对数据的分析处理技术的。它以传统的数据库技术作为数据存储和资源管理的基本手段,以统计分析技术作为数据分析和信息提取的有效方法,以人工智能技术作为数据挖掘和规律提取的科学途径。远程诊断技术是建立在分布式技术基础上。大量的监测数据分布在不同的服务器上,这些数据除了需要具备规范统一的数据结构外,还应当进行分析、归纳和利用。数据仓库技术为数据的分析处理和数据挖掘提供了有力的手段。数据仓库的基本结构形式如图2所示。

分布在不同地域的监测系统根据原数据的设计要求从数据库中提取数据集。由于数据仓库

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是面向主题的,可以按故障类型、设备类型、设备使用工况作为数据仓库的主题,因此在数据结构和数据抽取过程中都应当考虑到这些主题。从数据库上所提取的数据集形成不同层次的数据集市(Da ta Ma rt),全局数据仓库根据各诊断服务中心所形成的数据集市进行再提取和再集成,因此数据仓库是按不同层次来设计的。数据挖掘是根据数据仓库中的数据集利用人工智能的方法进行归纳和分析,从而提取出规律性的东西。目前普遍使用的方法有:

1)基于信息论的决策树方法:比如利用信息熵方法可以实现最佳特征和规则的提取。

2)人工神经网络方法:比如BP网络、Ho p-field网络以及其它自组织网络等,利用神经网络方法可以进行模式识别、机器学习和聚类分析。

3)遗传算法:遗传算法是根据自然界适者生存优胜劣汰的原理发展起来的新的优化算法。

它已在优化计算和分类以及机器学习方面取得重大进展。遗传算法可用于故障诊断技术中的聚类分析、规则提取和机器的学习。

数据挖掘技术常常采用一些混合的算法,比如,遗传算法和神经网络方法相结合,用于神经网络拓扑结构的优化,从数据集中提取规则等。

图2　数据仓库的基本结构形式

4.2多网络协议的集成

目前Internet和Intra net多采用TCP/IP 网络协议[6],高速以太网和A TM网都支持这类网络协议。但是在开放的Internet网内,TCP/IP 网络协议不易用于实时通信。主要原因是:大多数计算机网络不允许连续传输任意长度的数据量,而是将较长的数据拆分成小块数据—包(packet)单独发送。一旦出现数据丢失时,需要重发丢失数据的数据。其次,由于网络的通信带宽有限,为了确保所有计算机能均衡、迅速地得到共享通信设备的服务,一台计算机只能占用发送一个包的时间长度共享网络通信带宽,接着将发送权让给其它使用者。这样不可避免的造成网络内的数据在传输过程中产生冲突,这种现象在以太网内是常见的。因此,诊断数据在传输过程中不可避免地出现长时间的等待现象。但是,在企业内部Intra net网的通信占用率不高的情况下,这种网络协议仍具有较高的实时性。

为了解决实时性问题,可采用令牌环的网络协议,比如IBM公司的SN A协议。SN A提供端对端的通信能力,虽然SN A属于低速网络,但能满足实时通信的需要。目前,大多数路由器都支持SN A和TCP/IP协议的集成,因此对于实时性要求很高的监测数据可利用SN A协议,而那些需在广域网上传送的实时性要求不很高的数据可采用TC P/IP协议。在网络系统设计过程中应充分分析数据的类型以及网络实施的方案是十分必要的。

4.3COBRA技术(Com mo n Object Request Broker Architecture)[7～13]

COBRA(公共对象请求代理体系)是一种跨平台的接口和模型,它与编程语言,计算机软硬件平台和网络协议无关。CO RBA是面向代理(Ag ent)的中间件(Midw are)技术,通常,客户/服务器体系结构中,当客户提出请求时,由客户机所连接的服务器提供服务,客户只能在了解某一服务器所能提供的服务内容时,才能请求服务器提供某些服务。

CORB A技术克服了这种局限性,当远程诊断系统的终端客户需要技术咨询时,可以向O RB(Object Request Broker,对象请求代理)提出请求,所有连接在网络上的远程诊断中心的服务器通过ORB都会响应它的请求。这样,在网络上将有多台服务器为客户机提供服务。因此,利用CO RBA技术实现远程诊断比基于C/S和B/S模式有更大的优势。CO RBA的实施过程如

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图3所示。

客户可以选择静态存根(Static Stubs)或动态调用接口方式

(Dy namic Inv oca tio n

Interface)提出请求,不论采用何种方式,这些请求将被传送给客户O RB 内核。客户机ORB 内核通过网络传送给与服务器应用程序相链接的服务器ORB 内核。服务器ORB 内该将这些请求分派给对象适配器,由它产生目标对象(Targ et Object )。对象适配器进一步将请求分派给目标对象的实现部分。服务器可以选择静态轮廓(Static Skeletons )或动态轮廓接口(Dynamic Skeleto n Interface)来提供请求的实现。将服务

器所提供的服务通过O RA 接口返回给客户应用程序。

在这里,客户端的静态存根和服务器端的静态轮廓是相对应的;动态调用接口与动态轮廓接口是相对应。静态存根和静态轮廓由接口定义(Interface Definitio n Language)来描述,可由C ++编译器在编译、链接时完成,而动态调用接口和动态轮廓接口是在程序运行时才动态加载到程序中的。无疑,CO RBA 技术为远程诊断系统提供了更加灵活、全面的服务,它是今后跨平台分布式系统的发展方向

。

图3　CO RBA 结构原理图

5　结论

远程诊断是故障诊断技术新的发展方向。从理论上讲,远程诊断技术利用计算机网络,实施异地的远程诊断,同时采用分布式技术以获取更多的技术服务和数据共享,但从本质上来讲,分布式监测系统仍是远程诊断系统的基础。

在设计分布式监测系统时,应充分考虑到将来实施远程诊断的可能性。因此,在设计时,首先要考虑的问题是如何有效地管理诊断数据以及实现诊断数据的共享,目前多数在线监测系统都是采用数据文件的形式,数据文件容易造成数据的丢失,无法有效地使用数据,不支持远程多用户的并发访问。

从长远来看,应采用关系型数据库来存储和查询数据,并用统一的数据格式,这样便于将来有效地使用数据和资源共享。在条件允许的情况下,应逐步建立数据仓库,使用数据挖掘技术,以提高故障诊断系统的命中率和可靠性。实施远程

诊断需要选择合理的网络操作系统平台和网络协议,有条件的企业在实施远程监测系统时,也应该考虑到多协议的集成问题,以解决实时通信问题,尤其是那些与过程控制系统相关联的数据,以实现实时监控。

远程诊断技术还有不少问题尚待进一步探索和研究,但从长远来看,这项技术将被广泛地应用于生产过程中的监控系统。

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(收稿日期:2000—11—29)

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