基于数据驱动的系统监控与故障诊断

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1、基于数据驱动的系统监控与故障诊断SystemMonitoringandFaultDiagnosisBasedonData-driven宋执环浙江大学控制科学与工程学系背景介绍与系统构成系统监控的意义现代化工业正朝着大规模、复杂化的方向发展，通常包含高温、高压、易燃、易爆的生产过程，系统一旦发生事故就会造成人员和财产的巨大损失。系统监控有2层含义：以保证主要设备乃至生产全过程的安全为目标：避免生产事故、减少财产损失；为保证产品质量为目标：减少产品质量波动、实现优质高效。7/3/20213©CopyrightbyZhihuanSong复杂工

2、业系统能源原料公用工程生产过程（离散、连续或间歇）付产品产品废物（气、液、固）市场自动化设备（仪表、PLC、DCS、FCS等）7/3/20214©CopyrightbyZhihuanSong企业信息化系统结构决策层管理层调度层经营决策系统产品策略管理信息系统生产计划生产调度系统调度指令过程监控系统系统优化计算机控制系统控制信息生产过程监控层控制层关系数据库实时数据库7/3/20215©CopyrightbyZhihuanSongERPEnterpriseResourcePlanningPCSProcessControlSystemMES

3、ManufacturingExecutionSystem企业资源计划过程控制系统制造执行系统企业信息化系统三层结构7/3/20216©CopyrightbyZhihuanSong监控系统定位ERPEnterpriseResourcePlanningPCSProcessControlSystemMESManufacturingExecutionSystem企业资源计划过程控制系统制造执行系统系统监控与故障诊断7/3/20217©CopyrightbyZhihuanSong随着计算机测量与控制系统和各种智能化仪表在工业过程中的广泛应用，大量

4、的过程数据被采集并存储下来。但是这些包含过程运行状态信息的数据往往没有被有效地利用，以至出现了所谓的“数据很多，信息很少”的现象。造成这一现象的主要原因:最初是由于工业控制计算机系统缺乏足够的计算能力和统一的数据存储格式；缺乏有效的分析算法和可利用的商业软件包；如何利用这些数据的目的性不够明确。随着工业计算机技术、现场总线技术的发展，相关的数据分析理论的研究也取得到了长足的进步。因此，工业界已意识到并且也已具备了相应的能力，必须将海量的数据变为有用的信息，服务于生产安全和产品质量控制，以起到降低成本、提高企业竞争力的作用。数据处理的需求

5、7/3/20218©CopyrightbyZhihuanSong通过对工业过程数据的采集、预处理（滤波、校正等）和分析（特征提取、模式分类等），监督生产过程的运行状态，检测系统的故障信息、诊断故障原因，分析和预测生产过程的动态趋势，从而达到减小产品质量波动、保障系统可靠运行的目标，使生产系统始终处于最佳运行状态。基于数据驱动的系统监控7/3/20219©CopyrightbyZhihuanSong监控系统组成结构7/3/202110©CopyrightbyZhihuanSong监控与故障诊断系统显示报警记录控制集成监控系统监控诊断数据库

6、、知识库维护数据预处理数据采集传感器自学习特征提取算法库知识库数据库7/3/202111©CopyrightbyZhihuanSong时域特征特征提取频域特征时－频域特征其它模型形式时间序列图统计分析控制图标称概率图熵分析相关分析信息增益分析监控分析方法7/3/202112©CopyrightbyZhihuanSong主要数据驱动方法数字信号处理方法谱分析、小波分析等统计分析方法主元分析（PrincipalComponentAnalysis,PCA）、偏最小二乘（PartialLeastSquares,PLS）、Fisher判别分析、C

7、VA等统计学习方法支持向量机（SVM）、Kernel学习等人工智能方法神经网络、粗糙集、模糊推理、专家系统等7/3/202113©CopyrightbyZhihuanSong面向故障诊断的系统监控基本情况我们的研究工作始于1997年先后受到4项国家自然科学基金项目（其中2项已完成，2项在研）、和1项国家863项目和1项浙江省科技计划项目的支持主要研究领域：小波多尺度分析统计分析方法（PCA、PLS）支持向量机（SVM）、Kernel学习等7/3/202115©CopyrightbyZhihuanSong基于小波分析的监控方法利用小波变换

8、进行监控和故障检测的思路：在进行故障检测时，同时对系统的输入和被检测信号（系统的输出或可能的状态变量）进行小波变换。然后分析不同尺度下的信号的变换结果。在被检测的信号的小波分析中剔除由于输入信号变化引起的奇