基于多Agent的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究

劉傳璽

(山東科技大學(xué),山東泰安271019)

礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)安全性要求很高的一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),因單一故障診斷方法或?qū)＜抑R(shí)水平的局限性,往往不能滿足診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求,所以需要集成運(yùn)用多個(gè)專家經(jīng)驗(yàn)才能獲得正確的結(jié)論。同時(shí),對(duì)診斷問題的求解,要求實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化,傳統(tǒng)的診斷技術(shù)已不能滿足此診斷性能的需要,必須采用新的診斷理論體系和結(jié)構(gòu)。Agent是一種具有自主行為的智能體,能夠?qū)崟r(shí)處理多維信息。通過Agent之間的互相通信與協(xié)作,可以在相同環(huán)境中采用不同的方法解決問題,增強(qiáng)了診斷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)MAS故障診斷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)MAS故障診斷系統(tǒng)的初步應(yīng)用。本文重點(diǎn)闡述基于多Agent系統(tǒng) (M AS)故障診斷的實(shí)現(xiàn)方式、信息采集與獲取、故障診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能等方面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷的實(shí)現(xiàn)方式

1.1 故障智能診斷系統(tǒng)的定位

實(shí)現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)的基本條件,是獲取系統(tǒng)及有關(guān)設(shè)備運(yùn)行過程中相關(guān)變量的測(cè)量數(shù)據(jù),因此數(shù)據(jù)采集功能是任何診斷系統(tǒng)所必需的。到目前為止,對(duì)于監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的過程優(yōu)化、性能計(jì)算、故障診斷等功能子系統(tǒng) (或Agent),可以采用如下三種實(shí)現(xiàn)模式。

1)DCS+功能站 (Agent)。這種結(jié)構(gòu)功能站,必須具有從DCS中獲取數(shù)據(jù)的功能模塊,往往需要針對(duì)每種DCS開發(fā)相應(yīng)的接口來獲取過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);同時(shí),診斷系統(tǒng)需要在數(shù)據(jù)采集的可靠性和數(shù)據(jù)處理上,花許多時(shí)間和精力。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往使計(jì)算站過于專業(yè)化,系統(tǒng)的移植的工作量很大,由于每種計(jì)算站都具有和DCS打交道的接口,實(shí)際上造成了資源的重復(fù)利用率低的情況。

2)M IS+功能站 (Agent)。許多管理信息系統(tǒng) (M IS)中,已經(jīng)有部分的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),因此診斷功能站 (Agent)也可以建立在M IS的基礎(chǔ)上,直接從M IS上獲取需要的信息。然而,M IS是面向管理人員的信息系統(tǒng),它主要完成辦公自動(dòng)化、物資管理、人事管理、財(cái)務(wù)管理和綜合查詢等功能,因此對(duì)數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性要求不高,且通訊負(fù)荷一般具有突發(fā)性的特點(diǎn)。對(duì)于故障診斷系統(tǒng)來說,保證實(shí)時(shí)性和全面可靠的數(shù)據(jù)來源,是診斷系統(tǒng)性能的基本保證。從根本上說,M IS+功能站 (Agent)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只能是權(quán)宜之計(jì)。

3)SIS+功能站 (Agent)。隨著 DCS、PLC等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)過程中的廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控信息系統(tǒng) (Superviso ry Info rmation System of Plant簡(jiǎn)稱SIS)。它以全礦所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以先進(jìn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái),在若干運(yùn)行優(yōu)化模塊的支撐下,實(shí)現(xiàn)管控一體化的目標(biāo)?？梢灶A(yù)見,礦井綜合信息系統(tǒng)必將成為煤礦企業(yè)生產(chǎn)和管理的重要組成部分。本文將瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)M AS故障診斷定位于在監(jiān)控信息層實(shí)現(xiàn)。

礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息系統(tǒng)獲取生產(chǎn)和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并進(jìn)行存儲(chǔ)、歸檔和管理,經(jīng)過相應(yīng)的軟件計(jì)算、分析、優(yōu)化與診斷,直接應(yīng)用于運(yùn)行指導(dǎo)。與M IS相比,監(jiān)控信息與生產(chǎn)過程關(guān)系密切,要求其實(shí)時(shí)性高、通訊連續(xù)穩(wěn)定。由于監(jiān)控信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源復(fù)雜,因此具有海量實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)支持,且數(shù)據(jù)的獲取速度極快。因此,基于SIS數(shù)據(jù)平臺(tái)的信息系統(tǒng),是故障診斷系統(tǒng)的最佳方式。

1.2 故障診斷系統(tǒng)的運(yùn)行方式

故障診斷系統(tǒng)的運(yùn)行方式分在線和離線兩種。離線式的故障診斷系統(tǒng)的主要用途,是幫助快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障,指定更加合理有效的系統(tǒng)和設(shè)備維修方案,找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),最終提高系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效益。在線式的故障診斷系統(tǒng),用于連續(xù)地實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù),基于適當(dāng)?shù)脑诰€故障檢測(cè)與診斷算法,給出系統(tǒng)的故障信息,包括故障報(bào)警信息、故障位置信息和故障程度信息等。具體采用哪種形式的故障診斷系統(tǒng),一般可以從實(shí)際要求和現(xiàn)場(chǎng)客觀條件來考慮。在線的故障診斷系統(tǒng),可以達(dá)到理想的故障診斷效果,能實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),但是,這類系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)采集、通信接口等硬件設(shè)備,以及故障診斷算法的實(shí)時(shí)性要求較高。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,基于綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的信息層實(shí)現(xiàn)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷中,數(shù)據(jù)通道上的實(shí)時(shí)性完全可以得到保證,而故障診斷算法上的實(shí)時(shí)性是需要注意的問題。因?yàn)閷?duì)于瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng),瓦斯傳感器數(shù)量多、分布廣,算法必須保證在檢測(cè)的周期內(nèi)完成大量的運(yùn)算功能。從功能上講,及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)及設(shè)備存在的故障,并提醒技術(shù)人員和維修人員提前采取措施,比事后的故障分析更加具有實(shí)用價(jià)值。因此,瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng),應(yīng)設(shè)計(jì)為在線診斷模式,并應(yīng)具有遠(yuǎn)程診斷功能。

2 瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷總體構(gòu)成及應(yīng)用

目前,多數(shù)煤礦都已安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和M IS系統(tǒng),部分煤礦正在對(duì)M IS系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造,以實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng),構(gòu)造數(shù)字化礦山。這為礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障智能診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。現(xiàn)在應(yīng)用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),只能對(duì)斷線一類的簡(jiǎn)單故障進(jìn)行報(bào)警。雖然具備事故粗略的追憶功能,但不具備真正意義上的故障診斷能力。

2.1 MAS故障診斷的總體構(gòu)成及主要特點(diǎn)

瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障智能診斷多A gent系統(tǒng)(MAS)的總體構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

1)系統(tǒng)采用了分布式結(jié)構(gòu),將復(fù)雜的故障診斷推理任務(wù)都分解到不同的節(jié)點(diǎn),由子系統(tǒng)相互協(xié)作完成故障診斷任務(wù)。由于充分利用多 Agent系統(tǒng) (MAS)的并行性,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性,系統(tǒng)診斷能力得以提高。

2)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行通信,通信建立在 TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上,從而保證了系統(tǒng)的可移植性,系統(tǒng)規(guī)模增加變得更加容易。

3)系統(tǒng)有良好的可擴(kuò)充性和可重用性,采用了協(xié)作診斷的模式?？砂匆欢ㄒ?guī)則共享網(wǎng)上的診斷資源,從而有利于不斷提高系統(tǒng)的診斷能力以及診斷對(duì)象變化時(shí)系統(tǒng)的適應(yīng)性。通過增刪模塊,便于構(gòu)造出針對(duì)不同診斷對(duì)象的故障診斷系統(tǒng)。

4)系統(tǒng)采用了COM/DCOM以及智能Agent技術(shù),大大削弱了軟硬件環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的限制,使系統(tǒng)的通用性得以提高。

5)系統(tǒng)有良好的用戶界面。在 Window s XP平臺(tái)下使用 VisualC++6.0集成開發(fā)環(huán)境開發(fā),程序都采用圖形接口,功能明確,操作簡(jiǎn)便。

2.2 MAS故障診斷應(yīng)用分析

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的功能與效果,將瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)許多故障實(shí)例輸入專家系統(tǒng)。實(shí)例診斷證明,該故障診斷系統(tǒng)診斷結(jié)果與實(shí)際故障性質(zhì)完全一致,并能正確指導(dǎo)檢查維修工作。故障智能診斷系統(tǒng)的主界面,如圖2所示。示的某時(shí)段瓦斯傳感器 T1在第30個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)幅值變化率為0.014時(shí)的漂移故障時(shí),y′與 y的殘差信號(hào)的變化情況:

y′-y ≥0.14

因此,基于RBF網(wǎng)絡(luò)信息融合的瓦斯傳感器故障診斷法Agent1,判斷瓦斯傳感器 T1結(jié)論為:“瓦斯傳感器 T1有漂移故障,應(yīng)盡快更換,密切注意故障發(fā)展”。

表1 KJ90監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 故障智能診斷系統(tǒng)的主界面圖

以下是部分診斷實(shí)例:

某礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (KJ90)的瓦斯傳感器、風(fēng)速傳感器、二氧化碳傳感器、溫度傳感器的監(jiān)測(cè)值,如表1所示。

1)診斷開始,首先建立瓦斯監(jiān)測(cè)對(duì)象,并從相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中裝入診斷所需的信息 (例如瓦斯傳感器 T1、溫度傳感器值等);然后建立對(duì)Agent診斷類并調(diào)用類的成員Agent 1、Agent 2、Agent 3,進(jìn)行基于多Agent分析的診斷。

在這一步中,應(yīng)用程序先調(diào)用基于RBF網(wǎng)絡(luò)信息融合的瓦斯傳感器故障診斷法Agent1,判斷瓦斯傳感器 T1是否存在故障及嚴(yán)重程度,診斷顯

2)基于FTA的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障智能診斷法Agent 2中,暫時(shí)沒列瓦斯傳感器的故障樹,因此Agent 2不能診斷瓦斯傳感器的故障。

3)在基于 CBR的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷法Agent 3中,進(jìn)入診斷平臺(tái)的“案例推理”模塊,案例檢索匹配后診斷結(jié)果顯示出來。本次診斷顯示為系統(tǒng)發(fā)生瓦斯傳感器誤差故障。

4)綜合故障診斷結(jié)論及處理建議

故障性質(zhì):瓦斯傳感器漂移故障,此故障屬系統(tǒng)非致命性的故障。

故障部位:1117(1)回風(fēng)順槽101-T1瓦斯傳感器。

故障原因:井下環(huán)境潮濕、粉塵等所致。

故障處理建議:立即更換發(fā)生故障的瓦斯傳感器,安排內(nèi)部檢查。

故障診斷示意圖,如圖3所示。

查看其中的故障處理建議,系統(tǒng)給出結(jié)果見圖4。

圖3 故障智能診斷系統(tǒng)示意圖

圖4 故障智能診斷系統(tǒng)故障處理建議窗口圖

從多Agent故障診斷系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果來看,診斷系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的功能。決策融合后,即可給出最終診斷結(jié)論,并能給出相應(yīng)的維護(hù)處理建議、意見,整個(gè)過程可瞬間完成,體現(xiàn)了很強(qiáng)的智能化行為。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常后,即自動(dòng)進(jìn)行診斷,并立即給出結(jié)果和建議,其間不需要人工干預(yù)。另外,在軟件設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)維護(hù)處理建議部分對(duì)用戶開放,用戶可以把自己有效的維護(hù)處理措施加入進(jìn)去,使得系統(tǒng)更為完善。這在煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷中是首創(chuàng)的,體現(xiàn)了多Agent故障診斷的高效性。

3 結(jié)論

瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是包含大量傳感器和井下分站等設(shè)備的復(fù)雜系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷是一項(xiàng)難度很大的工作。本文給出了基于多Agent診斷結(jié)構(gòu)下的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)M AS故障診斷的實(shí)現(xiàn)方式和實(shí)現(xiàn)步驟,給出了故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架。

利用可視化編程工具開發(fā)了Window s平臺(tái)下的診斷MAS系統(tǒng)軟件,對(duì)該診斷系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,并在礦上進(jìn)行初步應(yīng)用?；贛AS瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷,能夠使用計(jì)算機(jī)來輔助工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)故障判斷并給出處理措施,對(duì)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。

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