基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的M型跨接管故障診斷方法研究

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(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067；2.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580； 3.玉門油田分公司機(jī)械廠，甘肅 酒泉 735200)

隨著全球油氣資源需求的持續(xù)增長，深海石油勘探開發(fā)受到越來越多的關(guān)注。水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為目前主流的深海油氣開發(fā)模式，其安全可靠性至關(guān)重要[1]。M型跨接管是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中大量使用的連接部件，負(fù)責(zé)在不同設(shè)備間傳遞生產(chǎn)液體[2]。由于海底活動(dòng)頻繁，加之高溫高壓的惡劣環(huán)境，跨接管容易發(fā)生失效[3]，對(duì)跨接管進(jìn)行故障診斷研究已經(jīng)成為海上油氣開發(fā)亟待解決的問題。

目前，對(duì)跨接管的研究多集中在仿真研究其失效機(jī)理，對(duì)試驗(yàn)以及故障診斷方法的研究很少。胡飚等人通過仿真對(duì)跨接管在不同水流速度下的振動(dòng)響應(yīng)做了定量研究[4]；余建星等人通過仿真對(duì)跨接管熱應(yīng)力的分布以及影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5]；馬增驥等人對(duì)端部相對(duì)位移載荷作用下跨接管的承載極限和失效形式進(jìn)行了研究[6]；賴文龍等人對(duì)跨接管在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究[7]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在表達(dá)和推理不確定性問題時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)[8]，在故障診斷領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，但缺少故障數(shù)據(jù)是制約其應(yīng)用的一個(gè)重要因素[9]。本文首先建立了M型跨接管故障診斷試驗(yàn)系統(tǒng)，研究如何獲取跨接管故障數(shù)據(jù)；然后，對(duì)仿真驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；最后基于試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)，開發(fā)出跨接管貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)。

1 深水跨接管狀態(tài)分析

故障發(fā)生前以及故障發(fā)生中通常都會(huì)產(chǎn)生一定的征兆——系統(tǒng)運(yùn)行中的參數(shù)變化。設(shè)備的故障診斷就是根據(jù)這些征兆進(jìn)行推理和分析，并準(zhǔn)確找出問題節(jié)點(diǎn)。準(zhǔn)確快速地監(jiān)測(cè)出系統(tǒng)數(shù)據(jù)中存在的異樣，分析出故障征兆，能有效避免設(shè)備或系統(tǒng)故障的發(fā)生和進(jìn)一步惡化，為提高設(shè)備的可靠性提供方法和依據(jù)。

深水跨接管固定在海底，承受著海底高溫高壓的惡劣環(huán)境，且由于海流的流動(dòng)以及地殼的活動(dòng)，會(huì)給跨接管造成設(shè)計(jì)之外的載荷，使其產(chǎn)生局部應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過材料的許用應(yīng)力后，跨接管就會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞而失效。為了對(duì)跨接管的故障進(jìn)行診斷，需要在跨接管上設(shè)置一些監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)值將作為判定故障發(fā)生的征兆。

M型跨接管及監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1所示?？缃庸苌瞎苍O(shè)置了23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括11個(gè)故障點(diǎn)(1—11)和12個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)(S1—S12)。故障點(diǎn)的數(shù)值作為故障發(fā)生的直接依據(jù)，其設(shè)置的位置十分重要。由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)可知，故障點(diǎn)的位置應(yīng)位于跨接管的各個(gè)直角彎處和直管的中點(diǎn)，因?yàn)檫@些點(diǎn)是跨接管上的危險(xiǎn)點(diǎn)。12個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在故障點(diǎn)的兩側(cè)，其監(jiān)測(cè)數(shù)值作為故障征兆用于分析推理。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置示意

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷流程

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的處理不確定性問題的能力，能夠模擬非線性映射，并且具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，適合于深水跨接管難以建立數(shù)學(xué)模型，診斷數(shù)據(jù)不足且實(shí)時(shí)性要求較高的特點(diǎn)。所有故障點(diǎn)狀態(tài)組成的集合稱為故障空間Ω，監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)組成的集合稱為征兆空間S。故障診斷就是從征兆空間S到故障空間Ω的非線性映射過程D：S→Ω。

根據(jù)跨接管力學(xué)知識(shí)，結(jié)合該領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)，建立跨接管貝葉斯故障診斷模型。通過試驗(yàn)和仿真采集跨接管各個(gè)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的參數(shù)學(xué)習(xí)。并利用與參數(shù)學(xué)習(xí)不同的數(shù)據(jù)模擬跨接管運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)建立的貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證。一旦出現(xiàn)異常，模型應(yīng)當(dāng)給出故障發(fā)生的位置，輔助工程人員進(jìn)行故障的維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)跨接管的狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷?；玖鞒倘鐖D2所示。

故障診斷過程主要包括2部分：①狀態(tài)檢測(cè)。采集跨接管的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，獲取跨接管的征兆參數(shù)；②故障診斷。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷模型中，給出故障診斷結(jié)果。

圖2 故障診斷基本流程

2.2 貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模

基于跨接管的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方案，擬建立如圖3所示的理論貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)模型。模型分為兩層結(jié)構(gòu)，上層為故障層，包含11個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)跨接管的11個(gè)故障點(diǎn)；下層為故障征兆層，包含12個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)跨接管的12個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.3 跨接管狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取

2.3.1試驗(yàn)獲取跨接管狀態(tài)數(shù)據(jù)

1) 試驗(yàn)設(shè)備。

M型跨接管故障診斷試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)包括M型跨接管實(shí)物模型、固定支座、加載裝置、靜態(tài)應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)。研究結(jié)果表明，沿跨接管長度方向的擠壓載荷，對(duì)于跨接管失效的影響最大[6]。因此，在右側(cè)支撐上端焊接一支撐片，在支撐片上開有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽的作用是限制跨接管沿長度方向的移動(dòng)。

圖3 跨接管貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

圖4 測(cè)試系統(tǒng)

加載裝置為螺紋絲杠機(jī)構(gòu)，絲杠前端通過連接轉(zhuǎn)換接頭和測(cè)力計(jì)最終連接到最前端的小爪上，如圖5所示。

海流對(duì)跨接管的作用力類似于壓力作用，小爪將絲杠產(chǎn)生的集中力轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?。絲杠和小爪之間是應(yīng)變式測(cè)力傳感器，通過傳感器可以實(shí)時(shí)獲取施加在跨接管上載荷的大小。

圖5 加載裝置

測(cè)量跨接管長度，并以此為根據(jù)將左右兩固定支座用膨脹螺栓固定在地面上。跨接管裝配在左右兩支座上，加載裝置通過絲杠螺母固定在右側(cè)支撐上，通過加載絲杠對(duì)跨接管施加載荷，模擬海床移動(dòng)對(duì)其造成的影響。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將跨接管左端裝入左側(cè)支撐加持套筒中，并用螺栓固定，可認(rèn)為此時(shí)跨接管左側(cè)為固定約束?？缃庸艿挠叶舜藭r(shí)剛好位于右端支撐片所開位移槽內(nèi)，通過加載機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行加載。

通過應(yīng)變片、應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)采集跨接管加載后的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。應(yīng)變儀型號(hào)為AFT-CML-32，主要用于結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度測(cè)量及材料任意點(diǎn)變形的應(yīng)力分析，配用相應(yīng)的傳感器，可以測(cè)量力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移等物理量。具體參數(shù)如表1。

表1 AFT-CML-32型應(yīng)變儀主要技術(shù)指標(biāo)

本試驗(yàn)采用的應(yīng)變片阻值為120 Ω，靈敏度為2.08×(1±0.05)。由于在試驗(yàn)加載條件下，跨接管上下表面應(yīng)力狀況存在差異，且單臂電橋的測(cè)量靈敏度已滿足要求，因此應(yīng)變片采用單臂電橋測(cè)量跨接管應(yīng)變數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)共需要測(cè)量24個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，因此需要24個(gè)應(yīng)變片。對(duì)試驗(yàn)中使用的所有應(yīng)變片的阻值進(jìn)行測(cè)量校核，確保阻值滿足要求。測(cè)量結(jié)果如表2。

表2 應(yīng)變片阻值測(cè)量數(shù)據(jù) Ω

2) 試驗(yàn)過程。

① 根據(jù)圖6跨接管模型的長度尺寸，將左右支撐底座固定在地面上。將跨接管安裝并固定在支撐底座上。

圖6 跨接管模型尺寸(mm)

② 打磨跨接管測(cè)點(diǎn)位置，用膠水將應(yīng)變片沿著主應(yīng)力方向黏貼在打磨過的測(cè)點(diǎn)上。使用導(dǎo)線將測(cè)試應(yīng)變片連接到應(yīng)變儀指定測(cè)試通道，將溫度補(bǔ)償片連接到補(bǔ)償通道。應(yīng)變片連接如圖7所示。

③ 利用RS485-USB數(shù)據(jù)線進(jìn)行應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)通信，測(cè)試通信是否通暢。

④ 上述工作完成后，利用試驗(yàn)裝置加載機(jī)構(gòu)對(duì)跨接管施加載荷開始試驗(yàn)。載荷的大小以小爪后面的測(cè)力計(jì)示數(shù)為準(zhǔn)，從300 N開始加載，受加載裝置的限制，加載最大到600 N。每次加載增加40 N。在每一載荷條件下，測(cè)量10次并記錄。

圖7 應(yīng)變片連接示意

2.3.2仿真獲取跨接管狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

按照?qǐng)D6所示模型尺寸建立跨接管三維模型，跨接管名義壁厚為14 mm，外徑84 mm，管壁材料為API5LX65管道鋼，其余參數(shù)如表3。

表3 M型跨接管材料參數(shù)

采用ANSYS 15.0作為有限元分析工具進(jìn)行分析和計(jì)算。后續(xù)參數(shù)學(xué)習(xí)以及統(tǒng)計(jì)推理需要大量數(shù)據(jù)，因此，采用ANSYS參數(shù)化編程語言APDL進(jìn)行二次開發(fā)，編寫合適的程序?？缃庸苡扇S建模軟件Solidworks建立其物理模型，隨后導(dǎo)入至ANSYS 15.0經(jīng)典版分析界面。采用SOLID186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為30。

海水的流動(dòng)以及海底地殼的活動(dòng)，會(huì)給固定在海底的油氣生產(chǎn)設(shè)備造成額外載荷，危及設(shè)備安全。海底活動(dòng)十分頻繁，其方向和大小具有隨機(jī)性。在有限元仿真時(shí)，用位移載荷F2施加在跨接管的一端，模擬海床活動(dòng)造成的影響，其大小用沿xyz坐標(biāo)軸的分量F2x、F2y、F2z表示，如圖8所示。

圖8 海床移動(dòng)有限元模型

將跨接管左端自由度全部約束，約束跨接管右端y和z方向的自由度，僅保留沿跨接管長度方向的x自由度。根據(jù)試驗(yàn)加載裝置的加載位置，在有限元模型相同位置進(jìn)行加載，如圖9所示。加載計(jì)算完成后，對(duì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的結(jié)果寫入文本文件中。測(cè)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4。

圖9 有限元加載示意

表4 測(cè)點(diǎn)仿真節(jié)點(diǎn)關(guān)系對(duì)照

2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證

加載載荷530 N時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖10所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為10次測(cè)量取平均值所得。由圖10可以看出，兩組數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上基本一致，且每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤差很小，在允許的范圍內(nèi)。因此，使用采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)一起訓(xùn)練貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行模型的診斷驗(yàn)證。

圖10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

2.4 貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)建模與數(shù)據(jù)預(yù)處理

M型跨接管實(shí)際貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)如圖11所示。該網(wǎng)絡(luò)為兩層結(jié)構(gòu)，上層為故障層，節(jié)點(diǎn)為F1～F11代表11個(gè)可能的故障點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)Present為該節(jié)點(diǎn)所代表的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)故障，值為1；Absent代表該節(jié)點(diǎn)代表的測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)故障，值為0。根據(jù)試驗(yàn)裝置的加載能力做如下設(shè)定，當(dāng)任意故障節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的應(yīng)力值超過25 MPa時(shí)，即判定該故障節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為Present，否則為Absent。下層為故障征兆節(jié)點(diǎn)，即S1至S12，其分布在上層11個(gè)故障節(jié)點(diǎn)的兩側(cè)。故障征兆層節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)的確定，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理獲得。

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括訓(xùn)練樣本選擇和節(jié)點(diǎn)區(qū)間劃分兩方面。訓(xùn)練樣本的確定應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持普遍化的原則，并保證樣本數(shù)量充足。在所有仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取10%的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)將不會(huì)出現(xiàn)在參數(shù)學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)之中。隨后將剩余90%的數(shù)據(jù)用作貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習(xí)。節(jié)點(diǎn)區(qū)間的劃分是指根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的特征，對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障征兆節(jié)點(diǎn)的區(qū)間進(jìn)行劃分，具體來講，就是依據(jù)樣本數(shù)據(jù)中不同的故障類型來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的過程。根據(jù)訓(xùn)練樣本，對(duì)征兆節(jié)點(diǎn)的區(qū)間劃分結(jié)果如表5所示。

2.5 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法的實(shí)現(xiàn)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理算法采用消元算法。以求解故障節(jié)點(diǎn)F1的后驗(yàn)概率為例說明。

圖11 跨接管故障診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

表5 故障征兆節(jié)點(diǎn)區(qū)間劃分

注：表中，sensor01～12即為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的S1～S12。

1) 確定消元順序?yàn)閧F2,F3…F11}。

2) 將傳感器采集數(shù)據(jù)作為一組證據(jù)E={E1,E2，…，E12}輸入網(wǎng)絡(luò)，得到集合為{P(F1),P(F2),…,P(F11),P(E1|F1,F7),P(E2|F1,F7,F2),…,P(E12|F11,F6)}。

3) 依照消元次序，第一個(gè)消去變量F2，找到求解集合中與F2相關(guān)函數(shù)消去F2，得到{P(F1),P(F3),…,P(F11),P(E1|F1,F7),P(E5|F8,F3),…,P(E12|F11,F6),ψ1(E2,E3,E4,F1,F7,F2,F8)}，其中ψ1(E2,E3,E4,F1,F7,F2,F8)=∑F2P(F2)P(E2|F1,F7,F2)P(E3|F7,F2)P(E4|F2,F8F3)。

4) 依次消除其余變量F3～F11，得到{P(F1),ψ10(F1)}

5) 計(jì)算h(F1)=P(F1)ψ10(F1)。

類似地，可以利用該算法查詢其余故障節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率。

2.6 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果分析

依次將表6所示的驗(yàn)證數(shù)據(jù)輸入圖11所示的M型跨接管貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)的故障征兆節(jié)點(diǎn)S1～S12中，模型將據(jù)此計(jì)算得出故障節(jié)點(diǎn)F1～F11的后驗(yàn)概率。根據(jù)圖3所示的故障判定條件可知，當(dāng)故障節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率與先驗(yàn)概率之差大于0.5，將會(huì)被認(rèn)定為發(fā)生故障[10]，差值大于0.3小于0.5的故障節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)其進(jìn)行故障預(yù)警，差值小于0.3的故障節(jié)點(diǎn)認(rèn)為故障沒有發(fā)生。

表6 傳感器監(jiān)測(cè)證據(jù)值

貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)模型的故障推理結(jié)果如下。測(cè)試案例1故障診斷結(jié)果如圖12所示，故障節(jié)點(diǎn)F3和F4故障發(fā)生的后驗(yàn)概率由6.24%上升至100%，其先驗(yàn)概率與后驗(yàn)概率的差值大于0.5，滿足貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障判定準(zhǔn)則的要求，因此貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果判定F3和F4發(fā)生故障。

圖12 測(cè)試案例1故障診斷結(jié)果

測(cè)試案例2故障診斷結(jié)果如圖13所示，故障節(jié)點(diǎn)F1、F2、F5和F6故障發(fā)生的后驗(yàn)概率由5.96%上升至77.5%，故障節(jié)點(diǎn)F3和F4故障發(fā)生的后驗(yàn)概率由6.24%上升至77.5%，這些故障節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率與后驗(yàn)概率的差值大于0.5，滿足貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障判定準(zhǔn)則的要求，因此貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果判定F1至F6發(fā)生故障。

圖13 測(cè)試案例2故障診斷結(jié)果

對(duì)貝葉斯故障診斷模型故障診斷結(jié)果和實(shí)際故障結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，如表7所示。期望值即對(duì)應(yīng)3組證據(jù)的實(shí)際故障情況，推理值即所建立網(wǎng)絡(luò)利用證據(jù)進(jìn)行推理得出的結(jié)果。在第1組證據(jù)狀態(tài)下，實(shí)際故障為F3和F4同時(shí)發(fā)生的二并發(fā)故障，模型根據(jù)輸入證據(jù)推理的結(jié)果也是F3和F4節(jié)點(diǎn)；在第2組證據(jù)狀態(tài)下，實(shí)際故障為F1至F6同時(shí)發(fā)生的六并發(fā)故障，模型根據(jù)輸入證據(jù)推理的結(jié)果同樣也是F1至F6節(jié)點(diǎn)；在第3組證據(jù)狀態(tài)下，實(shí)際沒有故障發(fā)生，模型的推理結(jié)果也顯示沒有節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障。可以看到貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)模型的推理結(jié)果與實(shí)際故障結(jié)果相符，診斷精度達(dá)到要求。

3 結(jié)論

1) 本文基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了跨接管貝葉斯故障診斷的方法研究，解決了缺少運(yùn)行數(shù)據(jù)難以建立精確的故障診斷模型的問題。提出了采用一端固定約束，另外一端施加壓力載荷的方案，模擬海床移動(dòng)對(duì)跨接管造成的影響，并設(shè)計(jì)裝置完成了這一方案，獲取了跨接管狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表7 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果

2) 利用有限元仿真模擬了跨接管試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了跨接管仿真故障數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證校核。

3) 基于試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)建立并訓(xùn)練跨接管貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)，該模型對(duì)跨接管二并發(fā)故障的診斷正確率為100%，對(duì)六并發(fā)故障診斷的正確率為100%。該研究對(duì)于跨接管的實(shí)時(shí)故障診斷有一定的意義。