天然氣壓縮機故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫家蘭

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

中國的一次能源以煤為主，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及當(dāng)前日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力，人們對清潔能源的需求愈來愈髙，而天然氣作為一種清潔能源，較好地解決了煤炭在使用過程中的污染問題，天然氣的需求與應(yīng)用成為一種能源利用趨勢。

很多天然氣壓縮機在小故障預(yù)警后，由于現(xiàn)場人員的經(jīng)驗不足，不能及時進行排除，錯過了設(shè)備搶修的第一時間，導(dǎo)致了更嚴(yán)重的后果[3,8]。因此，研發(fā)一套具備現(xiàn)場處理設(shè)備故障能力的天然氣壓縮機預(yù)警維護系統(tǒng)十分重要。

該文提出了一種基于Android 平臺的系統(tǒng)，當(dāng)故障預(yù)警出現(xiàn)時能夠自動、快速、準(zhǔn)確地對故障原因進行分析診斷，為現(xiàn)場巡視人員第一時間處理異常提供參考[1]。

1 基本思路

如圖1 所示，設(shè)計基本思路是利用CBR 和RBR 技術(shù)，基于Android 平臺結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信機制，實現(xiàn)便攜式壓縮機的故障預(yù)警、分析和展示[6]。其主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)端系統(tǒng)、存儲分析服務(wù)器和Android 移動端4 個部分組成。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)負責(zé)連接各類傳感器，將傳感器獲取的壓縮機的運行數(shù)據(jù)集成到采集系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)端分析系統(tǒng)，并存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

1.2 應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)端系統(tǒng)

該系統(tǒng)負責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進行分析計算，例如在壓縮機監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常時，及時給出預(yù)警，并利用基于案例推理和規(guī)則推理相結(jié)合的診斷機制，分析故障原因，提出維修處理建議[7]。

1.3 存儲分析服務(wù)器

該服務(wù)器在存儲采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)的同時，也會存儲設(shè)備的基本信息以及診斷模塊的業(yè)務(wù)模型數(shù)據(jù)。

1.4 Android移動端

移動端主要供設(shè)備維護巡檢人員使用，核心是提供便攜式數(shù)據(jù)展示和分析服務(wù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

天然氣壓縮機預(yù)警維護系統(tǒng)在架構(gòu)上分為移動層、服務(wù)層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層5 個層次。如圖2 所示。

移動層指Android 平臺上的App，由于移動端硬件條件的限制，其不能進行大規(guī)模的運算和存儲，因此移動層只具備監(jiān)控展示和故障預(yù)警功能，核心運算放在服務(wù)層、移動層與服務(wù)層，采用JSON 格式傳輸數(shù)據(jù)[9-10]。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

服務(wù)層是運行在應(yīng)用服務(wù)器上的各個服務(wù)端，處理來自終端的請求，并將處理結(jié)果返回給移動層。服務(wù)層采用RESTful 架構(gòu)，對外提供各功能URL 資源，移動層只需要通過HTTP 協(xié)議訪問對應(yīng)的URL 資源，即可獲得返回JSON 格式的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

支撐層可理解為抽取的公共模型或算法，例如CBR 和RBR 策略已被很多領(lǐng)域應(yīng)用，形成了算法支持。

數(shù)據(jù)層描述整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，該系統(tǒng)主要涉及2 個方面的數(shù)據(jù)來源，傳感器采集的實時數(shù)據(jù)和預(yù)警維護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)層表示了整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲等硬件支持。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 Android動態(tài)監(jiān)控曲線繪制

移動端可以實時監(jiān)控壓縮機的各種參數(shù)，主要以曲線和表格方式展示，表格方式能夠利用Android 平臺的Edit Text控件很方便的實現(xiàn)，相較而言曲線顯示更具連續(xù)性，對于分析結(jié)果的展示也更加直觀。

下文以活塞桿的沉降曲線為例，講述基于AChartEngine開源工具的曲線繪制過程。AChartEngine 是Android 平臺的圖表開發(fā)庫，能繪制折線圖、餅圖、氣泡圖、柱狀圖、散點圖以及面積圖等統(tǒng)計圖表。AChartEngine 的每個圖表都需要一個數(shù)據(jù)集（DataSet）和渲染器集合（Renderer）。

圖表工廠（ChartFactory）通過調(diào)用數(shù)據(jù)集（DataSet）和渲染器集合（Renderer）可以生成帶圖表的GraphicalView 或者Graphical Activity?；钊麠U采集數(shù)據(jù)抽象為對象Rod，代碼如下：

public class Rod(){

private angle;

private swing;

};

angle 表示角度，取值范圍為0～360；swing 代表振幅值，取值范圍為-15～5。在程序中，首先初始化曲線，包括創(chuàng)建坐標(biāo)軸的初始化和數(shù)據(jù)集，調(diào)用series.add(r.getAngel(),r.getSwing() )方法將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)映射為坐標(biāo)數(shù)據(jù)。然后在Timer中定時updateChart() 曲線，實現(xiàn)曲線動態(tài)顯示。updateChart代碼如下：

3.2 BLE藍牙通信

該文采用BLE 及低功耗藍牙技術(shù)，通過獲取藍牙設(shè)備的MAC 地址（MAC 是唯一的），可以獲取數(shù)據(jù)庫中的配置信息及歷史數(shù)據(jù)，同時也可通過Service 實時采集數(shù)據(jù)，屏蔽了從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)延遲。藍牙讀取流程，如圖3 所示。

圖3 BLE 工作流程圖

藍牙設(shè)備掃描，調(diào)用startLeScan()方法開始掃描，由于手持設(shè)備資源有限，不能長時間掃描周邊設(shè)備，所以利用定時器，達到一定時間調(diào)用stopLenScan()方法強制關(guān)閉掃描程序。

3.3 CBR和RBR集成故障診斷推理模型

案例檢索（CBR）具有直觀、高效的優(yōu)點，但是案例庫的豐富程度決定了案例匹配的成功率，在系統(tǒng)初期建立完備的案例庫費時費力。引入規(guī)則推理機制（RBR），在案例匹配失敗的情況下利用規(guī)則推理，推導(dǎo)出故障原因，并進行維修指導(dǎo)，經(jīng)過人工確認無誤后，保存入案例庫，使系統(tǒng)具備自主學(xué)習(xí)的功能，逐漸豐富完善案例庫。CBR 與RBR 集成診斷流程如圖4 所示。

案例匹配采用最鄰近算法進行相似度計算。相似度計算分為局部相似度和全局相似度2 個部分。局部相似度就是故障特征項的相似值，全局相似度為各特征項之間的加權(quán)平均值。

局部相似度計算公式：

全局相似度計算公式：

規(guī)則推理工作主要分為規(guī)則提取、規(guī)則庫建立和代碼實現(xiàn)3 步。規(guī)則提取可以利用SWRL 語言完成，這是一種由語義的方式呈現(xiàn)規(guī)則的語言，由RuleML 演變而來，在結(jié)合OWL與本體論形成[11]。整理后的SWRL 規(guī)則需放入JESS 推理引擎中進行推理。JESS 是目前流行的規(guī)則系統(tǒng)，由Java 語言開發(fā)，可以與Android 系統(tǒng)結(jié)合。

圖4 診斷推理流程圖

4 結(jié)論

該文設(shè)計并實現(xiàn)了一種天然氣壓縮機預(yù)警維護系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、存儲分析系統(tǒng)和Android智能手機監(jiān)測系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集壓縮機的信息，利用BLE技術(shù)傳送到Android 智能手機終端，同時利用局域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱鎯Ψ治鱿到y(tǒng)。存儲分析系統(tǒng)對信息進行存儲、處理和分析，實現(xiàn)對壓縮機狀態(tài)的分析。Android 智能手機系統(tǒng)通過與BLE 和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信，實現(xiàn)實時監(jiān)測，提高了對壓縮機狀態(tài)監(jiān)測的靈活性和方便性[2，4，5]。

通過實驗測試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)正常，參數(shù)采集完整，故障預(yù)警較準(zhǔn)確，維修建議正確，較好地實現(xiàn)了對天然氣壓縮機狀態(tài)的實時監(jiān)測與運行狀態(tài)的分析，證明了該系統(tǒng)的有效性和實用性。