中壓環(huán)保型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷技術(shù)研究

作者 / 王金躍¹ 陸海強(qiáng)¹ 錢進(jìn)¹ 包偉峰¹ 汪興旺² 楊健標(biāo)²

　　1.嘉興市恒創(chuàng)電力設(shè)備有限公司(浙江 嘉興 314001) 2.浙江聚弘凱電氣有限公司(浙江 臨安 311300)

　　*基金項(xiàng)目：嘉興市科學(xué)技術(shù)局重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目: 中壓環(huán)保型設(shè)備的設(shè)計(jì)、開發(fā)與制造(編號：2016BY18061)

　　王金躍(1977-)男，碩士，研究方向：電氣成套設(shè)備，環(huán)保新能源設(shè)備，新能源與電動(dòng)汽車充電設(shè)施開發(fā)等。

摘要：為提高環(huán)保工程中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷能力，針對環(huán)保工程中壓環(huán)保型設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測方式與控制策略單一的問題，本文首先分析當(dāng)前工業(yè)過程分布式故障診斷方式與方法，研究多智能體體系與結(jié)構(gòu)，建立基于多智能體的環(huán)保工程中壓環(huán)保型設(shè)備分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷體系結(jié)構(gòu)，分析分布式故障診斷體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、框架以及策略;并在此基礎(chǔ)上，基于遺傳算法建立分布式故障診斷體系結(jié)構(gòu)的通信模型，探索分布式故障診斷協(xié)同優(yōu)化機(jī)理;最后研究建立多智能體的分布式故障診斷運(yùn)行機(jī)制，為判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況、分析設(shè)備的故障原因、提供科學(xué)檢修的依據(jù)、降低設(shè)備維修和維護(hù)成本、提供決策信息與保證生產(chǎn)安全提供參考，擴(kuò)展環(huán)保工程分布式故障診斷理論的發(fā)展和應(yīng)用。

引言

　　針對電力工程中壓環(huán)保型設(shè)備的故障診斷方式與控制策略單一的問題，本文首先分析當(dāng)前電力工程中壓環(huán)保型設(shè)備故障診斷方式與方法，通過電力工程中壓環(huán)保型設(shè)備故障診斷內(nèi)在機(jī)理分析，在系統(tǒng)闡述智能體特性、結(jié)構(gòu)、功能基礎(chǔ)上，研究多智能體體系與結(jié)構(gòu)，建立基于多智能體的電力工程中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷體系結(jié)構(gòu)，分析分布式故障診斷體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、框架以及策略，并在此基礎(chǔ)上基于遺傳算法建立分布式故障診斷體系結(jié)構(gòu)的通信模型，探索分布式故障診斷協(xié)同優(yōu)化機(jī)理;最后建立多智能體的分布式故障診斷運(yùn)行機(jī)制，研究基于多智能體的電力工程中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷應(yīng)用，為判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況、分析設(shè)備的故障原因、提供科學(xué)檢修的依據(jù)、降低設(shè)備維修和維護(hù)成本、提供決策信息與保證生產(chǎn)安全，提供保障支持，提高工業(yè)過程控制能力，為分布式狀態(tài)采集與分析，以及智能判斷評估提供參考，擴(kuò)展環(huán)保工程分布式故障診斷理論的發(fā)展和應(yīng)用。

1 中壓環(huán)保型設(shè)備分布式遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測體系

1.1 分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測

　　分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測由分散過程監(jiān)控單元、集中管理單元、通信單元構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中，分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測的構(gòu)成方式比較靈活多變，通過采用管理計(jì)算機(jī)模塊，也可通過通用工業(yè)服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器建實(shí)時(shí)現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并采用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到管理監(jiān)控級的計(jì)算機(jī)里面^[6-8]。

　　分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由組織管理層、任務(wù)控制層和底層設(shè)備層構(gòu)成。分布式現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織管理層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的收集、存儲(chǔ)、分發(fā)和總結(jié)，最終具備整體調(diào)度和優(yōu)化控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)連接，為分布式中壓環(huán)保型設(shè)備質(zhì)量管理、資源管理進(jìn)行連接。管理計(jì)算機(jī)作為分布式中壓環(huán)保型設(shè)備的控制器構(gòu)成了分布式中壓環(huán)保型設(shè)備的任務(wù)控制層，通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)提供組織管理層所需要的產(chǎn)品信息，同時(shí)通過控制方式和機(jī)制控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式中壓環(huán)保型設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行。底層設(shè)備層則由不同的生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)合組成。分布式中壓環(huán)保型設(shè)備的各子模塊具有獨(dú)立特性與協(xié)同特性。分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　中央集中管理單元和車間操作單元想要聯(lián)系與配合，全部控制任務(wù)由組織管理層通知給任務(wù)控制層和底層設(shè)備層。如果出現(xiàn)異常，分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可能出現(xiàn)局部或者全部故障信息。

1.2 基于多智能體的分布式控制

　　智能體理論是分布式領(lǐng)域與人工智能研究領(lǐng)域的重要研究問題之一，己被認(rèn)為是設(shè)計(jì)和構(gòu)建分布式工程以及智能應(yīng)用的新一代發(fā)展方向。智能體定義是一種特定狀態(tài)，能夠獲取外界環(huán)境，同時(shí)可以利用自身功能與機(jī)理對獲取信息進(jìn)行加工與處理，完成既定任務(wù)的軟件或者硬件實(shí)體。智能體集成不同的方法以及封裝不同的機(jī)能，可以利用協(xié)作方式與其他智能體進(jìn)行信息場地與通訊，通過相互之間協(xié)作可以完成綜合目標(biāo)，優(yōu)勢互補(bǔ)，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)既定的任務(wù)^[9-11]。多智能體系統(tǒng)是基于多個(gè)智能體相互協(xié)作來完成預(yù)設(shè)的任務(wù)的體系結(jié)構(gòu)。針對不同的研究問題提出了不同的智能體的定義與模型，其中主要流行與認(rèn)可的是wooldridge等人提出的智能體的弱性描述和強(qiáng)性描述方法。

　　分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測的信息共享采用基于OPC接口標(biāo)準(zhǔn)的通信方式，避免不同控制系統(tǒng)的差異性和兼容性，提升了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力和兼容能力。分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測協(xié)同機(jī)制，不僅方便控制系統(tǒng)的實(shí)施，并且為智能體提供了封裝模式與方法，有效將現(xiàn)有的軟硬件模塊打包成某一個(gè)智能體結(jié)構(gòu)。通過智能體結(jié)構(gòu)間協(xié)同完成預(yù)設(shè)任務(wù)?；诙嘀悄荏w結(jié)構(gòu)的分布自治思想、分層優(yōu)化模式和協(xié)同工作機(jī)理，建立一種基于多智能體結(jié)構(gòu)的分布式中壓環(huán)保型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　多智能體系統(tǒng)是由若干個(gè)智能體組合而成的松散耦合的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。這些智能體能夠感知環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)中其他智能體交互信息。通過對自身信息的更新和與其他智能體間的競爭與合作來完成對實(shí)際復(fù)雜問題的求解，體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能性。

　　基于多智能體結(jié)構(gòu)的中壓環(huán)保型設(shè)備分布式遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與診斷體系包括以下智能體：產(chǎn)品管理智能體、資源調(diào)度智能體、現(xiàn)場管理智能體、過程故障診斷智能體，人機(jī)接口智能體和過程管理智能體，各智能體的基本功能和結(jié)構(gòu)如下：

　　(1)信息采集與傳送智能體

　　信息采集與傳送智能體是實(shí)現(xiàn)全局產(chǎn)品管理，實(shí)現(xiàn)對企業(yè)產(chǎn)品管理與控制，不同智能體的協(xié)同與管理，中壓環(huán)保型設(shè)備制的優(yōu)化運(yùn)行，管理各智能體的信息發(fā)布與權(quán)限管理;為資源計(jì)劃接口智能體獲取產(chǎn)品管理信息，達(dá)到智能體的信息共享;實(shí)現(xiàn)與資源調(diào)度智能體協(xié)同管理，具備產(chǎn)品過程信息監(jiān)督功能，對系統(tǒng)管理智能體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，具備產(chǎn)品過程信息宏觀監(jiān)督功能;與系統(tǒng)管理智能體傳遞運(yùn)行信息，具備設(shè)備過程信息監(jiān)控功能;與其他智能體的通訊等功能。

　　(2)人機(jī)接口智能體

　　人機(jī)接口智能體主要實(shí)現(xiàn)信息采集以及與傳送智能體信息共享，獲取設(shè)備運(yùn)行據(jù)息，分析運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與診斷，與企業(yè)已有的資源計(jì)劃系統(tǒng)或者產(chǎn)品控制系統(tǒng)的信息交互對接，為用戶瀏覽資源計(jì)劃接口智能體獲得的執(zhí)行任務(wù)通過接口。人機(jī)接口智能體完成用戶與控制系統(tǒng)的通訊與對接，形成多智能體架構(gòu)的通信機(jī)理與運(yùn)行模式。

　　(3)系統(tǒng)管理智能體

　　系統(tǒng)管理智能體是信息采集與傳送智能體和人機(jī)接口智能體的中介，主要負(fù)責(zé)協(xié)同與協(xié)調(diào)現(xiàn)場管理智能體功能。系統(tǒng)管理智能體實(shí)現(xiàn)與采集與傳送智能體信息共享息，接受靜態(tài)任務(wù)和宏觀任務(wù)，資源調(diào)度智能體的歸屬現(xiàn)場管理智能體實(shí)現(xiàn)管理與協(xié)調(diào)，完成產(chǎn)品管理智能體預(yù)設(shè)的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的監(jiān)控，并配備相應(yīng)的制造資源，具體由現(xiàn)場管理智能體完成。同時(shí)資源調(diào)度智能體從現(xiàn)場管理智能體獲得中壓環(huán)保型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息并傳送給其他智能體，對預(yù)設(shè)任務(wù)的完成狀態(tài)和中壓環(huán)保型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并發(fā)布給系統(tǒng)管理智能體，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)任務(wù)的評判、優(yōu)化，如圖3所示。

　　(4)過程監(jiān)測診斷智能體

　　過程故障診斷智能體由協(xié)作智能體完成將通訊信息傳遞給其它平行結(jié)構(gòu)中的其他智能體，再傳遞給目標(biāo)智能體。多智能體體系框架內(nèi)的智能體根據(jù)某一種方法，例如就近原則、單元原則等，形成不同的智能體水平結(jié)構(gòu)，每個(gè)水平結(jié)構(gòu)同時(shí)包含由多個(gè)智能體。多個(gè)智能體相互協(xié)作，合理分配任務(wù)，可以有效獲取工業(yè)過程的故障信息，同時(shí)按照既定目標(biāo)，可以完成綜合設(shè)定的目標(biāo)。

　　過程故障診斷智能體實(shí)現(xiàn)對中壓環(huán)保型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，不僅實(shí)現(xiàn)智能體件信息共享，同時(shí)完成任務(wù)的分解，對分解預(yù)設(shè)任務(wù)進(jìn)行控制與運(yùn)作，具備產(chǎn)品信息的快速獲取、分析和存儲(chǔ)，故障模式分析、故障溯源等。過程故障診斷智能體可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品信息狀態(tài)評測和判斷，并對早起異常信息做出預(yù)警預(yù)測，現(xiàn)場管理智能體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　多智能體系統(tǒng)內(nèi)部智能體間進(jìn)行通信，完成求解問題，也是能夠形成推斷和決策動(dòng)作功能的具有智能思維與智能任務(wù)的實(shí)體，其具有自治性、反應(yīng)性、主動(dòng)性、社會(huì)性、進(jìn)化性五個(gè)基本特征。