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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
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背景介绍与系统构成
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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。
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复杂工业系统
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）
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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
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ERP
EnterpriseResourcePlanning
PCS
ProcessControlSystem
MES
ManufacturingExecutionSystem
企业信息化系统三层结构
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监控系统定位
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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
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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
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监控系统组成结构
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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
数据预处理
数据采集
传感器
特征提取
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时间序列图
统计分析
控制图
标称概率图
监控分析方法
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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,PL
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