（机械电子工程专业论文）基于故障诊断网络的数据管理.pdf

基于故障诊断网格的数据管理 摘要 网格技术是是当今分布式计算研究领域的热点学科，它把整个因特网整合 成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源。信息资源、 知识资源、专家资源的全面共享。随着网格技术的发展和成熟，其在科学和计 算领域应用的日益深入以及相关研究的逐步成熟，网格应用已经扩展到科学研 究、商业和工业等领域的方方面面。由于网格技术提供的支持与远程协同故障 诊断系统的需求之间存在着极强的温和特性，将网格技术作为故障诊断的关键 核心使能技术，构建故障诊断网格系统，能够很好的解决诊断资源的孤岛问题， 实现故障诊断资源的共享和协同，具有重要的理论价值和现实意义。本论文主 要研究了故障诊断网格系统的数据管理技术。有效地实现故障诊断网格数据的 共享、传输与管理，在基于远程协同故障诊断系统的现有研究之上，对网格环 境下的远程协同故障诊断系统的体系结构、故障诊断数据管理的关键技术、故 障诊断网格副本策略算法的等技术进行深入研究。 故障诊断的数据的复杂性和网格系统的融合性。将网格技术与故障诊断系 统相结合，运用网格对数据管理的优势解决故障诊断系统对数据管理的要求。 在研究了网格环境下的远程协同故障诊断系统体系结构上，指出故障诊断的数 据是故障诊断网格系统中最重要的元素之一，因此故障诊断网格数据管理研究 是系统的最关键核心内容之一。 建立故障诊断网格数据管理的副本策略模型是对数据副本进行检索与优化 的前提。本文研究了故障诊断网格环境中故障诊断数据的特点并对其进行分类， 分析了故障诊断网格数据管理的关键技术，建立适合故障诊断系统的数据管理 模型和数据副本模型，再通过引入数学模型和蚁群算法，建立了基于目标函数 的最优副本定位策略的故障诊断网格系统的数据管理，最后利用网格仿真工具 o p t o r s i m ，进行仿真实验，给出在数据利用、数据处理、数据传输上都较优的数 据管理方式。 关键字：网格；故障诊断；数据管理；副本创建 d a t am a n a g e m e n tb a s e do nf a u l td i a g n o s i sg r i d a b s t r a c t t h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r i dr e s o u r c e sa r es h a r e da n dc o l l a b o r a t i o n w i t hg r i dc o m p u t i n gi ns c i e n c ea n da p p l i c a t i o n sa sw e l la st h er e l a t e dr e s e a r c hi s i n c r e a s i n g l yd e e p e n i n gg r a d u a l l ym a t u r e ，g r i d h a sb e e ne x t e n d e dt os c i e n t i f i c r e s e a r c h ，d e l i b e r a t i o n sa n di n d u s t r i a la s p e c t so ft h ef i e l d b e c a u s e o fg r i d t e c h n o l o g yt op r o v i d et h es u p p o r ta n dn e t w o r k b a s e df a u l td i a g n o s i ss y s t e me x i s t s b e t w e e nt h ed e m a n df o re x t r e m e l ym o d e s tp r o p e r t i e s ，g r i dt e c h n o l o g ya saf a u l t d i a g n o s i sw i l lb ek e yt ot h ec o r ee n a b l i n gt e c h n o l o g yt ob u i l ds u p p o r tf o rr e m o t e c o l l a b o r a t i v eg r i df a u l td i a g n o s i ss y s t e mw i t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rd a t a m a n a g e m e n tt e c h n i q u e s e f f e c t i v e l yi no r d e rt oa c h i e v ef a u l td i a g n o s i so fg r i da n d m a n a g e m e n to fs h a r e dd a t a si ng r i d b a s e dr e m o t e c o l l a b o r a t i v ef a u l td i a g n o s i s s y s t e mb a s e do ne x i s t i n gr e s e a r c ho ng r i d r e m o t ec o l l a b o r a t i v ef a u l td i a g n o s i s s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，f a u l td i a g n o s i so fd a t am a n a g e m e n t ，f a u l td i a g n o s i sa n df a u l t d i a g n o s i sd a t at r a n s a c t i o nd a t as c h e d u l i n gs t r a t e g ya n dc r e a t eaf i l er e p l i c a t i o no f d a t a ，s u c ha st e c h n o l o g ys t a r t - d e p t hs t u d y t h ec o m p l e x i t yo ff a u l td i a g n o s i sd a t am a n a g e m e n ta n dt h eg r i ds y s t e ms e ta r e q u e s to fi t a r c h i t e c t u r e a f t e rs t u d y i n gt h eg r i dr e m o t ec o l l a b o r a t i v ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e ma r c h i t e c t u r eo nt h a tf a u l td i a g n o s i so fg r i ds y s t e md a t a sa r et h e m o s ti m p o r t a n te l e m e n t ，a n ds t u d yo ff a u l td i a g n o s i sd a t am a n a g e m e n ta r et h em o s t c r i t i c a lo n eo ft h ec o r ee l e m e n t s s e tu paf i l e r e p l i c a t i o no fm o d e lo ff a u l td i a g n o s i s i st h ep r e m i s eo ff i l e r e p l i c a t i o nr e t r i e v a la n do p t i m a ls c h e d u l i n g t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff a u l td i a g n o s i sd a t a sa n dc l a s s i f i c a t i o ni ng r i de n v i r o n m e n t ，i ts t u d yt e c h i n q u e a b o u tt h a tf a u l td i a g n o s i so fg r i dt h ek e yi nd a t am a n a g e m e n t ，t h r o u g ht h e i n t r o d u c t i o no fm a t h e m a t i c sm o d e l ，a n ds e tu pao b j e c t i v ef u n c t i o nm a t h e m a t i c s m o d e lo ff a u l td i a g n os i sd a t am a n a g e m e n tb a s e do nt h eo p t i m a lp o s i t i n gs t r a t e g y f o rc r e a t eaf i l er e p l i c a t i o n ，a n dg i v et h et r a n s a c t i o nf l o wo ff a u l td i a g n o s i s d a t a s t h es i m u l a t i o nt e s tu s et h eo p t o r s i ms i m u l a t i o n t h er e s u l t ss i m l a t e dw i t h o p t o r s i ms h o w e dt h em e t h o dc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n e eo ft h ew h o l es y s t e m k e y w o r d s ：g r i d ；f a u l td i a g n o s i s ；d a t am a n a g e m e n t ；c r e a t eaf i l er e p l i c a t i o n 图表清单 图2 。l 设备故障诊断的主要环节1 1 图2 2 设备故障诊断数据的实施过程一1 2 图2 3 人工管理的诊断数据和数据的关系1 4 图2 4 文件系统的诊断数据和数据的关系1 5 图2 5 数据库系统的诊断数据和数据的关系1 6 图3 1 数据库系统的诊断数据和数据的关系2 2 图3 2 欧洲数据网格的数据管理结构图2 4 图3 3 美国数据网格的数据管理结构2 4 图3 4 故障诊断网格数据管理模型2 5 图3 5 元数据管理模型2 6 图3 6 故障诊断网格系统结构中远程数据库访问情况2 7 图3 7g r i d f t p 数据传输仿真实验2 9 图3 8g r i d f t p 与i p e r t 数据传输中的占用带宽比较2 9 图4 1 故障诊断网格副本管理3 3 图4 2 网络拓扑结构3 8 图4 3 节点配置文件数据3 8 图4 4g u i 图形化处理过程3 9 图4 5 部分背景带宽数据文件3 9 图4 。6 三种算法比较4 0 表3 1 传统远程故障诊断技术与故障诊断网格设备故障诊断的区别2 2 表3 2 传统的分布环境下故障诊断数据管理和故障诊断网格数据管理系统的 l 茎别2 3 独创性声明 本人声明所鼍交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究上作及敬得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和i 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥8 垦i ：些盔堂 或其他教育机构的学付或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明= 诈表示谢意。 学位论丈作者签名：孔两 签字日期：为f o 年牮月fj ff j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁：e 些厶堂有关保留、使刷学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部| _ j 或机构送交论文的复印? t - 承1 磁盘，允许论文被奁阅和借阅。本人授 权金壁：l 些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩f = f ：j 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：如确 签字日期：a e l o 年铲月，g 目 学位论文作者毕业后去向： 一【：作单位： 通讯地址： 导师签名： 掘遭 签字日期：o 。f o 年垆月，日 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，岁月如梭，三年攻读硕士学位的时间弹指而过。三年来导师张 建军教授和张利教授在我的学习、工作和生活上都给予了我无尽的关怀和照顾。 导师严谨的治学态度、忘我的工作作风、丝不苟的求实精神、清廉节俭的生 活作风给予了我人生深刻的教诲。导师惜时如金，但在指导学生时却从不吝分 惜秒，以那博大的胸怀、高尚的品格、渊博的学识、高瞻远瞩和富于创造的思 维方式培育学生做人和成才。 本论文的选题、研究方法和具体内容的确定中，均得到了二位张老师的悉 心指导，论文的字里行间饱含了导师的心血和汗水。在此成文之际，谨向辛勤 培育我的恩师致以我最崇高的敬意和衷心的感谢! 衷心感谢实验室徐娟博士，以及和我共同奋斗将近三年的同学：赵拂晓、 冯静、孙维乙、陈旭晖、程龙、穆海芳、金未平、潘承毅，他们真诚友善，在 我需要帮助的时候都无私的伸出了友谊之手，与他们一同工作和学习使我开阔 思路、拓宽眼界，与他们的交流使我受益匪浅。在此向他们表示衷心的感谢， 和他们愉快的相处和合作令我终身难忘。 感谢实验室的全体同学，他们工作成果、经验为我的课题研究打下了扎实 的基础，实验室里团结、友好、向上的气氛给我提供了良好的学习环境，使我 能够不断地提高自己。再次感谢身边的所有老师和同学们! 我要特别感谢我的父母，我的朋友和其他关心我的家人朋友给予我的支持 与无私奉献，没有他们的支持和鼓励，也就没有我今天所取得的成绩。衷心感 谢他们对我一如既往的关爱、支持，希望此文能够给他们送上一份欣慰。我还 要衷心的感谢合肥工业大学传授我知识的老i ) 币4 a j ，机械与汽车工程学院的领导 和老师，以及其他帮助和支持过我的朋友们! 最后，向百忙之中评阅拙文的各位专家、教授致以衷心的感谢，并诚挚地 希望各位专家、教授给予批评指正! 再次向所有教导我、关心我、帮助我、鼓励我的老师、亲人和朋友致以深 深的谢意! 作者：孔丽 2 010 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 我们正处于一个科技飞速发展的时代，机械制造业也取得了很大的发展和 进步，现代设备从设计、制造到管理过程中都采用了大量的计算机技术和自动 化技术。因此机械设备已向大型化、自动化、柔性化、集成化、智能化和精密 化的方向发展，设备的功能越来越多、越来越强大，结构也越来越复杂。设备 结构的复杂加之其长期运行在高速、高温、重载等恶劣环境下，旦关键设备 发生故障，不仅会使设备受到损坏，而且产品质量也将下降或者引起生产线的 停工，造成巨大的经济损失，更有甚者可能危及职工的安全，引发环境污染， 带来严重的社会问题。因此，对现代设备的监测与故障诊断技术的研究对现代 化工业发展具有重要的意义。 设备故障诊断是指应用现代测试分析手段和诊断理论方法，对运行中的现 代设备出现故障的机理、原因、部位和故障程度进行识别和诊断，并且根据诊 断结论，确定设备的维修方案和防范措施【1 1 。设备故障，反映出设备丧失工作 效能的程度，或是设备丧失了它所要求的规定的性能或者某种状态；诊断则是 采用各种测试、分析手段和故障状态的识别方法来确定故障的性质、程度、类 别、状态和故障部位等，并研究设备产生故障的机理。 1 2 课题研究背景 科学技术的发展推动着设备故障诊断技术的进步，设备故障诊断技术的发 展，大致可以分为4 个阶段： ( 1 ) 事后维修：在1 9 世纪，由于科学技术的相对落后，并且当时的设备 本身在技术水平和复杂程度上也不够高；因此，设备出现故障一般都是采用事 后维修的方式，即设备出现故障后或者设备不能运行后再进行维修。 ( 2 ) 定期维修：2 0 世纪初到2 0 世纪5 0 年代，随着生产力的发展和科学 技术水平的提高，设备本身的复杂程度也有所提高，设备故障对生产的影响也 更为显著；在这种情况下，出现了定期维修的方式，即设备每隔一段时间进行 维护。这个时期，也是设备故障诊断技术处于孕育阶段。 ( 3 ) 状态维修：2 0 世纪6 0 到2 0 世纪7 0 年代，随着现代计算机技术、数 据处理技术等技术的发展，设备诊断技术在欧美一些国家得到了发展，出现了 更科学的按照设备状态进行维修的设备诊断技术。 ( 4 ) 智能维修：2 0 世纪8 0 年代后，人工智能技术、专家系统、神经网络 技术等技术开始迅速发展，并在实际的工程中进行应用，使设备诊断技术达到 了智能化的程度，使得设备诊断技术具有更广阔的前景。 现代设备由于其结构的复杂性，设备通常往往由若干相互联系又相互独立 的子系统组成，子系统又有若干个模块组成。因此设备更加复杂和集成，设备 的复杂性和集成性的这一特点使得现代故障诊断技术，将人工智能、专家系统 等基于知识的诊断技术与i n t e r n e t 技术相结合，形成远程故障诊断技术。 1 2 1 远程故障诊断技术 现代设备由于其结构的复杂性，设备又有若干相互联系又相互独立的子系 统组成，子系统又有若干个模块组成的这一特点注定了对用于现代设备的监控 诊断系统中，仅依靠单一的故障诊断系统并不可能很好的解决系统故障时出现 的问题，因此出现了远程故障诊断技术。远程故障诊断服务环境下使得各诊断 系统在异构的环境下能够进行互连、互操作，最终完成远程协同的故障诊断运 行，保证了复杂设备维修诊断的快速性、准确性和灵活性。随着现代复杂装备 的大型化、自动化和高速化程度的不断提高，故障诊断的领域的一个重要发展 方向和必然趋势是实现故障诊断的远程化、协同化和智能化，形成了如远程协 同故障诊断( r c f d ， r e m o t ec o l l a b o r a t i o nf a u l td i a g n o s t i c s ) ，远程协同故障 诊断系统集现代通信技术、计算机应用技术、故障诊断技术和协同管理技术等 为一体的多交叉学科、多技术集成学科的新兴研究领域【2 1 。远程协同故障诊断 是为在时空二维空间内任务关联的多个领域专家和技术人员提供一个计算机支 持的开放的协同诊断环境，并且跟踪诊断的全过程，同时对诊断结果进行综合 分析，使人们能够针对某项或多项故障任务进行快速有效的诊断、指导设备的 维护和建立设备的维修体系的综合模式【3 】。 远程故障诊断的发展是一个动态的过程，它是在当今计算机应用技术、网 络科技技术持续动态发展的整体态势下；以及伴随着各种支撑技术的不断进步 下；而不断完善下发展起来的。但是，随着设备结构的日益复杂化，技术的先 进化，运行的高速化，远程故障诊断技术的发展在诸多方面受到了挑战，特别 是在设备的维修和保障以及设备的维修过程。应对远程故障诊断所面临的挑战 成为当前远程诊断研究的主要内容。 ( 1 ) 基于广域环境下面向应用的远程故障诊断平台的研究 由于局域网故障诊断资源在诊断资源共享上存在着明显的局限性，而互联 网等广域网络技术的迅猛发展带来了研究基于广域网远程故障诊断的热潮。于 是将互联网技术与故障诊断技术结合，实现基于广域环境下的远程协作诊断系 统，便成为了多年来人们在远程诊断技术研究的主要方向。 从国际方面来看，世界上许多国家的工业界和学术界都投入了巨资对远程 故障诊断技术在实际应用中的研究，建立远程故障诊断站点或者在它们的产品 中加入了广域网功能【4 j 。同时，研究人员也进行了基于广域网的远程故障诊断 服务支撑平台软件的研究及远程诊断工具的开发【5 】。可以看出国外对远程故障 诊断系统更偏向于实用化的研究，其针对的是具体的设备进行实际的远程维护 支持系统的开发与研究，而研究的结果一般都与市场接轨，从而在很大程度上 2 推动了设备故障诊断技术的不断发展，同时也提升了远程故障诊断技术在实际 应用中的经济价值。 国内在远程故障诊断技术方面的研究相对于国外的发展起步较晚，而且主 要的研究都集中在一些科研、研究院所等单位，其理论性和示范性较强，经济 性效益较弱，系统的实际推广应用还远远不及国际的发展水平。对于远程诊断 应用广域化的研究也主要集中于广域网环境下针对某种设备体系的远程故障诊 断应用的实现【6 】。但这些研究都只是停留在诊断阶段，并没有真正转化为社会 技术成果，体现它的经济价值；同时对远程故障诊断技术的研究局限于具体的 设备平台，较少从理论上鉴定远程故障诊断所应包含的功能范畴。 ( 2 ) 远程故障诊断体系结构及协同策略的研究 设备的复杂性和系统性的提高，以及故障诊断的随机性；这对远程故障诊 断系统处理诊断任务时的柔性提出了要求。由于设备系统结构的复杂性和多样 性导致其劣化进程也有所不同，因此作为应对故障诊断动态变化的重要手段， 作为服务于联合需要的远程故障诊断系统，故障诊断系统体系的柔性必须适应 设备维修现场发生变动的需要。因此，如何建立更加柔性的远程故障诊断系统， 发展面向广域网应用特征的故障诊断协同模式的远程故障诊断系统是远程诊断 改进研究中的又一个重要内容。 国外研究的故障诊断体系结构着重研究远程故障诊断的功能性和体系结构 模型。主要是通过建立以w e b 为基础的设备在线诊断和专家协作的平台，它实 现了制造业的广域合作以及企业之间的动态联盟。此外，还有许多国际组织， 如m i m o s a 、m f t p 、c o m a d e m 等也纷纷通过网络进行装备故障诊断咨询和 技术推广工作并制定了一些信息交换格式和标准【l0 1 。 国内的许多学者也相应提出了建设基于不同设备的远程诊断系统协同模式 的思想，主要通过基于b s 的多层客户拥服务器结构使来源不同的诊断资源能 相互协作，共同解决诊断问题，提高诊断系统的求解能力【7 1 。而在远程诊断协 同发展及体系结构柔性化研究方面最有代表性的是西安交通大学的谢友柏院士 所倡导的现代协同设计网络理论【8 】。以教育部现代设计与制造网上合作研究中 心( i b c d m ) 为主的群体进行了在互联网上组织合作设计的实践，并通过建设一 种分布式智力资源环境来实现异地协作设计，该思想在远程诊断领域的表现主 要是张金玉等人在大型机械设备网上群体诊断支持系统方面的研究【9 j 。 1 2 2 网格技术 网格技术是9 0 年代中期出现的一种新兴技术，i a nf o s t e r 和c a r l k e s s e l m a n 第一个给出了恰当的解释，网格应能够“在动态的，多机构的虚拟组织中资源共 享和协同解决问题”【1 1 1 。其核心概念是通过网络将广域范围的各类计算资源、 数据资源、存储设备及服务统组织管理，形成一个可相互调用、相互合作、 对用户相对透明的高性能计算和服务环境 1 2 - 1 3 】。 3 2 0 0 2 年6 月，全球网格论坛( g g f ) 公布了第三代网格，合并s o a 思想和w e b 服务技术的开放网格服务体系o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 。这是一 组基于现有开放标准的技术规格和标准，旨在为世界各地的网格提供个公共 的技术基础。o g s a 是以服务为中心，它的服务概念很广泛，包括各种计算资 源、存储资源、网络、程序、数据库等。o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c ei n fr a s tr u c t u r e ) 是o g s a 关于网格概念的正式规范。o g s i 规定了一组服务要素，用于定义对 所有网格服务都通用的核心行为。g t 4 ( g l o b u st o o l k i t4 ) 实现了o g s a ，g l o b u s t o o l k i t 是一个软件工具包，它允许我们编写基于网格应用的程序。g l o b u s t o o l k i t 的第4 版是基于网格服务的，它是o g s a 的实现。最近提出的w s r f ( w e b s e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ) 结构，是表示有状态资源和w e b 服务之间关系的 一种新方法，是网格技术与w e b 服务相结合的具体体现。 网格把现有的资源集成起来，给网格用户或上层应用者提供访问网格中各 种资源的统一的访问接口，提供共享资源的机制。网格提供的分时共享、资源 预约、资源授权、资源组合、数据管理等技术，都有力地支持广域范围内的资 源共享。在原来的网络平台上，人们所能使用的资源只是自己拥有的资源或建 立了特殊关系的群体所拥有的资源，无论从资源的种类还是从资源的数量上讲， 都是极其有限的。而在网格环境上，任何用户只要遵守网格规范，就可以使用 网格上的任何资源。除了国际互联网上拥有的计算机及相关资源之外，天文望 远镜、电子显微镜、深海探测仪等贵重设备和仪器，以及电视机、电冰箱、空 调、电饭锅、洗衣机、电子门锁等家用电器都可以通过网格定义的标准接口接 入网格，成为网格资源。原来只能在现场控制和使用的资源在网格环境下将不 受到任何的地理位置限制，都可以被远程用户使用。 在制造领域的第一个网格研究项目是美国国家航空航天局( n a s a ) 和自然 基金委员会支持的i n f o r m a t i o np o w e rg r i d ( i p g ) 项目，其目的是建立一个完全分 布式的计算资源和数据资源的管理环境，以支持大型科学和工程问题求解中的 异地协同 1 3 1 。另一个重要的项目的是在欧洲建立了一个d a m e 系统【l 引，此项 目是一个关注飞行器引擎故障诊断和预报问题的项目，再将飞机引擎故障诊断 引入了网格技术，将引擎传感器的数据快照和理性引擎模型进行比较，使系统 尽早地发现偏离正常运行引起的偏差数据信号。d a m e 网格技术为飞机故障诊 断提供包括引擎数据服务、数据存储与挖掘、引擎建模服务、基于案例的推理 支持、自治服务等多项服务。 我国对网格计算的研究相对起步较晚，相关的研究工作始于1 9 9 8 年。目前， 我国的网格计算研究主要集中在少数科研院所和高等学校，如中国科学院计算 技术研究所、国防科技大学、清华大学等几家在高性能计算方面有较强实力的 研究单位。这些单位在高性能计算研究方面有良好的技术积累和较强的科研实 力。其中，中国科学院计算技术研究所在高性能计算领域的主要成果是曙光 4 3 0 0 0 超级服务器，其他单位的主要成果有银河巨型机、同方探索集群系统等。 目前在国内，网格计算也正处于快速发展时期，以清华大学的范玉顺为代 表的多位学者提出了制造网格的概念，通过制造网格使用户能够像目前从因特 网上获得信息一样方便地获得各种制造服务，并在制造网格的支持下方便地形 成面向特定企业制造需求的专业化应用系统，实现企业之间的商务协同、设计 协同、制造协同和供应链协同【1 6 j 。 1 2 3 数据管理 所谓的数据管理是指对各种各类的数据进行收集、存储、分类、计算、加 工、检索和传输的过程，其目的在于充分有效地发挥数据的作用。随着计算机 硬件和软件技术的不断发展，数据管理技术也随之不断前进和发展。到目前为 止，数据管理技术大致经历了如下三个阶段，即人工管理阶段，文件系统阶段 和数据库系统阶段。 ( 1 ) 人工管理 这一阶段( 2 0 世纪5 0 年代中期以前) 计算机主要用于科学计算。计算机 作为一种昂贵的科学计算设备，其外部存储器只有磁带、卡片和纸带等，但是 还没有磁盘等直接存取存储设备。软件只有汇编语言，尚无数据管理方面的软 件。数据处理方式基本是批处理。因此计算机进行科学计算是保存在磁带、卡 片上的数据，只是简单的科学数据，用人工的方式进行管理。 ( 2 ) 文件系统 在这一阶段( 2 0 世纪5 0 年代后期至6 0 年代中期) 计算机不仅用于科学计 算，还利用在信息管理方面。随着数据量的增加，数据的存储、检索和维护问 题成为紧迫的需要，数据结构和数据管理技术迅速发展起来。此时，外部存储 器已有磁盘、磁鼓等直接存取的存储设备。软件领域出现了操作系统和高级软 件。操作系统中的文件系统是专门管理外存的数据管理软件，文件是操作系统 管理的重要资源之一。数据处理方式有批处理，也有联机实时处理。可以采用 专门的软件对数据进行管理，形成以文件系统为中介的数据管理。 ( 3 ) 数据库管理系统 这一阶段( 6 0 年代后期) ，数据管理技术进入数据库系统阶段。数据库系 统克服了文件系统的缺陷，提供了对数据更高级、更有效的管理。这个阶段的 程序和数据的联系通过数据库管理系统来实现( d b m s ) 。 1 3 国内外关于故障诊断的现状 远程故障诊断工作的随机性和分布式计算、远程信息处理等新技术的应用 对远程协同故障诊断的体系结构提出了更高的要求【1 7 】。对远程故障诊断策略与 系统框架相关研究已成为远程故障诊断领域的重点。在国外相关研究中，影响 较大的有美国国家自然科学基金资助的“智能维护系统中心( c e n t e rf o r s i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c es y s t e m s ，i m s ) ”【l s j 、由澳大利亚联邦政府投资1 7 5 0 万 美元建立的“工程设备集成管理研究协作中心( c o o p e r a t i v er e s e a r c hc e n t r e f o ri n t e g r a t e de n g i n e e r i n ga s s e tm a n a g e m e n t ，c i e a m ) u 刈 以及由欧盟资助的 p r o t e u s ( ag e n e r i cp l a t f o r mf o r ：e m a i n t e n a n c e ) 项目【2 0 1 。此外，许多国际组织， 如m i m o s a 、m f t p 、c o m a d e m 等也纷纷通过网络进行装备故障诊断咨询和 技术推广工作并制定了一些信息交换格式和标准。 而国内的多家单位和学者也相继在该领域开展了很多相关的研究，并取得 了不少的阶段性成果。以华中科技大学机械学院信息所为中心的群体研究开展 得较早，对远程故障诊断方面的研究也比较深入，建立了设备远程故障诊断中 心，并研究了远程故障诊断的标准化的理论方法和相关的实现技术【2 。上海大 学和军械工程学院9 3 7 5 6 部队也相继提出了基于网格的装备远程诊断体系；上 海交通大学机械系统与振动国家重点实验室提出了一种基于面向服务架构 ( s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 的分布式远程监测、故障诊断协作模型和企 业级远程监测和故障诊断系统架构【2 2 1 。西安交通大学在对大型旋转机械研究多 年的基础上，进一步开展了基于网络的远程故障诊断和处理支撑中心的研究。 而在另一方面，协同作为远程协同诊断模型的核心，实现了异地系统间的 互操作。远程协同诊断模型的研究工作主要集中在研究分布式技术体系在远程 诊断系统中的应用。因此各诊断系统要素的网络化技术以及分布式计算环境搭 建技术，在近几年发展非常迅速。 国外典型的研究包括：新加坡国立大学s k o n g 等提出了基于w e b 的故障诊 断与学习系统。针对实现h o l o n i c 式协作管理的企业，文献【2 3 】提出了一种 f i p a ( f o u n d a t i o no fi n t e l l i g e n tp h y s i c a la g e n t s ) 使能诊断与预测系统，该系统通 过访问协作伙伴站点的远程数据库从而持续更新它的模糊诊断模型。美国g e 公司提出的远程诊断系统建立在时时变化存储( t i m e c o h e r e n ts t o r a g e ) 与变化监 测存储( c h a n g e d e t e c ts t o r a g e ) 这两种不同的存储技术之上，结合两者的优势以 保证传感器信号存储的精确性和有效性，并由现场监测器完成对异常设备进行 检测并产生故障监测数据，而远程诊断中心通过对监测器返回的数据进行分析， 提出诊断方法实施远程故障诊断。英国剑桥大学对基于互联网的远程装备仪器 诊断也做了相关研究，提出了o s a c b m ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o r o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ) ，它为装备的状态监测与预测维修提供了一种基于 分布式软件的开放式标准。对于分布式系统的研究，g r e g o r yp r o v a n 提出了一 种基于模型的故障诊断集成框架。m a l b e r t 为分布式监测与诊断系统提供了相 应的开发工具。针对网络的延时问题，a m i n eb o u f a i e d 等则提出一种考虑延时 的分布式故障检测系统。 重庆大学机械传动国家重点实验室基于k b e 图形化网络拓扑专家知识和 组合智能推理机之间的集成，开发了一套基于k b e 的图形化网络拓扑诊断系 6 统；中国电力科学研究院的赵伟等利用协同式专家系统及多智能体技术挖掘出 电网故障诊断方法，中国民航学院则研究了飞机远程协同诊断并发控制技术。 1 4 本文研究的主要内容和意义 尽管国外一些著名公司如s i e m e n s 、f a n u c 、m a z a k 、o k u m a 等相继推出 了具有网络集成能力和一定智能化水平的制造设备故障诊断和控制系统，可以 实现对设备故障诊断的远程技术服务；但这些设备和系统还不够完善，它们只 是针对各自的产品，不具备开放性和通用性。从刚成立的美国i m s 中心的研究 规划和综述报告来看，国外在用于设备远程维护、技术支持的“嵌入式设备远 程操作、监测、诊断、维护软件装置”和“数字化服务平台 等方面的研究也 还处于起步阶段。虽然我国不少单位已经开展或正在开展制造企业设备故障远 程监控与诊断技术的研究工作，在实时监测、远程监测和故障诊断等单元技术 方面积累了一定的成果和经验；然而对于远程设备故障诊断这一门综合性技术， 我国尚未组织或投入较大力量进行系统的研究开发，致使我国远程监控与诊断 技术研究和应用方面进展比较缓慢。 目前制造设备及客户的全球化分布性，这对设备进行远程故障诊断提出了 迫切的要求，然而现有的故障诊断模式和诊断方法在面对大型复杂设备的故障 诊断技术上；在面对设备诊断对象的结构、功能、行为理解和认识产生知识的 多样性；以及在面对故障诊断系统的分散相对独立性等方面存在着不足和局限 性，无法满足目前故障诊断要求。 现代化大型复杂设备的复杂性提高了设备故障诊断的复杂度，为了高效正 确地对设备进行故障诊断，则需要依赖大量知识、工具以及分析手段的支持， 而传统故障诊断模式的封闭性难以解决好目前对故障诊断通用性和高效性的要 求。本文提出以构建开放式的网格服务为平台，将分布于广域网络协同环境下 的、来自于不同供应商及主要合作伙伴的各类诊断资源，如诊断仪器、诊断设 施、检测设备、分析软件、工具以及现有的专用、通用故障诊断系统等进行统 一整合、动态组织，形成一个可相互调用、相互合作、服务于多制造商和客户 的高性能计算和服务环境即故障诊断网格服务平台【4 3 1 。用户只需提交诊断请 求，故障诊断网格服务平台将会对诊断任务自动进行分类，并分解为若干个子 任务，通过动态、分布式调用协作范围内的有效故障诊断资源，独立或协同的 解答用户的诊断请求。故障诊断系统的这种工作模式，不仅克服现有故障诊断 模式的不足，而且通过充分共享资源、信息与专家知识，充分发挥企业自身的 技术优势，降低企业成本的同时，高质量的完成复杂设备的故障诊断任务。和 现有远程诊断相比，故障诊断网格在诊断方法、诊断资源、诊断知识、诊断成 本、社会协同这五个方面都拥有无可比拟的优势。 故障诊断网格体现了服务平台集中管理和分布式计算相结合的广域分布式 资源共享的故障诊断思想，实现了快速响应客户的故障诊断任务请求，表现出 7 以下独特优势： ( 1 ) 全面的诊断支持功能。故障诊断网格服务平台集成了覆盖多个领域的 专门技术、专业人员知识和故障诊断资源，可以提供全面详实、功能强大的诊 断支持软件、工具、设施和诊断条件，为诊断专家小组提供先进的故障诊断分 析、故障处理和故障诊断。 ( 2 ) 提供先进的资源集成能力和综合诊断机制。故障诊断网格服务平台， 提供了一个公共平台，通过这一公共平台将有关领域的专家经验、分散的诊断 资源集成起来，并进行有效整合；提供多种相互支持、相互补充的协同故障诊 断方法和技术，充分发挥现有技术、资源的整体优势和综合解决问题的能力， 更好地为诊断进行服务。 ( 3 ) 强大的自我完善能力和服务平台的开放性。故障诊断网格服务平台依 托领域专家、丰富的故障诊断实践经验和先进的计算机软硬件条件，不断地更 新故障诊断知识和专家的经验，不断吸收新的分析诊断工具，以及成功的专家 系统等网络化诊断资源的加盟，以适应日趋复杂多变的诊断要求。 ( 4 ) 故障诊断网格服务平台提供的低运行成本所带来的良好的性价比。故 障诊断网格借助于现有的企业内部网络、教学科研网络和i n t e r n e t 资源将企业、 科研院所连接起来，建立以现代信息技术和系统为核心的信息基础环境，用以 支撑故障诊断网格服务平台的低成本运作。通过共享的网格服务平台，普通技 术人员可以利用诊断网格丰富的专家知识和大量的分析工具、分析手段的支持 下进行故障诊断，大大提高了故障诊断的效率和准确性，在一定程度上预防严 重故障的发生。同时设备用户可以在线及时享受到高效、优质的服务，协助快 速排除系统故障，降低由于设备故障或停车造成的巨大损失。 ( 5 ) 故障诊断网格提供有效的信息共享和资源重复利用能力。以通用的网 络为基础，利用故障诊断网格服务平台实现广域范围的信息资源共享，消除信 息孤岛，使诊断资源能被不同的诊断任务多次的使用，加强了制造商与客户之 间的联系和技术合作，对于快速灵活地响应客户要求、提高产品质量和客户满 意度、增强制造企业竞争力具有重要意义。 故障诊断系统的数据复杂、繁多、时时更新的动态性，资源的异构性和地 域的分布性，在诊断系统中数据的处理量较大，造成了故障诊断系统数据的复 杂性和数据量的庞大，对存储资源和计算资源提出了极高的性能要求；网格技 术是目前较为先进的网络技术，它能很好的解决远程故障诊断系统中数据的多 访问、多任务、多处理等问题。将先进的网格技术运用到实际问题和工作中， 解决故障诊断系统的复杂问题。 本文主要研究将网格技术在数据访问与集成、数据存储、数据传输、数据 副本等方面的优势运用到远程故障诊断系统中，对诊断数据进行高效的管理， 建立适合远程协同故障诊断系统的数据管理方法，提高诊断系统在数据的处理 8 能力、传输速率、数据的安全性。 本文主要研究内容有： ( 1 ) 分析远程故障诊断系统中数据的来源，分析数据的种类，诊断数据的 主要特点，故障诊断在数据管理中的常见方法，故障诊断数据管理中所面临的 困境，故障诊断对数据管理的要求以及采用网格技术对数据管理的优点。 ( 2 ) 建立基于网格的设备故障诊断系统服务平台，即故障诊断网格系统构 架，将故障诊断网格与传统的远程故障诊断技术进行比较。 ( 3 ) 研究故障诊断网格数据管理的关键技术，即元数据管理、数据的访问 与集成、高速的数据传输、数据存储、数据副本管理策略等方面的关键技术， 建立故障诊断网格的数据管理模型。 ( 4 ) 研究适合故障诊断网格的副本策略的算法，并进行仿真分析。 1 5 论文的体系结构安排 本文共分为五章，组织结构如下： ( 1 ) 第一章绪论 介绍了课题的背景来源、研究意义，网格的概念、特点及其在国内外发展 的现状，介绍了远程协同故障诊断的概念、总体描述、国内外发展现状，介绍 了网格环境下故障远程协同故障诊断的特点及其优越性。 ( 2 ) 故障诊断的数据 介绍了故障诊断的数据来源，数据的分类、数据的主要特点和故障诊断数 据管理的常见方法和存在的主要问题。分析了故障诊断的数据对数据管理方面 的要求，提出了网格技术在数据管理方面的优势，将网格在管理数据方面的优 势运用到故障诊断中，提高了故障诊断数据的处理能力。 ( 3 ) 第三章诊断网格的数据管理 介绍了网格环境下远程协同故障诊断的体系结构，提出了诊断网格的定义， 介绍了诊断网格的具体特征，分析诊断网格与传统远程故障诊断系统的不同之 处。建立诊断网格的数据管理模型，分析诊断网格数据管理的关键技术即数据 的访问与集成、数据传输、数据存储和数据副本管理等方面。