“中国制造2025”出版工程–动态系统运行安全性分析与技术

本书围绕着复杂动态系统运行安全性，开展了对系统安全性的概念、运行危险分析、事故演化、系统运行异常工况识别、面向系统故障安全的故障诊断、系统安全性分析与评估等内容开展深入分析和论述。

 

本书以大型工业过程系统与复杂工程系统为对象, 对系统安全性的概念、运行危险分析、事故演化、系统运行异常工况识别、面向系统故障安全的故障诊断、系统安全性分析与评估等内容开展深入分析和论述。本书适合从事工业和工程系统状态监测、故障诊断及运行安全性评估和智能维护的研究人员、工程技术人员阅读和参考, 也可作相关专业的教学参考书。

第1章　概述　/ 1

　1.1　引言　/ 1

　　　1.1.1　大型工业过程的运行安全需求　/ 1

　　　1.1.2　复杂装备系统运行的安全需求　/ 2

　1.2　系统运行安全性　/ 3

　　　1.2.1　故障　/ 4

　　　1.2.2　事故　/ 6

　　　1.2.3　运行安全性　/ 6

　1.3　系统运行安全性分析及评估　/ 12

　　　1.3.1　系统运行安全事故分析　/ 12

　　　1.3.2　系统运行危险特性与影响　/ 13

　　　1.3.3　系统运行危险因素　/ 14

　　　1.3.4　系统运行安全性分析　/ 16

　　　1.3.5　系统运行安全性评估　/ 18

　　　1.3.6　系统运行安全保障　/ 19

　参考文献　/ 21

第2章　系统运行安全危险分析及事故演化　/ 22

　2.1　概述　/ 22

　2.2　危险源分析　/ 23

　　　2.2.1　危险源分类　/ 23

　　　2.2.2　危险源识别与控制　/ 25

　　　2.2.3　系统危险因素分析　/ 30

　2.3　系统运行危险分析　/ 30

　　　2.3.1　运行危险分析方法　/ 31

　　　2.3.2　“危险因素-事故”演化机理分析与建模　/ 33

　　　2.3.3　系统运行故障危险分析　/ 35

　　　2.3.4　人因误操作危险分析　/ 37

　　　2.3.5　外扰作用下的危险分析　/ 39

　2.4　系统运行安全事故演化分析　/ 40

　　　2.4.1　事故动态演化　/ 40

　　　2.4.2　事故链式演化　/ 47

　2.5　系统运行安全事故典型分析方法　/ 52

　　　2.5.1　典型分析方法1：事故树分析方法　/ 53

　　　2.5.2　典型分析方法2：失效模式与影响分析　/ 57

　　　2.5.3　典型分析方法3：因果分析法　/ 62

　　　2.5.4　典型分析方法4：事件树分析　/ 64

　2.6　典型案例分析　/ 66

　　　2.6.1　案例一：基于事故树的低温液氢加注事故演化分析　/ 66

　　　2.6.2　案例二：基于层次分解方法的复杂系统漏电分析　/ 70

　参考文献　/ 74

第3章　运行系统检测信号处理　/ 75

　3.1　概述　/ 75

　3.2　信号降噪　/ 75

　　　3.2.1　噪声在小波变换下的特性　/ 77

　　　3.2.2　基于阈值决策的小波去噪算法步骤　/ 78

　　　3.2.3　阈值的选取及量化　/ 78

　　　3.2.4　小波去噪的在线实现　/ 81

　3.3　信号一致性检验　/ 82

　　　3.3.1　动态系统信号一致性检验　/ 83

　　　3.3.2　信号的相似程度聚类分析　/ 84

　3.4　非平稳信号分析　/ 90

　　　3.4.1　希尔伯特变换　/ 90

　　　3.4.2　固有时间尺度分解方法　/ 96

　　　3.4.3　冗余小波变换　/ 99

　　　3.4.4　线性正则变换　/ 102

　参考文献　/ 110

第4章　系统运行异常工况识别　/ 111

　4.1　概述　/ 111

　4.2　基于统计分析的运行工况识别　/ 112

　　　4.2.1　PCA方法及其发展　/ 112

　　　4.2.2　基于特征样本提取的KPCA异常工况识别　/ 115

　　　4.2.3　基于MSKPCA的异常工况识别　/ 117

　　　4.2.4　基于滑动时间窗的MSKPCA在线异常工况识别　/ 125

　4.3　基于信号分析方法的运行系统异常工况识别　/ 134

　　　4.3.1　信号分析方法与运行异常工况识别　/ 134

　　　4.3.2　小波奇异值检测及运行异常工况识别　/ 135

　4.4　基于模式分类的运行系统异常工况识别　/ 139

　　　4.4.1　模式分类与运行系统异常工况识别　/ 139

　　　4.4.2　基于潜在信息聚类的工况在线识别　/ 140

　参考文献　/ 156

第5章　系统运行故障诊断　/ 158

　5.1　概述　/ 158

　5.2　机械传动系统的故障诊断　/ 160

　　　5.2.1　机械传动系统的故障特点　/ 160

　　　5.2.2　机械传动系统典型故障诊断方法　/ 161

　　　5.2.3　应用案例　/ 163

　5.3　电气系统的故障诊断　/ 171

　　　5.3.1　电气系统的故障特点　/ 172

　　　5.3.2　电气系统典型故障诊断方法　/ 173

　　　5.3.3　应用案例　/ 175

　5.4　驱动控制系统的故障诊断　/ 185

　　　5.4.1　驱动控制系统的故障特点　/ 186

　　　5.4.2　驱动控制系统典型故障诊断方法　/ 188

　　　5.4.3　应用案例　/ 190

　5.5　过程系统的故障诊断　/ 199

　　　5.5.1　过程系统的故障特点　/ 199

　　　5.5.2　过程系统典型故障诊断方法　/ 201

　　　5.5.3　应用案例　/ 203

　参考文献　/ 213

第6章　系统运行安全分析与评估　/ 214

　6.1　概述　/ 214

　6.2　动态系统运行安全风险表征和建模　/ 215

　　　6.2.1　系统运行安全风险表征　/ 216

　　　6.2.2　系统运行安全风险转移过程　/ 218

　　　6.2.3　系统运行安全风险水平估计　/ 219

　　　6.2.4　系统运行安全风险建模　/ 220

　6.3　系统运行安全分析　/ 223

　　　6.3.1　系统动态安全分析方法　/ 223

　　　6.3.2　系统运行过程安全分析　/ 228

　6.4　系统运行安全评估　/ 234

　　　6.4.1　系统运行安全评估体系构建　/ 234

　　　6.4.2　系统运行安全评估指标体系及评价体系　/ 235

　　　6.4.3　运行安全性评估计算方法　/ 237

　　　6.4.4　典型评估方法——层次分析方法　/ 238

　　　6.4.5　典型评估方法——灰色评估决策方法　/ 241

　　　6.4.6　典型评估方法——模糊决策评价方法　/ 243

　　　6.4.7　典型评估方法——概率安全性评估方法　/ 245

　参考文献　/ 247

第7章　动态系统安全运行智能监控关键技术及应用　/ 248

　7.1　动态系统安全运行监控信息化需求　/ 248

　7.2　动态系统运行实时监测数据处理技术分析　/ 251

　　　7.2.1　动态系统安全监测管控系统构建技术　/ 251

　　　7.2.2　动态系统安全监测数据组织处理技术　/ 254

　　　7.2.3　动态系统安全监测决策数据呈现技术　/ 256

　7.3　动态系统安全运行监测管控系统功能分析　/ 259

　　　7.3.1　数据资源管理需求　/ 260

　　　7.3.2　监测数据分析处理功能　/ 260

　　　7.3.3　动态系统安全分析决策功能　/ 261

　　　7.3.4　健康管理功能　/ 262

　7.4　动态系统安全运行智能监控决策关键技术　/ 262

　　　7.4.1　运行过程智能物联感知技术　/ 263

　　　7.4.2　智能诊断技术　/ 265

　　　7.4.3　智能健康评估及安全决策技术　/ 267

　7.5　动态系统安全运行控制决策——以航天发射飞行为例　/ 268

　　　7.5.1　航天发射飞行安全控制域及安全等级　/ 269

　　　7.5.2　航天发射飞行安全控制参数计算　/ 273

　　　7.5.3　航天发射飞行安全控制决策模式及框架　/ 281

　　　7.5.4　航天发射飞行安全智能应急决策　/ 285

　　　7.5.5　系统应用　/ 292

  参考文献　/ 294

索引　/ 296

 

动态系统在现代化工业中广泛存在，如冶金、化工、核电等大型工业过程，运载火箭、航天器、大型客机、高速列车等复杂装备系统。这种大型化的复杂动态系统是维持民生、国家经济稳定发展的重要组成部分，是国家支柱产业构成的重要内容。动态系统结构复杂，其运行故障和事故的发生，会造成环境污染、设备损坏、财产损失、人员伤亡等重大问题。因此，保障大型工业过程与复杂装备系统的运行安全和长期无事故，具有重要的实际工程意义和学术研究价值。

大型工业过程和复杂装备是一类典型的动态系统，通常由时间演化子系统和事件驱动子系统相互作用组成，包含大量的连续过程和若干调度决策过程。这类系统体系结构和运行受不同性质的过程交替作用，故障机理和传播路径愈加复杂。实践表明，动态系统的整体安全性与其规模和复杂度成反比，细微的异常或故障就可能造成灾难性的后果，或导致巨大的损失。如何对系统运行安全性进行定量分析和评价，是动态系统运行安全工程实践和理论研究的关键问题。

本书基于这一需求，以大型工业过程与复杂装备系统为对象，开展动态系统运行安全性研究，涉及控制、机械、电气、系统科学、管理等学科的热点、难点方向。全书共分为7 章，围绕动态系统运行安全性，分别针对系统安全性的概念、运行安全危险分析及事故演化、检测信号处理、运行异常工况识别、运行故障诊断、系统运行安全分析与评估、系统安全运行智能监控关键技术与应用等内容进行了深入分析和论述。

第1章为概述。分析了大型工业过程与复杂装备系统的运行安全需求，阐述了动态系统事故、故障与运行安全性等相关概念，介绍了运行安全事故分析、危险特性与影响、运行危险因素、运行安全性分析与评估、运行安全保障等研究内容与现状。

第2章为系统运行安全危险分析及事故演化。介绍了不同目的和环境下的危险源分类体系、危险分析方法、危险源辨识与控制，以系统运行安全事故典型分析方法为例，探讨了安全事故传播与演化过程，并给出了相应的典型案例。

第3章为运行系统检测信号处理。讨论了运行系统检测信号降噪、一致性分析、信号处理等问题。介绍了强噪声环境下基于小波的检测信号降噪方法；运行系统多点冗余采集造成动态信号采集冲突下的动态信号一致性检验和聚类分析方法；非平稳信号的希尔伯特变换、固有时间尺度分解、线性正则变换方法。

第4章为系统运行异常工况识别。讨论了如何根据监测数据识别出运行系统工况异常。介绍了基于统计分析的异常工况识别方法、基于信号分析方法的异常工况识别方法以及基于模式分类的异常工况识别方法，给出了应用案例和必要的对比分析。

第5章为系统运行故障诊断。讨论了系统在运行过程中出现的故障问题。分别以机械传动系统、电气系统、驱动控制系统以及过程系统等常见动态系统作为对象，介绍了基于小波理论、深度置信网络等故障诊断方法，并通过应用实例对几种故障诊断方法的优缺点进行了分析。

第6章为系统运行安全分析与评估。介绍了运行安全风险表征与建模和系统运行安全分析方法，从系统运行过程安全分析的角度，阐述了故障和人在回路误操作两种情况下的运行过程安全分析方法。概述了安全性评估体系构建的思路，介绍了安全评估指标体系及评价体系的构建方法和典型的安全性评估方法。

第7章为动态系统安全运行智能监控关键技术及应用。分析了动态系统运行安全监测信息化需求；在需求分析的基础上定义了包括数据采集、数据存取管理、数据处理、状态监测与异常预警、故障分析与定位、健康状态评估与预测、安全管控决策等系统应用功能模块；以航天发射飞行安全控制决策为典型案例，阐述了一种针对动态系统的运行安全控制决策的技术方法和任务流程，并给出了测试及实施结果。

本书是作者多年来在该领域从事理论研究与实践的总结，同时综合了国内外相关技术理论及工程应用的最新发展动态。内容上力求做到深入浅出，理论与应用并重，具有较强的系统性、完整性、实用性和技术前瞻性。本书作者希望通过从技术理论和工程实践等方面的详尽阐述，使广大读者能够从抽象和具象方面对动态系统运行安全性分析与技术有系统和深入的理解和认识。

本书第1、7章由柴毅撰写，第2、6章由张可撰写，第3章由魏善碧撰写，第4、5章由毛永芳、柴毅撰写，全书由柴毅统稿。课题组研究人员重庆大学尹宏鹏教授、郭茂耘副教授、胡友强副教授、屈剑锋副教授，以及博士研究生朱哲人、唐秋、任浩、李艳霞、刘玉虎、王一鸣、刘博文和硕士研究生贺孝言、朱燕、朱博等在文稿和图表整理等基础工作中付出了辛勤的工作，林庆老师做了大量审稿组织工作，这里一并表示感谢！

由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，诚恳广大读者批评指正，以便今后改正和完善。

著　者