動態系統運行安全性分析與技術

第1 章 概述
1.1 引言
1.1.1 大型工業過程的運行安全需求
1.1.2 複雜裝備系統運行的安全需求
1.2 系統運行安全性
1.2.1 故障
1.2.2 事故
1.2.3 運行安全性
1.3 系統運行安全性分析及評估
1.3.1 系統運行安全事故分析
1.3.2 系統運行危險特性與影響
1.3.3 系統運行危險因素
1.3.4 系統運行安全性分析
1.3.5 系統運行安全性評估
1.3.6 系統運行安全保障
參考文獻

第2 章 系統運行安全危險分析及事故演化
2.1 概述
2.2 危險源分析
2.2.1 危險源分類
2.2.2 危險源識别與控制
2.2.3 系統危險因素分析
2.3 系統運行危險分析
2.3.1 運行危險分析方法
2.3.2 「危險因素- 事故」演化機理分析與建模
2.3.3 系統運行故障危險分析
2.3.4 人因誤操作危險分析
2.3.5 外擾作用下的危險分析
2.4 系統運行安全事故演化分析
2.4.1 事故動態演化
2.4.2 事故鏈式演化
2.5 系統運行安全事故典型分析方法
2.5.1 典型分析方法1： 事故樹分析方法
2.5.2 典型分析方法2： 失效模式與影響分析
2.5.3 典型分析方法3： 因果分析法
2.5.4 典型分析方法4： 事件樹分析
2.6 典型案例分析
2.6.1 案例一： 基於事故樹的低溫液氫加注事故演化分析
2.6.2 案例二： 基於層次分解方法的複雜系統漏電分析
參考文獻

第3 章 運行系統檢測訊號處理
3.1 概述
3.2 訊號降噪
3.2.1 噪聲在小波變換下的特性
3.2.2 基於閾值決策的小波去噪算法步驟
3.2.3 閾值的選取及量化
3.2.4 小波去噪的在線實現
3.3 訊號一致性檢驗
3.3.1 動態系統訊號一致性檢驗
3.3.2 訊號的相似程度聚類分析
3.4 非平穩訊號分析
3.4.1 希爾伯特變換
3.4.2 固有時間尺度分解方法
3.4.3 冗餘小波變換
3.4.4 線性正則變換
參考文獻

第4 章 系統運行異常工況識别
4.1 概述
4.2 基於統計分析的運行工況識别
4.2.1 PCA 方法及其發展
4.2.2 基於特徵樣本提取的KPCA 異常工況識别
4.2.3 基於MSKPCA 的異常工況識别
4.2.4 基於滑動時間窗的MSKPCA 在線異常工況識别
4.3 基於訊號分析方法的運行系統異常工況識别
4.3.1 訊號分析方法與運行異常工況識别
4.3.2 小波奇異值檢測及運行異常工況識别
4.4 基於模式分類的運行系統異常工況識别
4.4.1 模式分類與運行系統異常工況識别
4.4.2 基於潛在資訊聚類的工況在線識别
參考文獻

第5 章 系統運行故障診斷
5.1 概述
5.2 機械傳動系統的故障診斷
5.2.1 機械傳動系統的故障特點
5.2.2 機械傳動系統典型故障診斷方法
5.2.3 應用案例
5.3 電氣系統的故障診斷
5.3.1 電氣系統的故障特點
5.3.2 電氣系統典型故障診斷方法
5.3.3 應用案例
5.4 驅動控制系統的故障診斷
5.4.1 驅動控制系統的故障特點
5.4.2 驅動控制系統典型故障診斷方法
5.4.3 應用案例
5.5 過程系統的故障診斷
5.5.1 過程系統的故障特點
5.5.2 過程系統典型故障診斷方法
5.5.3 應用案例
參考文獻

第6 章 系統運行安全分析與評估
6.1 概述
6.2 動態系統運行安全風險表徵和建模
6.2.1 系統運行安全風險表徵
6.2.2 系統運行安全風險轉移過程
6.2.3 系統運行安全風險水準估計
6.2.4 系統運行安全風險建模
6.3 系統運行安全分析
6.3.1 系統動態安全分析方法
6.3.2 系統運行過程安全分析
6.4 系統運行安全評估
6.4.1 系統運行安全評估體系構建
6.4.2 系統運行安全評估指標體系及評價體系
6.4.3 運行安全性評估計算方法
6.4.4 典型評估方法——層次分析方法
6.4.5 典型評估方法——灰色評估決策方法
6.4.6 典型評估方法——模糊決策評價方法
6.4.7 典型評估方法——概率安全性評估方法
參考文獻

第7 章 動態系統安全運行智慧監控關鍵技
術及應用
7.1 動態系統安全運行監控資訊化需求
7.2 動態系統運行實時監測數據處理技術分析
7.2.1 動態系統安全監測管控系統構建技術
7.2.2 動態系統安全監測數據組織處理技術
7.2.3 動態系統安全監測決策數據呈現技術
7.3 動態系統安全運行監測管控系統功能分析
7.3.1 數據資源管理需求
7.3.2 監測數據分析處理功能
7.3.3 動態系統安全分析決策功能
7.3.4 健康管理功能
7.4 動態系統安全運行智慧監控決策關鍵技術
7.4.1 運行過程智慧物聯感知技術
7.4.2 智慧診斷技術
7.4.3 智慧健康評估及安全決策技術
7.5 動態系統安全運行控制決策——以航天發射飛行為例
7.5.1 航天發射飛行安全控制域及安全等級
7.5.2 航天發射飛行安全控制參數計算
7.5.3 航天發射飛行安全控制決策模式及框架
7.5.4 航天發射飛行安全智慧應急決策
7.5.5 系統應用
參考文獻

 

序

　　動態系統在現代化工業中廣泛存在，如冶金、化工、核電等大型工業過程，運載火箭、航天器、大型客機、高速鐵路等複雜裝備系統。這種大型化的複雜動態系統是維持民生、國家經濟穩定發展的重要組成部分，是國家支柱產業構成的重要內容。動態系統結構複雜，其運行故障和事故的發生，會造成環境污染、設備損壞、財產損失、人員傷亡等重大問題。因此，保障大型工業過程與複雜裝備系統的運行安全和長期無事故，具有重要的實際工程意義和學術研究價值。

　　大型工業過程和複雜裝備是一類典型的動態系統，通常由時間演化子系統和事件驅動子系統相互作用組成，包含大量的連續過程和若干調度決策過程。這類系統體系結構和運行受不同性質的過程交替作用，故障機理和傳播路徑愈加複雜。實踐表明，動態系統的整體安全性與其規模和複雜度成反比，細微的異常或故障就可能造成災難性的後果，或導致巨大的損失。如何對系統運行安全性進行定量分析和評價，是動態系統運行安全工程實踐和理論研究的關鍵問題。

　　本書基於這一需求，以大型工業過程與複雜裝備系統為對象，開展動態系統運行安全性研究，涉及控制、機械、電氣、系統科學、管理等學科的熱點、難點方向。全書共分為7章，圍繞動態系統運行安全性，分别針對系統安全性的概念、運行安全危險分析及事故演化、檢測訊號處理、運行異常工況識别、運行故障診斷、系統運行安全分析與評估、系統安全運行智慧監控關鍵技術與應用等內容進行了深入分析和論述。

　　第1章為概述。分析了大型工業過程與複雜裝備系統的運行安全需求，闡述了動態系統事故、故障與運行安全性等相關概念，介紹了運行安全事故分析、危險特性與影響、運行危險因素、運行安全性分析與評估、運行安全保障等研究內容與現狀。

　　第2章為系統運行安全危險分析及事故演化。介紹了不同目的和環境下的危險源分類體系、危險分析方法、危險源辨識與控制，以系統運行安全事故典型分析方法為例，探討了安全事故傳播與演化過程，並給出了相應的典型案例。

　　第3章為運行系統檢測訊號處理。討論了運行系統檢測訊號降噪、一致性分析、訊號處理等問題。介紹了強噪聲環境下基於小波的檢測訊號降噪方法；運行系統多點冗餘採集造成動態訊號採集衝突下的動態訊號一致性檢驗和聚類分析方法；非平穩訊號的希爾伯特變換、固有時間尺度分解、線性正則變換方法。

　　第4章為系統運行異常工況識别。討論了如何根據監測數據識别出運行系統工況異常。介紹了基於統計分析的異常工況識别方法、基於訊號分析方法的異常工況識别方法以及基於模式分類的異常工況識别方法，給出了應用案例和必要的對比分析。

　　第5章為系統運行故障診斷。討論了系統在運行過程中出現的故障問題。分别以機械傳動系統、電氣系統、驅動控制系統以及過程系統等常見動態系統作為對象，介紹了基於小波理論、深度置信網路等故障診斷方法，並透過應用實例對幾種故障診斷方法的優缺點進行了分析。

　　第6章為系統運行安全分析與評估。介紹了運行安全風險表徵與建模和系統運行安全分析方法，從系統運行過程安全分析的角度，闡述了故障和人在回路誤操作兩種情況下的運行過程安全分析方法。概述了安全性評估體系構建的思路，介紹了安全評估指標體系及評價體系的構建方法和典型的安全性評估方法。

　　第7章為動態系統安全運行智慧監控關鍵技術及應用。分析了動態系統運行安全監測資訊化需求；在需求分析的基礎上定義了包括數據採集、數據存取管理、數據處理、狀態監測與異常預警、故障分析與定位、健康狀態評估與預測、安全管控決策等系統應用功能模塊；以航天發射飛行安全控制決策為典型案例，闡述了一種針對動態系統的運行安全控制決策的技術方法和任務流程，並給出了測試及實施結果。

　　本書是作者多年來在該領域從事理論研究與實踐的總結，同時綜合了海內外相關技術理論及工程應用的最新發展動態。內容上力求做到深入淺出，理論與應用並重，具有較強的系統性、完整性、實用性和技術前瞻性。本書作者希望透過從技術理論和工程實踐等方面的詳盡闡述，使廣大讀者能夠從抽象和具象方面對動態系統運行安全性分析與技術有系統和深入的理解和認識。

　　本書第1、7章由柴毅撰寫，第2、6章由張可撰寫，第3章由魏善碧撰寫，第4、5章由毛永芳、柴毅撰寫，全書由柴毅統稿。課題組研究人員重慶大學尹宏鵬教授、郭茂耘副教授、胡友強副教授、屈劍鋒副教授，以及博士研究生朱哲人、唐秋、任浩、李豔霞、劉玉虎、王一鳴、劉博文和碩士研究生賀孝言、朱燕、朱博等在文稿和圖表整理等基礎工作中付出了辛勤的工作，林慶老師做了大量審稿組織工作，這裡一併表示感謝！

　　由於作者水準有限，書中不妥之處在所難免，誠懇廣大讀者批評指正，以便今後改正和完善。