本发明涉及安全防护设备，具体为一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统。
背景技术：
1、生物安全密闭门作为高等级生物安全实验室的核心设备，在控制气流流动和维持压力平衡方面发挥着关键作用，能够有效防止生物污染外泄，确保实验室的安全运行。充气式生物安全密闭门工作原理主要依赖于电磁锁与门板侧边凹槽结构内的充气密封条的协同作用，实现紧密锁合与高效密封。当门关闭时，控制器会自动感应并触发充气密封条进行充气膨胀，确保门页与门框之间达到无缝密封与锁紧状态；在门开启时，充气密封条则会放气收缩至凹槽内，使门板与门框之间处于解锁状态，便于开启操作。如申请号为cn202222219184.3的专利，其公开了本司正在使用中的一种生物安全密闭门。
2、然而，现有技术中对于充气式生物安全密闭门的设备维护工作主要依赖于定期维护或故障发生后的紧急维护，定期维护时通常通过检测房间围护结构的整体密封性来推断生物密闭门的性能，很容易出现漏检的问题，而一旦故障发生后再紧急维护则极有可能发生安全问题。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中对于充气式生物安全密闭门的设备维护工作主要依赖于定期维护或故障发生后的紧急维护，容易发生安全问题的问题，本发明提供一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其可以提前预测故障的发生，实现主动维护与故障预警，进而大幅提升设备运行的可靠性，确保生物安全环境的安全与稳定。
2、本发明的技术方案是这样的：一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于，其包括：压力传感器、监测模块、服务器和人机交互显示终端；
3、所述压力传感器设置在生物密闭门上；所述监测模块基于所述传感器和生物密闭门的气源配套组件采集生物密闭门的实时运行参数的数据，并将数据传输至所述服务器；
4、所述实时运行参数包括：囊压、进气状态参数和门框接触面实时接触压力；所述进气状态参数包括：气体流量、气体温度和气体压力；
5、所述服务器接收监测模块的实时运行参数，并通过指标分析单元与故障预测单元进行处理分析，生成密闭门性能状态及故障预警信息，并将故障预警信息发送至人机交互显示终端；
6、所述服务器包括：指标分析单元和故障预测单元；
7、所述指标分析单元基于实时运行参数进行计算得到特征参数，再基于所述特征参数计算得到平均累积变化率；所述特征参数包括：气囊工作容积、囊压变化率和判断用接触压力值；所述平均累积变化率包括：气囊工作容积平均累积变化率和判断用接触压力值平均累积变化率；
8、所述故障预测单元中设置了生物密闭门疲劳寿命预测模型，所述生物密闭门疲劳寿命预测模型的输入参数包括：气囊工作容积、判断用接触压力值和囊压，输出为：每个所述输入参数对应的预测动态变化曲线和气囊疲劳寿命的预测极限时间；所述预测动态变化曲线的横坐标为：充放气次数，纵坐标为：输入参数；
9、所述故障预测单元中执行故障判断操作，具体包括：
10、将所述囊压与预设的囊压阈值进行比较；如果囊压超过囊压阈值，则：触发超压指令，执行泄压动作；
11、将所述囊压变化率与预设的变化率阈值进行比较；如果囊压超过变化率阈值，则触发快泄露指令，执行补压动作，维持密门框接触面实时接触压力不小于气囊工作压力，并发送快泄漏紧急预警信息到所述人机交互显示终端；
12、将所述气囊工作容积平均累积变化率与预设的气囊工作容积平均累积变化率阈值进行比较，如果气囊工作容积平均累积变化率超过对应的阈值，则发出慢泄漏预警信号，并发送慢泄漏预警信息到所述人机交互显示终端；
13、将所述判断用接触压力值平均累积变化率与预设的判断用接触压力值平均累积变化率阈值进行比较，如果判断用接触压力值平均累积变化率超过对应的阈值，则发出气囊疲劳寿命预警信号，并读取生物密闭门疲劳寿命预测模型输出的所述气囊疲劳寿命的预测极限时间和所述预测动态变化曲线，发送给所述人机交互显示终端；
14、所述人机交互显示终端包括：交互单元和预警管控单元；
15、所述预警管控单元接收所述服务器生成的故障预警信号后，执行的处理包括以下内容：
16、故障预警信号为所述快泄漏紧急预警信息时，人机交互显示终端显示生物密闭门快泄漏紧急处理需求，联动实验室紧急报警系统，发出紧急警报并提示工作人员紧急撤离；
17、故障预警信号为所述慢泄漏预警信息时，显示密闭门慢泄漏处理需求；
18、故障预警信号为所述气囊疲劳寿命预警信号时，显示所述气囊疲劳寿命的预测极限时间、所述预测动态变化曲线和密闭门气囊疲劳寿命处理需求；
19、所述交互单元接收维修人员输入的维修记录，以及向所述服务器反馈相应的维修记录。
20、其进一步特征在于：
21、所述服务器中还包括：故障信息库；
22、所述指标分析单元基于所述特征参数和所述平均累积变化率绘制对应的数据曲线，并将所述数据曲线和对应的数据同时都存储所述故障信息库；
23、所述数据曲线包括：每个特征参数对应的单因素时序曲线和单因素故障曲线，以及指定的特征参数对应的特征参数变化曲线和平均累积变化率曲线；
24、所述单因素的时序曲线描述实时采集到的每一个特征参数按照时序进行数据处理后得到的曲线，其横坐标为采集时间，纵坐标为单一的特征参数；
25、所述单因素故障曲线记录了以故障点为中心进行绘制，每一个特征参数按照时序进行数据处理后得到的曲线，其横坐标为采集时间，纵坐标为单一的特征参数；
26、所述特征参数变化曲线记录了指定的特征参数随着充放气次数的增加的数值变化规律，其横坐标为充放气次数，纵坐标为单一的特征参数；
27、所述平均累积变化率曲线记录了指定特征参数对应的平均累积变化率随着随着充放气次数的增加的数值变化规律，其横坐标为充放气次数，纵坐标为单一的平均累积变化率；
28、所述气囊工作容积平均累积变化率阈值和所述判断用接触压力值平均累积变化率阈值的设置方法，具体包括以下步骤：
29、a1：读取平均累积变化率曲线；
30、a2：确认当前的充放气次数；
31、如果当前充放气运行次数未满50次，将已运行的全部次数为设置为计算步长；
32、否则，以50次充放气次数为计算步长；
33、a3：从零点开始在所述平均累积变化率曲线上取一个数据点，记作：待确认数据点；
34、a4：确认所述待确认数据点在所述平均累积变化率曲线上向零点方向的曲线斜率，记作：趋势斜率；
35、a5：判断所述趋势斜率的值的正负；
36、如果计算得出的所述趋势斜率大于0时，将数据点记作：标记点，执行步骤a6；
37、否则，当所述趋势斜率小于等于0时，读取所述待确认数据点的下一个点，记作：待确认数据点，循环执行步骤a4～a5；
38、a6：从所述标记点开始，向零点方向连续确认一个所述步长区间内的所有数据点的所述趋势斜率，判断是否每一个点对应的所述趋势斜率都满足预设的阈值设置条件；
39、如果是，则实施步骤a7；
40、否则，实施步骤a8；
41、a7：读取所述标记点的对应的纵坐标值，将其设置为平均累积变化率阈值，结束本次计算；
42、a8：读取所述标记点的下一个数据点，记作：待确认数据点，循环执行步骤a4～a8，直至所述平均累积变化率曲线上所有的数据点都参与过计算后，结束计算；
43、所述阈值设置条件包括：
44、当所述平均累积变化率曲线为气囊工作容积对应的平均累积变化率曲线时，所述阈值设置条件为：趋势斜率大于0；
45、当所述平均累积变化率曲线为判断用接触压力值的平均累积变化率曲线时，所述阈值设置条件为：趋势斜率小于0；
46、所述特征参数的计算方法包括：
47、所述气囊工作容积计算方法如下：
48、
49、其中，tw为气囊工作温度，pw为气囊工作压力，pk为第k时刻气源端的进气压力，qk为第k时刻气源端的进气流量，δtk为第k时刻气源端进气状态距上一采集时刻的时间间隔，tk为第k时刻气源端的进气温度；n是一次充气完成时的数据采集时刻；
50、所述囊压变化率计算方法如下：
51、
52、其中，pi+1为第i+1时刻的囊压，pi为第i时刻的囊压，δt为囊压采集周期时长；
53、所述判断用接触压力值的计算方法如下：
54、
55、其中，σi为第i次气囊充气完成时门框接触面的接触压力，σim为第i次气囊充气完成时门框上设置的第m个接触式压力传感器的实时监测值；
56、所述平均累积变化率的计算方法为：
57、
58、其中，xi为第i次气囊充气完成时得到的特征参数；j为正整数，j≤i；
59、所述生物密闭门疲劳寿命预测模型基于非线性支持向量机构建；
60、支持向量机的核函数选用径向基函数rbf，对模型参数对(c,σ)进行网格搜索，然后对选定参数使用交叉验证法计算最小化均方差mse，以mse全局最小值为目标寻取最优的参数对，确认步长m，惩罚因子c，径向基函数参数γ；
61、rbf核函数表达式为：
62、
63、其中，(x,y)为训练预测模型的一组数据样本，σ为核函数宽度参数；
64、mse表达式为：
65、
66、其中，n为数据集中样本的数量，yi*为第i个样本的真实值，yi表示第i个样本的预测值；
67、所述生物密闭门疲劳寿命预测模型训练中基于k折交叉验证方法对模型进行评估。
68、本技术提供的一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其通过传感器和生物密闭门的气源配套组件采集生物安全密闭门的实时运行参数的数据，基于实时采集的参数采用直接监测方式，实现对密闭门在使用过程中气密性能的精准评估；通过对实时运行参数计算得到体现生物密闭门运行状态的特征参数和特征参的平均累积变化率，基于状态量的变化和故障征兆进行综合分析判断，有效避免因单变量控制及监测可能引发的故障漏报风险；通过提前设置的参数阈值，实现提前预测故障的发生，实现主动维护与故障预警，进而大幅提升设备运行的可靠性，确保生物安全环境的安全与稳定；通过设置生物密闭门疲劳寿命预测模型，对生物密闭门疲劳寿命进行预测，提前判断生物密闭门的使用寿命，为生物密闭门更换预留足够的时间，降低突然更换生物密闭门引起安全事故发生的概率。
1.一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于，其包括：压力传感器、监测模块、服务器和人机交互显示终端；
2.根据权利要求1所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述服务器中还包括：故障信息库；
3.根据权利要求2所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述数据曲线包括：每个特征参数对应的单因素时序曲线和单因素故障曲线，以及指定的特征参数对应的特征参数变化曲线和平均累积变化率曲线；
4.根据权利要求1所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述气囊工作容积平均累积变化率阈值和所述判断用接触压力值平均累积变化率阈值的设置方法，具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述阈值设置条件包括：
6.根据权利要求1所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述特征参数的计算方法包括：
7.根据权利要求1所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述平均累积变化率的计算方法为：
8.根据权利要求1所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述生物密闭门疲劳寿命预测模型基于非线性支持向量机构建；
9.根据权利要求8所述一种生物安全密闭门智能故障诊断及预警系统，其特征在于：所述生物密闭门疲劳寿命预测模型训练中基于k折交叉验证方法对模型进行评估。
