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出版者:

作者:石油化工仪表自动化培训教材编写组 编

出品人:

页数:239

译者:

出版时间:2009-11

价格:35.00元

装帧:

isbn号码:9787511400536

丛书系列:

图书标签:

• 控制科学与技术
• Expertise
• 安全仪表系统
• SIS
• 过程安全
• 自动化控制
• 风险评估
• 功能安全
• IEC 61508
• IEC 61511
• SIL
• 安全控制

复杂系统工程中的先进传感与智能决策：基于物联网与边缘计算的集成方法 图书简介 本书深入探讨了现代复杂系统工程领域中，特别是在工业自动化、智能制造、以及关键基础设施保护方面，先进传感技术、实时数据处理与智能决策机制的集成应用。本书的核心目标是为工程技术人员、研究人员以及相关领域的管理者提供一套系统化、前瞻性的理论框架与实践指南，以应对当前复杂系统对高可靠性、低延迟和自主决策能力日益增长的需求。 第一部分：复杂系统的本质与挑战 第一章：复杂系统的定义、演化与关键特性 本章首先界定了“复杂系统”的内涵，区分了传统控制系统与现代复杂系统在结构、动态行为和不确定性处理上的根本差异。探讨了复杂系统在工业4.0背景下的重新定义，重点分析了系统间的涌现性（Emergence）、非线性（Nonlinearity）以及鲁棒性（Robustness）这三大核心特性。 结构复杂性分析： 从拓扑结构的角度，分析了大规模互联系统中节点与连接的特性，引入了网络科学的基本概念，用以描述系统内部的信息流和耦合度。 动态不确定性建模： 阐述了在面对环境扰动、元件老化和未知交互作用时，如何利用概率论和随机过程来描述系统状态的变化。着重介绍了灰色系统理论在部分信息缺失情况下的应用潜力。 可靠性与韧性（Resilience）： 不仅关注系统在正常运行下的可靠性，更强调其在遭受攻击或重大故障后快速恢复和适应的能力。引入了系统韧性评估的量化指标。 第二章：传统监测与控制范式的局限性 本章回顾了过去几十年工业控制系统（如DCS/PLC为主导的架构）的设计哲学和实施标准。通过对比，清晰地指出了这些传统范式在处理海量、异构数据流、实现跨域协同优化，以及快速应对突发事件方面的不足。 数据带宽与处理时延的瓶颈： 分析了集中式架构中，传感器数据上传至中央处理单元所引入的固有延迟，以及这对于高动态过程控制的致命影响。 感知与执行的解耦问题： 探讨了传统系统中，信息采集层与决策控制层之间界限分明带来的系统响应滞后和信息失真问题。 安全与隔离的挑战： 讨论了物理安全与网络安全融合背景下，传统基于物理隔离的安防措施在面对内生性威胁时的脆弱性。 第二部分：先进传感技术与边缘智能融合 第三章：下一代工业传感器的原理与部署策略 本章聚焦于支撑复杂系统实时洞察力的硬件基础——先进传感器技术。内容涵盖了新型传感机理及其在严苛工业环境下的性能表现。 无源与自供能传感技术： 深入研究了能量采集技术（如振动、温差能采集）在实现无线传感器网络长期、免维护部署方面的潜力，包括超低功耗设计和唤醒机制。 多模态数据融合传感器： 详细分析了集成多种物理量（如温度、压力、振动、化学成分）的复合传感器，以及如何通过硬件层面实现初步的数据降维和特征提取。 高保真度与时间同步： 讨论了确保传感器数据在时间轴上的精确对齐（Time Synchronization）对于状态估计和故障诊断的重要性，并介绍了基于IEEE 1588等协议的实现技术。 第四章：物联网（IoT）架构与工业级互联标准 本章构建了现代复杂系统的数据骨干网络——工业物联网（IIoT）的架构模型，强调了数据传输的可靠性和语义互操作性。 分层与域模型： 介绍了从设备层、网络层到平台层的完整架构，并深入对比了OPC UA, MQTT-SN, DDS等面向不同应用场景的通信协议的优劣势。 数据语义化与本体论： 强调了机器可读性标准的重要性。探讨了如何利用信息模型（Information Models）和领域本体（Domain Ontologies）来消除不同设备间的数据解释歧义，实现真正的跨系统信息共享。 网络韧性与冗余机制： 针对工业现场的电磁干扰和物理损坏，设计了基于Mesh、Ring或Hybrid拓扑的数据冗余传输方案，确保关键数据流的“永不中断”。 第五章：边缘计算（Edge Computing）在实时决策中的作用 边缘计算是本书的重点之一，它解决了云计算在实时性、带宽和隐私保护方面的固有局限。本章详细阐述了如何在数据源头附近部署计算资源。 边缘计算架构设计： 区分了近边缘（Near-Edge）和远边缘（Far-Edge）的部署策略，并讨论了资源受限的边缘设备上的操作系统和虚拟化技术选择。 实时状态估计与预测控制： 阐述了如何利用边缘节点执行卡尔曼滤波（Kalman Filtering）的变体（如扩展卡尔曼滤波 EKF、无迹卡尔曼滤波 UKF）以实现对系统状态的低延迟、高精度估计。 边缘侧的轻量级机器学习模型： 介绍了适用于资源受限环境的模型量化（Quantization）和剪枝（Pruning）技术，使得AI模型（如用于异常检测的Autoencoders）可以直接在现场微控制器上运行，实现毫秒级的初步判断。 第三部分：智能决策与自主优化 第六章：面向复杂系统的基于模型的预测控制（MPC） 本章将焦点从数据采集转向控制策略，详细介绍了MPC作为当前最先进的优化控制方法的原理、实现与挑战。 MPC的原理与算法基础： 详述了优化问题（二次规划/混合整数规划）的构建过程，以及如何将传感器实时反馈的状态信息融入到滚动时域（Receding Horizon）的计算中。 模型精度对MPC性能的影响： 深入分析了模型不确定性（Model Uncertainty）如何影响优化解的质量。引入了鲁棒MPC（RMCC）和随机MPC（SMPC）来应对模型误差和外部干扰。 异构约束处理： 讨论了在复杂系统中，如何同时管理软约束（性能目标）和硬约束（物理限制、安全边界），特别是如何处理非凸约束条件下的求解效率问题。 第七章：基于深度学习的自主故障诊断与剩余寿命预测（RUL） 本章探讨了如何利用大规模历史数据训练深度学习模型，以实现对系统健康状态的深度理解和前瞻性维护。 时间序列深度学习架构： 重点介绍长短期记忆网络（LSTM）和因果卷积网络（TCN）在处理高维度、长依赖性的过程数据中的优势。 迁移学习在系统健康管理中的应用： 讨论了如何利用在一个系统上训练好的诊断模型，通过少量目标系统数据进行快速微调，以适应不同批次或不同工况的设备。 可解释性与信任度（XAI）： 强调了在关键任务系统中，决策的透明度至关重要。介绍了SHAP值和梯度加权类激活图（Grad-CAM）等技术，用于解释模型做出故障诊断或寿命预测的依据。 第八章：系统集成、验证与跨域协同 本章将前述技术融合，讨论大规模工业系统的集成部署、严格的验证过程，以及实现更大范围资源优化所需的协同机制。 数字孪生（Digital Twin）的构建与应用： 阐述了如何将物理系统、边缘计算逻辑和云端优化算法整合到一个高保真度的虚拟模型中，用于“What-if”分析和离线控制策略验证。 形式化验证与安全认证： 针对系统中自主决策部分的安全性，介绍了模型检测（Model Checking）和符号执行（Symbolic Execution）等形式化方法，以数学方式证明关键安全属性的满足性。 跨域资源调度与协同优化： 讨论了如何将局部最优控制策略（边缘侧）提升到全局最优生产计划（云端/企业层级），引入多智能体系统（Multi-Agent Systems, MAS）的概念，实现分布式决策和资源竞争的协调。 本书旨在提供一套将物理世界与数字智能紧密结合的系统化蓝图，帮助读者掌握构建下一代高可靠、高效率复杂系统的关键技术栈。

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书中关于风险评估和 SIL（Safety Integrity Level）评定的章节，是我最感兴趣的部分之一。作者用清晰的语言和详实的图表，一步步地解析了如何识别、分析和量化工业过程中的潜在风险。我之前对 SIL 的理解比较模糊，总觉得它是一个抽象的概念，但通过书中对不同 SIL 等级的定义、评定方法以及对应的硬件可靠性要求，我终于有了一个清晰的认识。作者特别强调了风险评估是一个持续的过程，需要根据生产环境的变化和技术的发展进行动态调整。我从中学习到了如何运用各种定性（如 HAZOP）和定量（如 FTA、ETA）分析工具，来准确地评估事故发生的概率和后果。同时，书中也提供了如何根据评估结果，选择合适的安全仪表功能（SIF）以及确定其所需的 SIL 等级。这对于我理解如何从源头上去设计和优化安全系统，具有非常重要的指导意义。我发现，这不仅仅是技术人员的工作，更需要生产、维护、管理等多个部门的协同合作。作者的讲解非常实用，他甚至提供了一些常用的计算公式和表格，让我感觉自己可以立即将这些知识应用到实际工作中。

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本书的案例分析部分，是我最期待也最受启发的环节。作者挑选了几个不同行业的典型案例，比如炼油厂的紧急泄压系统、化工厂的危险气体泄漏检测与报警系统，以及核电站的反应堆安全控制系统。通过对这些案例的深入剖析，我能够非常直观地理解书中前面提到的各种理论知识是如何在实际工程中得到应用的。作者不仅仅是描述一个系统的功能，而是详细地分析了该系统面临的风险、所采用的安全仪表功能、具体的硬件选型、软件设计思路，以及在实际运行中遇到的挑战和解决方案。我尤其喜欢作者在分析中穿插的“经验之谈”，这些来自于一线工程师的宝贵经验，让我受益匪浅。通过这些案例，我仿佛亲身参与了这些复杂系统的设计和验证过程，对安全仪表控制系统在保障工业生产安全中的关键作用有了更为深刻和全面的认识。

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阅读本书的维护和操作章节时，我意识到一个安全仪表系统，其生命周期并不仅仅停留在设计和安装阶段，而是在其投入运行后的长期维护和管理中，其安全性才能得到持续的保障。作者详细介绍了安全仪表系统的日常检查、定期维护、性能测试以及故障排除等关键环节。我了解到，即使是再完美的系统，如果缺乏有效的维护，其性能也会逐渐衰减，甚至埋下安全隐患。书中对维护人员的资质要求、操作规程以及应急预案等方面都进行了详细的阐述。特别令我印象深刻的是，作者强调了“变更管理”的重要性，任何对安全仪表系统的任何改动，都必须经过严格的审批和验证，以防止引入新的风险。此外，书中还对操作人员的培训和意识培养进行了深入的探讨，因为很多事故的发生，往往与人为因素有关。这让我明白，安全仪表系统的有效运行，离不开技术、管理和人员的共同努力。

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这本书的参考文献和附录部分，展现了作者严谨的学术态度和扎实的专业功底。我看到了作者引用了大量的国内外权威标准、行业规范以及最新的研究成果。这让我对书中内容的可靠性和前沿性有了充分的信心。附录中还包含了一些有用的表格、图示和计算示例，这些都为读者提供了极大的便利，能够帮助我们更好地理解和应用书中的知识。我特别喜欢书中对一些关键术语的解释，这有助于我们在阅读过程中避免产生歧义。总的来说，这本书的整体设计和内容呈现都非常出色，它不仅仅是一本技术手册，更是一部关于工业安全的百科全书。我一定会将这本书作为我后续学习和工作的案头必备，并向我的同行们强烈推荐。这本书的价值，远不止于书本本身，它所传递的“安全至上”的理念，将伴随我在未来的工作中，始终警钟长鸣，为创造一个更安全、更可靠的工业环境贡献自己的力量。

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在本书的总结部分，作者再次强调了安全仪表控制系统在现代工业体系中的核心地位，并对未来的发展趋势进行了展望。我被他对于“主动安全”理念的推崇所打动，这意味着我们不仅仅要被动地应对风险，更要积极地去预防和控制风险。作者也预见了随着人工智能、大数据等技术的发展，安全仪表系统将变得更加智能化、自主化和预测化。我对于这些未来的技术应用充满了好奇和期待，相信它们将为工业安全带来更大的突破。读完这本书，我感觉自己对安全仪表控制系统的理解得到了一个质的飞跃。它不再是一个模糊的技术概念，而是一个完整、严谨、且至关重要的工程学科。这本书不仅为我提供了一套扎实的理论基础，更点燃了我对这一领域深入探索的热情。我非常庆幸能够读到这样一本高质量的专业书籍。

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关于安全仪表系统的硬件组成和选型，这本书也做了非常详细的论述。我了解到，一个完善的安全仪表系统，不仅仅是简单的传感器和执行器，它还包括了冗余设计、故障检测机制以及可靠的通信协议。作者逐一介绍了各种关键的仪表类型，比如温度、压力、流量、液位传感器，以及安全切断阀、报警器等执行机构，并深入分析了它们在不同工况下的性能特点和可靠性指标。特别令我印象深刻的是，书中对冗余设计的必要性和具体实现方式进行了详尽的阐述，比如 1oo1, 1oo2, 2oo3 等不同的配置方式，以及它们在提高系统可用性和降低失效概率方面的作用。此外，作者还强调了硬件故障的检测和诊断能力，以及如何通过自诊断和互锁机制来确保系统的安全运行。这些细节让我对安全仪表系统的“心脏”——硬件部分有了更深刻的认识，也让我明白了为什么在选择这些设备时，必须考虑其专业性和可靠性。

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在阅读到关于安全仪表系统的通信和网络安全部分时，我感到既熟悉又陌生。熟悉是因为我们日常生活中也离不开各种通信网络，陌生是因为工业领域的通信和网络安全，其重要性和复杂程度远远超出了我的想象。书中详细介绍了在安全仪表系统中，如何选择可靠的通信协议，以及如何保证数据传输的完整性和实时性。作者特别强调了工业以太网、现场总线等技术在安全仪表系统中的应用，以及如何通过冗余通信链路和故障检测机制来提高通信的可靠性。更重要的是，书中还对网络安全问题进行了深入的剖析。在当今信息化的时代，工业控制系统面临着来自外部的各种网络攻击，一旦被攻破，后果不堪设想。作者介绍了如何通过防火墙、入侵检测系统、访问控制等手段，来构建坚固的网络安全防线，确保安全仪表系统不被非法访问和篡改。这让我对工业自动化系统的“免疫力”有了更深的认识。

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这本书的引言部分，作者以一种非常具有启发性的方式，勾勒出了现代工业发展与安全挑战并存的宏大背景。我立刻被他对于“安全”定义的广度和深度所吸引，它不仅仅是避免事故的发生，更是对人员生命、财产以及环境的全面保护。作者没有一开始就陷入枯燥的技术细节，而是通过一些生动的例子，比如历史上著名的工业事故，来强调建立健全安全管理体系的紧迫性和重要性。我尤其欣赏他对于“系统性风险”的阐述，这种风险往往不是由单一因素引起，而是多个环节失误叠加的结果。这让我意识到，要真正实现安全，必须从整体上去审视和设计每一个环节。书中对“仪表控制系统”在风险预防中的角色进行了深入浅出的介绍，我了解到这些系统并非简单的自动化工具，而是承载着保障生产安全的关键责任。它通过实时监测、逻辑判断和自动干预，能够在第一时间发现异常并采取措施，从而避免事故的升级。读完这部分，我感觉自己对安全仪表控制系统的认识不再局限于技术层面，而是上升到了一个更高的战略和管理层面。我对书中后续如何详细介绍具体的技术实现和管理方法充满了期待，我相信它将为我提供一套系统性的解决方案。

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本书对于安全仪表系统的软件设计和编程，也有着非常深入的探讨。我一直认为，软件是安全仪表系统的“大脑”，它负责接收来自仪表的信息，进行逻辑判断，并发出控制指令。书中对安全仪表软件的开发原则、编程语言的选择以及故障安全设计进行了详细的介绍。我了解到，与通用控制系统不同，安全仪表系统对软件的可靠性和安全性有着极其严苛的要求。作者详细介绍了如何通过结构化的编程、模块化设计、严格的编码规范以及充分的测试来降低软件缺陷的引入。特别让我印象深刻的是，书中对“故障安全”（Fail-Safe）和“故障可控”（Fail-Operational）的概念进行了区分和阐述，以及如何在软件层面实现这些设计目标。他还介绍了各种安全认证的软件开发流程，以及如何保证软件在面临各种异常情况时，能够做出正确的、安全的响应。这让我意识到，开发一个安全可靠的仪表控制软件，需要深厚的专业知识和严谨的工作态度。

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这本书的封面设计非常吸引人，色彩搭配沉稳大气，整体风格透露出一种严谨和专业的气息。当我第一次拿到这本书时，就被它厚实的纸张和精致的装帧所吸引，这似乎预示着里面内容的深度和含金量。书名“安全仪表控制系统”本身就带着一种技术性的光环，让人好奇它究竟是如何将“安全”与“仪表控制”这样两个看似独立的领域巧妙地结合在一起的。在阅读之前，我脑海中就已经勾勒出了一幅关于工业自动化、风险管理以及复杂系统设计的图景。我猜想，这本书会带领我深入了解那些在石油化工、核能、电力等高风险行业中至关重要的系统，它们是如何通过精密的仪表监测和智能的控制逻辑，将潜在的危险扼杀在摇篮之中的。我期待能够从中学习到关于功能安全标准、SIL评定方法，以及各种仪表设备和控制策略的具体应用。同时，我也希望这本书能够提供一些实际案例分析，让我能够更直观地理解理论知识是如何在现实生产环境中落地，并发挥其关键作用的。这本书的份量和内容的专业性，让我觉得它不仅仅是一本教科书，更像是一位经验丰富的工程师在娓娓道来，分享他对于工业安全理念的深刻理解和实践经验。我迫不及待地想翻开它，开启这段学习之旅，探寻保障现代工业安全运行的秘密。

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