裝載機故障診斷知識獲取及推理策略

摘 要：分析裝載機的故障知識的特點，就裝載機的故障知識表示問題進行了討論，提出采用產生式的規則形式來表達知識。將規則分成一級規則和二級規則，討論了對兩類規則的獲取。特別針對二級規則，提出了采用基于粗糙集理論的知識獲取，可形成包含多個約簡信息的可容錯的二級混合規則庫，用作后續故障診斷的知識庫。給出了整個故障診斷的流程。

關鍵詞：故障診斷；知識獲取；推理；裝載機

中圖分類號：N1文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）07-0365-02

1 裝載機故障知識總結

1.1 故障知識的特點

一般來講裝載機診斷系統的知識主要來源于維修領域專家對裝載機結構、功能的分析研究，故障機理的分析和故障特征的提取。對于不同的維修人員，往往根據自己以往的診斷經驗而形成不同的認識和診斷的先后步驟，因此裝載機故障診斷的經驗知識具有如下特點：載機故障診斷知識是維修專家經過長期的維修實踐之后的經驗總結，知識之間具有很強的耦合關系，不能形成很好的體系。由于對這種知識常常缺乏本質性的認識，在很多情況下即使專家本人也難以清楚地表達出來.經驗知識往往采用自然語言描述，無法精確量化和進行有效的計算.信息參數的獲得受檢驗手段的限制，一部分的信息需要通過人的感觀器官來獲得（稱之為故障現象），因而具有很強的主觀性，不同的人可能做出不同的判斷.工況運行條件變化導致癥狀的變化，使診斷知識具有一定的動態特性，多種隱含故障的癥狀交叉、相互干擾，呈現多個特征。

1.2 故障知識的表示

由于對于不同的診斷領域，在智能診斷問題的描述、診斷信息的類型與獲取等諸方面的不同因素，往往導致對于一個領域、一類設備非常有效的知識表示方法，對于另一個領域、另一類設備則可能完全不適用。選擇一種適當的知識表示方法往往能夠使整個診斷系統的知識更為清楚、更有條理、易于維護，更能準確地模擬人類專家實際故障診斷的思維和方法，從而使推理機能更簡潔、快速的方法得出問題的解。

1.2.1 裝載機知識的分類

從知識的作用范圍來劃分，知識可分為：常識性知識和領域性知識。常識性知識是通用性的知識，即問題領域的事實、定理、方法和操作等常識性知識及原理性知識；領域性知識是專家在長期的領域研究和處理領域問題的過程中，實踐經驗的概括和總結，它來源于專家的實踐又指導著專家的實踐，是專業性知識。

從知識的作用及表示來劃分，知識可分為：描述性知識、過程性知識、控制性知識。描述性知識用于描述領域內的有關概念、事實、事物的屬性等。例如裝載機的部位知識、傳感器知識、標準值知識、故障對策知識、診斷原因（結果）知識等；過程性知識主要是表示描述性知識的特性及它們之間的相互聯系，用于指出如何處理與問題相關的信息以求得問題的解。過程性知識一般是由領域內的規則、定理及經驗構成。

1.2.2 裝載機知識的表示

基于前面分析的裝載機故障診斷知識的特點，知識庫里的所有過程性知識的表示形式都采用產生式知識表示方法。產生式知識表示法用“IF條件THEN結論”的規則形式捕獲人類問題求解的行為特征，并通過認識-行動的循環過程求解問題。它具有直觀、自然的優點，比較符合人類的邏輯思維規律，容易理解，易于表達。

①產生式表示法的基本形式：產生式通常用于表示具有因果關系的知識，其基本形式是：

p→Q或者：IF PTHENQ

其中，P是產生式的前提，如前提、狀態、原因等，是用于指出該產生式是否可用的條件；Q代表結果，如結論、動作、后果等，用于指出當前提P所指示的條件被滿足時，應該得出的結論或應該執行的操作。整個產生式的含義是：如果前提P被滿足，則可推出結論Q或執行Q所規定的操作。

②裝載機診斷規則的分類：推理機通過將故障征兆信息和知識庫中的規則知識匹配來進行故障診斷，本文所使用的規則可分為兩級：一級規則是用來縮小搜索范圍，定位相應的二級規則知識的診斷知識；一級規則是一種控制性的知識，表述推理機在故障診斷推理過程中對二級規則知識庫搜索、故障診斷起控制作用的規則。該規則是在取得故障現象后縮小知識的搜索范圍，指導二級知識搜索過程的規則。此類規則用于實現對問題的近似求解，二級規則是通過粗糙集理論從故障樣本中提取出來的可容錯的診斷知識。

通過基于粗糙集理論進行學習、提取所得到的一種規則，是用來與發生故障時收到的故障征兆信息作匹配，對故障原因進行確認，對診斷問題進行精確求解。如有這樣一條規則：如果開關量1開，開關量2開，報警量1報警，狀態量2正常，則故障原因為原因1。

2 裝載機故障診斷知識的獲取

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針對一級、二級規則的不同特點，筆者提出了人工知識獲取與自動知識獲取相結合的方法來進行裝載機診斷知識的分層獲取。

2.1 一級規則知識

裝載機具有復雜化、模塊化的特點，按照一定層次結構組成。故障也就表現出層次性，同時在一定的范圍內又存在關聯性。按照常規的系統分類方法，可以將整個裝載機分為發動機、制動系統、液壓工作系統、電氣系統等幾大系統。然后對系統又可以進一步的劃分，即表現為層次結構。進一步深入分析裝載機的常見故障分類，不難發現組成裝載機的各個子系統的許多零部件（如工作泵、轉向泵等），它們之間往往存在著耦合，甚至是有機的一體，即表現為關聯性。對于同一故障現象，導致其發生的原因可能很多。而同樣一個零部件的損壞在不同的操作工況環境下也可能表現出不同的故障現象，這樣就使得故障現象與故障原因之間形成了一種的復雜的網狀關系。

筆者采用層層分解的辦法來進行一級規則的人工獲取。該方法首先從整機結構的角度出發作出劃分（如表1所示），然后再在各功能模塊的基礎上找出各種可能的故障現象，最后針對各個部位的每種故障現象就可以得出各種可能的原因，由此形成一級的規則知識。對于一級規則知識在不影響表達的情況下用表2的方式來表示：

該方法很符合人類專家的診斷習慣。診斷專家在進行裝載機的故障診斷時，總是先碰上故障現象（可以被人直接感受到的故障征兆），得出各種可能的故障原因，然后再通過自己的經驗，輔之以各種必要的檢測，對存在的故障原因進行確認，依次逐步進行。一級規則即是模擬診斷專家的這種診斷方式得到的，充分地考慮了維修人員的維修習慣。在一級規則的基礎上筆者再進行二級規則知識決策樣例的收集，這樣既簡化了決策表的知識約簡，又充分使得推理時對規則知識的應用更加方便、高效。

2.2 二級規則知識

對于裝載機二級規則的知識獲取可以歸結為如下的步驟：（1）解裝載機的組成構造和工作原理，在一級規則知識的基礎上構造決策表的決策屬性；（2）樣例屬性參數的選取。裝載機的工況信息很多，不可能全部選取；（3）創建相關的目標數據集（原始樣例庫），即需要知識獲取的數據樣本；（4）使用前面描述的約簡算法對數據約簡，包括屬性約簡和值約簡；（5）混合規則知識庫的生成。對各個約簡表進行混合，生成的規則經專家評估檢查后存入知識庫中。粗糙集理論自動獲取二級規則的流程如圖1所示：

3 故障診斷推理

利用前面生成的一級規則、混合二級規則庫，就可以利用其來進行診斷。采用基于正向反向混合推理的方法，首先由用戶輸入要診斷的部位、故障現象得到所有可能的故障原因集；然后針對故障原因集中的每個故障原因將獲得的故障征兆與混合二級規則庫進行匹配確認，匹配成功加入輸出結果集中。當故障原因集為非空時輸出診斷結果集，診斷結束。故障診斷的流程如圖2所示：

參考文獻

［1］吳今培，肖健華.智能故障診斷與專家系統［M］.北京：科學出版社，2007.

［2］潘丹，鄭啟倫，翁向輝.一種基于粗糙集理論的知識獲取方法及其在故障診斷中的應用［J］.中國電子學會.2006，（17）.

［3］陳衛鋼，周建中，常黎.基于專家系統的水電機組振動故障診斷研究［J］.華中科技大學學報，2006，（6）.