基于產生式規則和演繹推理的自動變速器診斷系統研究

張培明，馬樂群，王春林

（濰坊科技學院，山東 濰坊 262700）

產生式這一術語是由美國數學家E.Post在1943年首次提出來的。1972年，紐厄爾和西蒙在研究人類的知識模型中開發了基于規則的產生式系統，產生式規則表示法具有便于推理的自然性、便于對規則庫進行模塊化處理、便于用統一的表示模式表達專家系統中多方面知識有效性和格式的規范性。產生式規則表示法已成為目前人工智能中應用最多的一種知識表示模式。隨著人工智能的發展，專家系統用于復雜系統的故障診斷成為人工智能一個重要的應用領域。

1 專家系統結構方案設計

知識庫包括用于存儲電控自動變速器的數據庫和規則庫。數據庫用于存儲結構與工作原理知識、專家經驗知識，規則庫用于存儲故障診斷規則。推理機是專家系統的核心，根據故障現象判斷故障類型，分析故障原因，并提出故障排除措施。電控自動變速器故障診斷專家系統診斷過程是一個多級目標推理過程。推理過程按照元知識控制目標的執行順序，對規則庫進行搜索匹配。系統以黑板作為信息傳輸的介質，以實現各部分之間的信息交換。

2 知識庫設計

專家系統知識庫設計主要包括事實數據庫設計和規則庫設計。

2.1 事實數據庫設計

2.1.1 電控自動變速器結構和性能數據庫

電控自動變速器由液力變矩器、行星齒輪變速器、液壓控制子系統、電子控制子系統和操縱機構五部分組成。不同型號的電控自動變速器在組成、結構、性能上存在很大差異，因此應分別建立相應的數據庫，采用分層框架網絡表示法。

2.1.2 故障類型數據庫

首先對電控自動變速器可能發生的故障進行列舉和分析，然后將全部故障類型定義為一個故障集合，用一個歐氏向量 S表示：

Si為第i種故障類型，n表示故障類型的總數。型號A（例如，01N型）電控自動變速器故障類型可以做出集合。

2.1.3 故障原因數據庫

同樣，將引起這些故障的原因、故障部位定義為一個故障原因集合，用一個歐氏向量X表示：

2.1.4 故障排除措施數據庫

針對診斷出的不同的故障類型、故障原因，制定相應的故障排除措施指導。例如，油面過低X14，故障排除措施為添加變速器液。又如，電控單元失效X23，故障排除措施為更換。

2.2 規則庫設計

根據電控自動變速器的工作原理，分析各種故障原因與故障的邏輯關系，制定正向推理規則，部分故障類型與故障原因的映射關系。

根據故障類型與故障原因的映射關系，制定的產生式正向推理規則，例如：

Rule F01: if S01then X05OR X06OR X25

Rule F02: if S02then X03OR X14

……

根據故障原因與故障類型的映射關系，制定的產生式正向推理規則，例如：

Rule B01: if X01AND X30then S16

Rule B02: if X01AND X30then S17

……

3 故障診斷專家系統推理機設計

3.1 與/或形正向演繹推理

電控自動變速器故障診斷專家系統診斷過程是一個多級目標推理過程。主要包括總目標的推理過程、次級目標的推理過程。與/或形演繹推理是基于經典邏輯的一種推理，其真值只有真和假兩種，是一種精確性推理。

與/或形正向演繹推理要求已知事實不用蘊含符號“→”的與/或形表示，將所有事實表達式變換為與/或形。

故障原因與故障類型的映射關系，制定的產生式逆向推理規則。根據事實數據庫中給出的假設，反向使用規則，即把規則的后件與當前數據庫的內容進行匹配，若有多條規則可用，則按規則消除策略從中選擇一條規則執行，將執行規則的結論添加到綜合數據庫中，直至問題求解或沒有可用規則。

3.2 搜索匹配策略

電控自動變速器故障診斷專家系統規則匹配流程顯示，用戶通過人機界面輸入故障特征，將搜索策略采用寬度優先搜索策略，從初始節點S1開始逐層對節點進行擴展，并考察它是否為目標節點。OPEN表中的節點總是按進入的先后順序排列。

3.3 沖突消除策略

當已知故障類型與規則庫中的多個規則匹配時，采用針對性排序的方法消除匹配沖突策略，選用針對性較強的產生式規則。當已知故障類型不能與規則庫中的規則匹配時，需要對規則庫補充新規則。否則，匹配失敗。

3.4 軟件結構

故障診斷系統采用Visual Basic 6.0 and ACCESS 數據庫等開發工具進行開發。軟件包括故障類型診斷模塊、知識庫模塊和系統幫助模塊三部分，具有通用性和可移植性，界面友好，同時支持多種數據庫的應用。

3.5 專家系統推理機實例應用與試驗驗證

為驗證故障診斷專家系統的有效性，對捷達轎車01N型電控自動變速器故障采用模擬故障的方法進行了實驗驗證，實驗測試結果表明，診斷結果與實際故障基本一致，但某些故障出現誤診，其主要原因有：數據庫和規則庫有待完善，需要借鑒等維修經驗；缺少故障出現時機和運車輛行狀態約束條件。

1 張代勝、王悅、陳朝陽.融合實例與規則推理的車輛故障診斷專家系統［J］.機械工程學報，2002（7）：91～95