船舶壓縮制冷裝置故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

薛海龍 路詩(shī)奎 王 歡

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇 南通226006；2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

作為船舶的重要輔助設(shè)備，船舶伙食冷庫(kù)和空調(diào)裝置的正常運(yùn)行對(duì)保證船員的生活、工作條件和降低能耗都具有重要的意義。然而，由于船舶運(yùn)輸?shù)奶厥庑砸约按瑔T對(duì)制冷裝置不規(guī)范的操作，使得制冷裝置出現(xiàn)故障的可能性大增，勢(shì)必影響到全船人員的生活和工作。本文結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜业膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)船舶壓縮制冷裝置的一些故障現(xiàn)象及其處理過(guò)程逐一進(jìn)行分析，提出了船舶制冷裝置故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，希望能對(duì)相關(guān)工作人員提供一定的幫助。

1 機(jī)械故障診斷技術(shù)的發(fā)展及其意義

現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)備正向著大型化，集成化、高速化，連續(xù)化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，其組成和結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，這就相應(yīng)的對(duì)設(shè)備的故障診斷提出了更高的要求。故障診斷（Fault Diagnosis）技術(shù)是一門(mén)新興的科學(xué)技術(shù)。故障診斷研究的直接目的是為了提高診斷的精度和速度、降低誤報(bào)率和漏報(bào)率、確定故障發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間和部位，并估計(jì)出故障的大小和趨勢(shì)［1］，并針對(duì)具體情況做出維護(hù)決策。隨著計(jì)算機(jī)處理能力的飛速發(fā)展，以及人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使設(shè)備維修也達(dá)到了智能化的程度［2］。

2 故障診斷專家系統(tǒng)的含義和組成

2.1 專家系統(tǒng)及其發(fā)展

專家系統(tǒng)（ES）是人工智能技術(shù)（AI）的一個(gè)重要分支，是將人類在故障診斷方面的專家所具有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、推理、技能等綜合后編制成計(jì)算機(jī)程序。專家系統(tǒng)必須包含領(lǐng)域?qū)＜业拇罅恐R(shí)，擁有類似人類專家思維的推理能力并能用這些知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題［3］［4］。它可以利用計(jì)算機(jī)程序幫助人們分析解決復(fù)雜問(wèn)題并能夠與決策者進(jìn)行“交流”［5］，并應(yīng)用相應(yīng)的推理方式提供維修建議。專家系統(tǒng)在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。

2.2 本系統(tǒng)基于故障樹(shù)的船舶制冷裝置故障分析的設(shè)計(jì)思路

由于船舶制冷裝置系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，容易出現(xiàn)知識(shí)的匹配沖突情況。其故障種類繁多，采用故障樹(shù)分析法分析并解決故障是一個(gè)有效的解決途徑。故障樹(shù)分析法 （FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis）是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹(shù)枝狀逐級(jí)細(xì)化的分析方法。把已發(fā)生的事件稱為頂事件，勿需再深究的事件稱為底事件，介于二者之間的一切事件稱為中間事件，然后用相應(yīng)的符號(hào)代表這些事件，再用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T(mén)把各事件聯(lián)結(jié)成樹(shù)形圖，就是故障樹(shù)［6］［7］。本系統(tǒng)的故障樹(shù)結(jié)構(gòu)可用如下圖1所示。

對(duì)應(yīng)于圖1所示的故障樹(shù)，系統(tǒng)故障被稱為故障樹(shù)的頂事件，本系統(tǒng)以符號(hào)Fn表示，各元件故障被稱為底事件，本系統(tǒng)用Cn表示。為了便于分析，我們假設(shè)系統(tǒng)及各部件都只有正常或失效兩種狀態(tài)，則底事件可定義為：

圖1 本系統(tǒng)所使用的故障樹(shù)分析結(jié)構(gòu)示意圖

若頂事件的狀態(tài)用Ф表示，則其必然是底事件的狀態(tài)x（x＝C1，C2，..）的函數(shù)，即

Ф＝F（x）（x＝C1，C2，..）

2.3 本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)框架

構(gòu)建專家系統(tǒng)時(shí)，首先要獲取該領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)；再進(jìn)一步概括，形成概念并建立起各種關(guān)系，形成較為完善的故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)；接著把這些知識(shí)符號(hào)化，用合適的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)知識(shí)組織和求解問(wèn)題的推理機(jī)制，建成專家系統(tǒng)的原型系統(tǒng)；最后通過(guò)測(cè)試評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)以獲得預(yù)期的效果［8］。根據(jù)以上的功能要求，通常所建造的專家系統(tǒng)必須包括：數(shù)據(jù)庫(kù)（儲(chǔ)存已有的知識(shí)）、推理程序（由故障現(xiàn)象找出原因）、解釋程序（將原因顯示為結(jié)論或維修建議）以及知識(shí)獲取程序（用新的知識(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)）［9］。在處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，專家系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)出發(fā)，調(diào)用知識(shí)庫(kù)中的相應(yīng)知識(shí)，經(jīng)過(guò)推理程序來(lái)獲得所需要的結(jié)論，最終提供維修建議。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

3 本系統(tǒng)故障庫(kù)及故障點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 船舶壓縮制冷系統(tǒng)的系統(tǒng)特點(diǎn)

船舶上采用壓縮制冷，其核心原理可簡(jiǎn)單描述為：液體氣化吸熱，且液化和氣化都和作用在其上的壓力有關(guān)。主要部件有壓縮機(jī)（Compres－sor）、冷凝器（Condenser）、節(jié)流（Throttle Valve）或膨脹裝置（Expansion Device）、蒸發(fā)器（Evaporator）等組成封閉的制冷循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑則在系統(tǒng)中循環(huán)工作。本系統(tǒng)所描述的船舶壓縮制冷裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示：

圖3 船舶壓縮制冷裝置原理圖

3.2 本系統(tǒng)的故障點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了能夠更好地完成必要的功能，并適應(yīng)船舶航行的特殊要求，現(xiàn)實(shí)中使用的壓縮制冷裝置要復(fù)雜很多。因此需要檢測(cè)的位置也很多，而且會(huì)因具體的布置而不同。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，領(lǐng)域?qū)＜医o出了一些常用的監(jiān)測(cè)位置。單就壓縮機(jī)一項(xiàng)來(lái)說(shuō)，就需要有如下幾個(gè)監(jiān)測(cè)位置：吸入壓力和溫度，排出壓力和溫度，滑油壓力，滑油液位，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，冷卻水進(jìn)口出口溫度；至于其他元件如冷凝器，蒸發(fā)器等，受篇幅限制不再一一敘述。具體簡(jiǎn)圖如圖4所示：（圖中標(biāo)有sensor的即為監(jiān)測(cè)位置）

3.3 本系統(tǒng)的故障信息庫(kù)設(shè)計(jì)

為構(gòu)建本系統(tǒng)，我們借鑒領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)［10］，制作出船舶壓縮制冷裝置故障庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)匯集了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大部分故障，分析了可能的原因，并提供了解決方案以供參考。該數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)隨著新發(fā)故障的增多而變得越來(lái)越完善。數(shù)據(jù)庫(kù)部分?jǐn)?shù)據(jù)表如下表1、表2、表3所示。

表1 船舶壓縮制冷裝置故障匯總數(shù)據(jù)庫(kù)（局部）

表2 針對(duì)故障F2的故障原因庫(kù)

表3 針對(duì)故障F2的故障原因的解決方案信息庫(kù)

4 故障診斷專家系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)框架設(shè)計(jì)

4.1 V B＆ACESS軟件的數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用Visual Basic 6.0作為前臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，Access作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)。具體步驟為：在Access中將空白的數(shù)據(jù)庫(kù)建立好之后，可以選擇控制面板／管理工具／數(shù)據(jù)源（ODBC），打開(kāi)“ODBC數(shù)據(jù)源管理器”，創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，然后，前臺(tái)與后臺(tái)之間通過(guò)ADO（Active Data Objects）進(jìn)行關(guān)聯(lián)。［11］

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：將故障庫(kù)中的故障分別設(shè)為代碼Fn（n為自然數(shù)），第一級(jí)原因代碼Cn，次級(jí)原因設(shè)為CnCm（m為自然數(shù)），以此類推。解決方法代碼設(shè)為Rn，次級(jí)原因?qū)?yīng)的解決方法代碼設(shè)為RnRm（m為自然數(shù)），以此類推。其編碼思路如下圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件代碼結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 軟件的基本功能模塊設(shè)計(jì)

為了便于用戶使用，且使系統(tǒng)功能盡可能的完善，開(kāi)發(fā)的船舶壓縮制冷裝置故障診斷專家系統(tǒng)包括六個(gè)模塊，如下圖6所示。

圖6 本系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 本系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)控制界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的界面是機(jī)艙管理人員與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通訊接口，借助于界面可以向系統(tǒng)發(fā)出各種控制指令，而系統(tǒng)通過(guò)界面向機(jī)艙管理人員提供直觀的系統(tǒng)狀態(tài)圖、動(dòng)態(tài)工作過(guò)程圖、各種工況下的穩(wěn)性調(diào)節(jié)過(guò)程、參數(shù)顯示及報(bào)警、實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)顯示等。因此，MMI（Man2Machine Interface）界面和檢測(cè)界面設(shè)計(jì)如下圖7所示。

圖7 本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

5 本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和不足

本系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)單。在制冷裝置的運(yùn)行周期內(nèi)持續(xù)使用本軟件，則既有的故障可以得到查詢，新發(fā)故障及其解決方案又可以不斷補(bǔ)充更新數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，可以逐漸豐富故障的種類，以及解決方法甚至教訓(xùn)，使得后續(xù)的運(yùn)行管理有據(jù)可查，大大減少惡性故障的發(fā)生率，能夠顯著提高制冷裝置的經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)于輪機(jī)員來(lái)說(shuō)，則可以彌補(bǔ)其知識(shí)更新不到位的問(wèn)題。本系統(tǒng)可以作為一線人員的維修顧問(wèn)。但是，本系統(tǒng)的維護(hù)需要一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)，而且數(shù)據(jù)庫(kù)的建立往往滯后于新技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)的更新需論證，且周期長(zhǎng)，耗費(fèi)較高。同時(shí)，遠(yuǎn)程更新也存在困難。

1 王秋彥，鞠建波，宋振宇，故障診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2009，32（4）：5－8

2 楊國(guó)安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007

3 李宏娟.基于規(guī)則和案例的壓縮機(jī)集成故障診斷專家系統(tǒng)研究［D］.湖南大學(xué)碩士論文，2008

4 安茂春.故障診斷專家系統(tǒng)及其發(fā)展［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16（9）：1217－1219

5 YONG Moon Park，WANG－WON KIM，JIN－MAN，sohn.Logic based expert system（LBES）for fault diagnosis of power system［J］.IEEE Transaction on Power Systems，1997，12（1）：363

6 朱繼洲.故障樹(shù)原理與應(yīng)用［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1989

7 L.P.Khoo，S.B.Tor and J.R.Li.A Rough Set Approach to the Ordering of Basic Events in a Fault Tree for Fault Diagnosis.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.（2001）17：769－774

8 吳信東.專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1990

9 余化.空壓機(jī)系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的研制［D］.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.4

10 熊?chē)?guó)維.制冷和空調(diào)設(shè)備檢修手冊(cè)［M］.北京：經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)出版社，1993

11 謝卓成.基于VB和Access的InTouch報(bào)表系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，23（9）：3－6