基于擴展故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統研究

張樂平

(江西理工大學軟件學院，江西南昌 330013)

0 前言

通用機床包括車床、銑床、刨床、磨床、鏜床等，種類繁多，電氣控制設備各異，目前廣泛應用繼電接觸器控制系統。在電控設備中，由各種電器元件構成的電器控制系統是重要的組成部分，它們結構復雜，控制性能各異。而電器控制系統的復雜化導致出現故障的可能性增加，也導致診斷定位決策的難度增加。因此，如何對電器控制系統實現故障快速定位顯得尤其重要［1］。

故障樹是由美國貝爾電話實驗室的H A Walson首先提出，它是一種系統可靠性分析方法。利用故障樹來構建診斷系統知識庫，不僅可以方便推理機構尋找潛在故障或進行故障診斷，而且可以進一步預測未來系統故障發生的概率［2］。

1 目前存在的問題

通用機床適應于單件小批生產，應用非常廣泛。其電控故障的診斷與維修現狀比較復雜，目前存在的主要問題表現在:

(1)高效、精確地完成故障排查的秘訣在于:確定含有故障的部分電路，并且找出故障元件［3］。電氣圖是工程技術人員交流的語言，也是判別故障源的一個根本依據。如果只是基于故障樹的故障診斷，其搜索結果僅表示可能的故障原因。故障樹和電氣圖等技術資料間較少聯系，最終確診往往不方便。

(2)維修資料、維修檔案與記錄大多仍采用紙介存儲。文件的完好程度受企業技術管理水平影響，調閱和歸納整理不便，利用效率不高。

(3)從業人員較多，專業知識和技術水平差異較大，目前大多仍采用人為的傳統方法。因而其維修方法、維修效率受技術人員人為因素影響較大。

綜上所述，研究一個融合傳統的故障診斷、維修技術與故障樹于一體的專家系統，通過故障樹快速地查找故障發生的原因，同時可選擇依據數字化的相關技術圖紙進行確認和完善，將維修檔案記錄在相應數據單元中，實現傳統維修的智能化和數字化、節約維修和高效維修，具有廣泛的現實意義。

2 基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統

2．1 專家系統總體框架

基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統的總體結構如圖1所示，主要包括綜合數據庫、知識獲取管理機構、人機交互界面、解釋模塊、診斷推理模塊和維修日志管理模塊等。其中，綜合數據庫中的故障樹和診斷推理模塊為整個專家系統的核心。

圖1 基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統結構

2．2 專家系統知識庫核心——故障樹

2．2．1 電氣故障診斷知識表示方法

知識庫的建立是專家系統建立的中心任務，其目的在于通過知識的有效表示使專家系統利用這些知識進行正確的推理和做出正確的決策，較快解決用戶提出的問題。

該系統將故障按照機床型號類別進行分類，然后再按照部件系統劃分為主電路系統、控制電路系統和輔助與信號電路系統，每個分系統建立其對應的故障樹，這樣可以保證故障診斷僅在一個或幾個知識鏈表中進行，從而減少推理時的搜索范圍，加快系統推理速度。而且在產生式規則庫中，由于各規則之間相互獨立，這有利于知識庫的修改和擴充［4］。系統知識表示基本框架如圖2所示，圖中以上海第五機床廠生產的Z3040×16型搖臂鉆床控制電路系統故障為例［5］。

圖2 系統知識表示基本框架

2．2．2 建立電控故障診斷故障樹

以上述搖臂鉆床控制電路系統故障為頂部事件建立故障樹，如圖3所示。因篇幅限制，該處僅列出其“搖臂升降與夾緊故障”所對應的分支。

圖3 Z3040×16型搖臂鉆床控制電路故障樹故障樹中，各故障序號對應的故障事件如表1所示。

表1 故障樹明細表

該專家系統設計時，除上述Z3040×16型搖臂鉆床外，通過調研通用機床使用型號和類別的廣泛性和典型性，分別選用C650-2臥式車床、M7475B立軸圓臺平面磨床、XA6132型萬能升降臺銑床、T68臥式鏜床建立分系統(主電路、控制電路、輔助與信號電路)故障樹［6］，作為專家系統的基本知識。

2．3 綜合數據庫——故障樹的擴展

綜合數據庫采用SQL實現，主要包括故障樹知識庫、電氣圖和維修記錄三部分，其基本數據庫結構如圖4所示，圖中虛線框表示擴展的功能、虛線連接表示可選。首先分解每一棵故障樹，抽象出每一節點的相關信息，連同節點的父節點和子節點，組成一系列故障記錄，然后將分解結果保存在數據庫中每一個節點信息對應數據表中一條記錄，而每一個故障樹流程圖對應數據庫中的一張表，如此就可完成基于故障樹的知識表示［7］。其故障樹知識由機床電控系統表、故障事件表、故障樹信息表、特征參數表和維修信息表組成。

圖4 專家系統數據庫結構

綜合數據庫的擴展包括兩個方面:一方面是通過人機交互界面對設備類型和故障事件等進行擴展、修改和完善，最終形成一個對應于本單位通用機床具體型號、類別和具體使用環境的完整系統，實現設備維護的系統化，該功能主要通過故障樹的編輯實現;二是對故障診斷功能的擴展:主要包括電氣圖和維修檔案的擴展。

2．3．1 電氣圖的擴展

本研究強調故障診斷專家系統的故障樹知識與經典的電路分析方法相互印證，故障源的具體安裝位置快速確認，為此擴展了電氣圖表。該表通過ID與設備單元、故障事件鏈接。其內容包括:

(1)通用機床設備型號單元，對應該型號設備電控系統的電路圖、接線圖和互聯圖等技術信息;

(2)各電控分系統對應該系統的電路圖、接線圖及相關互聯圖;

(3)中間事件對應單元電路(局部電路)、接線圖(對應部分用虛線標出);

(4)部分底事件對應接線圖(對應部分用虛線標出)或互聯圖。

2．3．2 強化維修知識及維修檔案的擴展

為實現傳統維修技術的高效融合，在故障樹知識中分別設置了特征參數表和維修信息表。特征參數表給出了某些檢驗單元所對應的參數類型、正常參數范圍等信息;維修信息表則給出了相應的維修建議和維修方法。

維修日志表則用于故障維修記錄的數字化與檔案化。包括機床名稱型號、故障、診斷維修結果及時間等信息。

3 基于最小割集重要度的推理機實現

系統根據輸入的故障征兆自動尋找匹配的頂事件且生成頂事件故障樹并按Fussell算法求出最小割集;按照重要度大的最小割集優先檢測的原則生成測試流程［7］。因其推理過程與常用故障樹無異，在此不再贅述。

4 電控故障診斷專家系統的診斷方法

電控故障維修人員(操作員)直接進入故障診斷系統，根據故障事件進行診斷，其主要步驟如下:

(1)用戶在診斷界面上選擇設備類別、型號，在分系統中勾選列出的故障事件(現象);

(2)系統將收到的故障信息傳給診斷推理模塊;

(3)根據最小割集及重要度排序，推理出故障原因;

(4)將推理結果與故障路徑顯示在推理界面上;

(5)(可選):打開電路圖驗證;

(6)(可選):打開接線圖進行位置確認;

(7)按照路徑所示檢測流程、維修方法進行測試;

(8)如果此時仍未診斷出故障根源，則轉到(3);

(9)記錄診斷結果，診斷成功。

5 故障診斷專家系統軟件實現［8］

基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統采用Visual Studio 2005和Microsoft SQL Server 2005作為開發工具，C#作為開發語言。

Visual Studio 2005是一個非常龐大的軟件，是基于．NET2．0框架的。C#是微軟公司發布的一種面向對象的、運行于．NET Framework之上的高級程序設計語言，在集成了C和C++強大功能的同時去掉了一些它們的復雜性，使其更易用，更少出錯。

為了實現可視化建樹以及系統的其他功能，需要一種圖形系統來高效的完成故障事件與連接線的繪制和編輯等操作。本平臺使用的是．NET下System．Drawing命名空間中的GDI+圖形系統。

Microsoft SQL Server2005是一個全面的數據庫平臺，使用集成的商業智能工具提供了企業級的數據管理。系統采用ADO．NET完成數據集對象的建立后，便可以通過SQL結構化查詢語言對知識庫實現操作訪問。

為了維修檔案向用戶使用的規范文檔的轉換，需要增加系統對于Word文檔的操作。在建模與診斷平臺中，通過引用Microsoft Office．Interop．Word實現與Word對象模型進行交互。

6 結束語

綜上所述，所設計的基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統智能、簡便、直觀、工作穩定可靠。將維修專家、工程師的經驗、計算機技術和智能故障診斷技術進行整合，研究開發的該基于故障診斷專家系統的維修工具，從而幫助設備維修維護工作人員快速、準確地找出故障原因，并提供維修建議和參考取值等，對于通用機床設備現場搶修具有重要的現實意義。后續將考慮將其改進為用于Pocket PC平臺、基于關系數據庫技術的故障診斷專家系統，實現傳統維修的便捷化、智能化和規范化［9］。

［1］PAN J，TEKLU Y，RANMAN S，et al．An Interval-based MADM Approach to the Identification of Candidate Alternatives in Strategic Resource Planning［J］．IEEE Trans on Power Systems，2000，15(4):1441～1446．

［2］楊盛泉，劉萍萍．基于故障樹的梭式窯故障診斷專家系統［J］．計算機應用研究，2008，11(11):3401-3403．

［3］［印］S．K．Bhattacharya Brijinder Singh．電氣控制技術及應用［M］．陶國彬，張秀艷，譯．北京:科學出版社，2012．

［4］劉江．基于故障樹的通用航空器故障診斷專家系統研究［D］．廣漢:民航飛行學院，2011．

［5］周希章．電修手冊(下冊)［M］．北京:機械工業出版社，2008．

［6］趙明，許翏．工廠電氣控制設備［M］．2版．北京:機械工業出版社，2006．

［7］宗群，李光宇．基于故障樹的電梯故障診斷專家系統設計［J］．控制工程，2012，3(2):305-308．

［8］丁小磊．基于故障樹的建模與診斷平臺應用研究［D］．北京:北京航空航天大學，2013．

［9］彭智勇．基于PocketPC的便攜式故障診斷專家系統設計［J］．裝甲兵工程學院學報，2008，2(1):62-67．