基于故障樹的輪胎成型機故障診斷專家系統的設計

李 璐

(天津理工大學中環信息學院 天津 300384)

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基于故障樹的輪胎成型機故障診斷專家系統的設計

李 璐

(天津理工大學中環信息學院 天津 300384)

設計了一種基于故障樹的專家系統結構，建立了輪胎成型機的故障樹模型和專家診斷知識庫，提出了一種基于故障樹專家系統的輪胎成型機故障診斷方法。基于故障樹理論開發了輪胎成型機故障診斷系統，系統由知識庫、推理引擎、綜合數據庫、人機界面、解釋系統與知識獲取系統組成。根據故障樹模型的指示創建專家系統知識庫，進而在推理機的應用下，對設備進行故障鑒定以及診斷結果的判定，找到消除故障的方法。

輪胎成型機；故障診斷；專家系統

輪胎產業在汽車行業中占有著不可忽視的地位，但隨著工業規模不斷擴大、設備需求不斷增加，如何提供工業系統運作的可靠性和安全性，盡快找到故障，以便在整個系統被破壞之前，及時采取糾正措施，減少損失，穩定生產，是非常重要的。

輪胎成型機故障診斷是輪胎行業的具體應用的一個分支，以往都是依靠工程師感官和經驗來進行故障診斷。隨著新型技術的出現和發展，形成現代故障診斷技術。目前的理論在人工智能專家系統的廣泛應用，已經開始基于智能診斷技術實現故障診斷技術的發展。

故障樹分析是一種常用的方法，通過分解自上而下的故障樹模型對故障傳播過程進行分析，不易遺漏故障原因[1]。然而，故障樹通常是通過分析圖和數據，這樣的故障診斷的相對效率低。因此，采用故障樹分析和故障診斷專家系統相結合的方法，可以克服故障診斷技術的不足之處，實現全面的綜合診斷，同時提高診斷的效率。

一、系統結構

(一)知識庫構建。面向對象為故障樹知識的表示形式，該系統被劃分成多個故障模式，分為若干小斷層，以便該系統可以減少搜索時間，加速系統的推理速度。每個事件對應故障樹的一個節點，可以充分覆蓋數據診斷過程的范圍。

圖1-1表示創建輪胎成型機故障樹的過程。

圖1-1 創建成型機故障樹過程

(二)推理機的構建

1.推理方法。考慮到很難確保每個步驟都能給定有效和可行的方法使用戶確認所提供的信息，因此，該系統允許用戶提供不確定性的信息，使用不確定標記進行不確定性推理。用戶只需要確認所提供的信息是“確定”或“可能”按鈕。此外，如果用戶提供的不確定性導致診斷信息不能被繪制時，系統將提示和引導用戶返回到之前的一個診斷過程中，重新設置進行信息并確認，然后繼續診斷。

2.推理方向。由于輪胎成型機故障樹本身比較復雜和結論的可能性比較多，在采用正向推理方法，即基于數據驅動的推理，通過用戶的選擇逐漸推理，最終獲得故障的最終原因。

3.搜索策略。本系統中故障樹的節點表示對象的知識，對象作為規則的結果，其子節點的事件規則用其他參數數據成員來形容。所有的對象都存儲在一個表中，在對象指針固定位置定位對象的位置被定位。根據測試結果診斷程序是由用戶給定的，通過不斷地尋找故障定位的子節點的指針最終決定。當較小的搜索解決方案失敗了，可以繼續使用推理搜索策略，可以有效地縮短時間，幫助用戶找到問題的根源。

4.推理過程。用戶首先選擇故障模式和故障樹，選擇相應的“經驗診斷模式”或“常規診斷模式”進行診斷。系統對給定的對象的答案及其解釋、檢測方法進行診斷，得到檢測結果來選擇一個節點。答案通常有三類：所有節點，一個節點，沒有節點，系統將根據推理不同的答案做出相應的診斷。

(三)解釋子系統。系統以滿足不同層次用戶的需求，提高用戶對具有較強的邏輯推理過程的故障診斷和系統的信心，可讀的解釋模塊的描述。解釋機制選用將預置文本法和路徑跟蹤法融合的方式。因此，解釋模塊可以從該診斷節點鏈，選擇提供給用戶的解釋信息。

(四)綜合數據庫。綜合數據庫通過有序的事件節點確診的動態列表，它反映了漸進式推理的逐步深化。在事件列表中的每個節點可以被設置為對象，原始事件數據成員節點也需要診斷，同時也加入了“失效模式”、“故障樹”、“是否繼續”和“相信”四個數據成員[2]。綜合數據庫來源于診斷過程，它也提供了以后將要用到的診斷信息，如給出診斷報告等。

二、系統維護

(一)功能。系統維護模塊主要有四個功能：(1)為及時跟蹤輪胎成型機的技術狀態變化，允許對專業的故障模式和故障樹進行維護和更新；(2)由于輪胎成型機的不斷進行，允許將專業新出現的故障補充到故障案例中；(3)允許許將刪除過時的記錄；(4)為擴展系統用途，允許增加新的專業和刪除原有的專業。

(二)權限分配

1.初級權限。初級管理員擁有管理系統的初級權限，包括對某些專業的故障模式、故障樹、故障案例和故障記錄等進行管理和維護[3]。

2.高級權限。高級管理員除擁有對所有專業的故障模式、故障樹、故障案例和故障記錄等進行管理維護的權限外，還擁有高級權限，包括對管理人員的專業和管理信息的管理。

(三)維護項目。系統維護模塊分為五部分，一是專業的維護；二是故障模式及故障樹的維護；三是故障案例的維護；四是診斷記錄的維護；五是管理員列表的維護。

(四)通用性和擴展性。設計中充分考慮故障診斷專家系統的通用性，在系統中幾個模塊，只有數據庫具有較強的專業性，其他模塊是高度靈活的，并且專業限制不大，可以照常運行[4]。如果更換其他專業的知識，甚至其他領域的數據，該系統可直接用于故障排除或其他專業領域[5]。該系統的通用性主要體現在專業的系統維護模塊的維護部分。

由于輪胎成型機本身是個復雜和龐大的系統，因此在有限的時間里不可能開發出很完善的專家系統，主要表現在知識庫不夠充實，可以診斷的故障類型也很有限，系統在設計時充分考慮了擴展性，以便可以通過后續工作使系統逐漸趨于完善并投入實用[6]。

三、系統總體結構規劃

(一)總體方案選取。該故障檢測系統可以分為以下兩種：一是測試模塊，二是故障診斷模塊。測試模塊的工作原理：測試硬件主要含有特定的傳感器、必要的信號調理電路以及可操作的計算機系統[7]。它主要提供了將目標和測量測試軟件之間的數據傳遞給相應的軟件的路徑，再進行數據分析和處理；故障診斷模塊是最重要的模塊之一，它主要用于建立故障樹模型，并根據模型的指示創建專家系統知識庫，進而在推理機的應用下，對設備進行故障鑒定、消除以及診斷結果的判定，并通過診斷結果做出一定的判定和分析，簡單闡述產生故障的原因、結果以及如何消除故障的方法。

[1]李洪寧.基于CBR與FTA的飛機故障診斷專家系統的研究與設計[D].青島科技大學,2013.

[2]田紅兵.基于GIS的中低壓配網故障定位系統的研究[D].蘭州理工大學,2014.

[3]劉江.基于故障樹的通用航空器故障診斷專家系統研究[D].中國民用航空飛行學院,2012.

[4]劉江，左正軍.通用航空器故障診斷專家系統研究[J].科技經濟市場,2013(8):7-11.

[5]徐衡.汽車性能檢測線及其故障自動診斷系統[D].南昌大學,2012.

李璐(1988-)，女，漢族，山東人，助教，碩士，天津理工大學中環信息學院，研究方向：智能化自動化系統與裝置。