基于故障樹(shù)的輪胎成型機(jī)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 璐

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 天津 300384)

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基于故障樹(shù)的輪胎成型機(jī)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 璐

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 天津 300384)

設(shè)計(jì)了一種基于故障樹(shù)的專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了輪胎成型機(jī)的故障樹(shù)模型和專(zhuān)家診斷知識(shí)庫(kù)，提出了一種基于故障樹(shù)專(zhuān)家系統(tǒng)的輪胎成型機(jī)故障診斷方法。基于故障樹(shù)理論開(kāi)發(fā)了輪胎成型機(jī)故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理引擎、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)界面、解釋系統(tǒng)與知識(shí)獲取系統(tǒng)組成。根據(jù)故障樹(shù)模型的指示創(chuàng)建專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，進(jìn)而在推理機(jī)的應(yīng)用下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障鑒定以及診斷結(jié)果的判定，找到消除故障的方法。

輪胎成型機(jī)；故障診斷；專(zhuān)家系統(tǒng)

輪胎產(chǎn)業(yè)在汽車(chē)行業(yè)中占有著不可忽視的地位，但隨著工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、設(shè)備需求不斷增加，如何提供工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)作的可靠性和安全性，盡快找到故障，以便在整個(gè)系統(tǒng)被破壞之前，及時(shí)采取糾正措施，減少損失，穩(wěn)定生產(chǎn)，是非常重要的。

輪胎成型機(jī)故障診斷是輪胎行業(yè)的具體應(yīng)用的一個(gè)分支，以往都是依靠工程師感官和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行故障診斷。隨著新型技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，形成現(xiàn)代故障診斷技術(shù)。目前的理論在人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)開(kāi)始基于智能診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

故障樹(shù)分析是一種常用的方法，通過(guò)分解自上而下的故障樹(shù)模型對(duì)故障傳播過(guò)程進(jìn)行分析，不易遺漏故障原因[1]。然而，故障樹(shù)通常是通過(guò)分析圖和數(shù)據(jù)，這樣的故障診斷的相對(duì)效率低。因此，采用故障樹(shù)分析和故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合的方法，可以克服故障診斷技術(shù)的不足之處，實(shí)現(xiàn)全面的綜合診斷，同時(shí)提高診斷的效率。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(一)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建。面向?qū)ο鬄楣收蠘?shù)知識(shí)的表示形式，該系統(tǒng)被劃分成多個(gè)故障模式，分為若干小斷層，以便該系統(tǒng)可以減少搜索時(shí)間，加速系統(tǒng)的推理速度。每個(gè)事件對(duì)應(yīng)故障樹(shù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以充分覆蓋數(shù)據(jù)診斷過(guò)程的范圍。

圖1-1表示創(chuàng)建輪胎成型機(jī)故障樹(shù)的過(guò)程。

圖1-1 創(chuàng)建成型機(jī)故障樹(shù)過(guò)程

(二)推理機(jī)的構(gòu)建

1.推理方法。考慮到很難確保每個(gè)步驟都能給定有效和可行的方法使用戶(hù)確認(rèn)所提供的信息，因此，該系統(tǒng)允許用戶(hù)提供不確定性的信息，使用不確定標(biāo)記進(jìn)行不確定性推理。用戶(hù)只需要確認(rèn)所提供的信息是“確定”或“可能”按鈕。此外，如果用戶(hù)提供的不確定性導(dǎo)致診斷信息不能被繪制時(shí)，系統(tǒng)將提示和引導(dǎo)用戶(hù)返回到之前的一個(gè)診斷過(guò)程中，重新設(shè)置進(jìn)行信息并確認(rèn)，然后繼續(xù)診斷。

2.推理方向。由于輪胎成型機(jī)故障樹(shù)本身比較復(fù)雜和結(jié)論的可能性比較多，在采用正向推理方法，即基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的推理，通過(guò)用戶(hù)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(tǒng)中故障樹(shù)的節(jié)點(diǎn)表示對(duì)象的知識(shí)，對(duì)象作為規(guī)則的結(jié)果，其子節(jié)點(diǎn)的事件規(guī)則用其他參數(shù)數(shù)據(jù)成員來(lái)形容。所有的對(duì)象都存儲(chǔ)在一個(gè)表中，在對(duì)象指針固定位置定位對(duì)象的位置被定位。根據(jù)測(cè)試結(jié)果診斷程序是由用戶(hù)給定的，通過(guò)不斷地尋找故障定位的子節(jié)點(diǎn)的指針最終決定。當(dāng)較小的搜索解決方案失敗了，可以繼續(xù)使用推理搜索策略，可以有效地縮短時(shí)間，幫助用戶(hù)找到問(wèn)題的根源。

4.推理過(guò)程。用戶(hù)首先選擇故障模式和故障樹(shù)，選擇相應(yīng)的“經(jīng)驗(yàn)診斷模式”或“常規(guī)診斷模式”進(jìn)行診斷。系統(tǒng)對(duì)給定的對(duì)象的答案及其解釋、檢測(cè)方法進(jìn)行診斷，得到檢測(cè)結(jié)果來(lái)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)。答案通常有三類(lèi)：所有節(jié)點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)將根據(jù)推理不同的答案做出相應(yīng)的診斷。

(三)解釋子系統(tǒng)。系統(tǒng)以滿(mǎn)足不同層次用戶(hù)的需求，提高用戶(hù)對(duì)具有較強(qiáng)的邏輯推理過(guò)程的故障診斷和系統(tǒng)的信心，可讀的解釋模塊的描述。解釋機(jī)制選用將預(yù)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(jié)點(diǎn)鏈，選擇提供給用戶(hù)的解釋信息。

(四)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)有序的事件節(jié)點(diǎn)確診的動(dòng)態(tài)列表，它反映了漸進(jìn)式推理的逐步深化。在事件列表中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以被設(shè)置為對(duì)象，原始事件數(shù)據(jù)成員節(jié)點(diǎn)也需要診斷，同時(shí)也加入了“失效模式”、“故障樹(shù)”、“是否繼續(xù)”和“相信”四個(gè)數(shù)據(jù)成員[2]。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源于診斷過(guò)程，它也提供了以后將要用到的診斷信息，如給出診斷報(bào)告等。

二、系統(tǒng)維護(hù)

(一)功能。系統(tǒng)維護(hù)模塊主要有四個(gè)功能：(1)為及時(shí)跟蹤輪胎成型機(jī)的技術(shù)狀態(tài)變化，允許對(duì)專(zhuān)業(yè)的故障模式和故障樹(shù)進(jìn)行維護(hù)和更新；(2)由于輪胎成型機(jī)的不斷進(jìn)行，允許將專(zhuān)業(yè)新出現(xiàn)的故障補(bǔ)充到故障案例中；(3)允許許將刪除過(guò)時(shí)的記錄；(4)為擴(kuò)展系統(tǒng)用途，允許增加新的專(zhuān)業(yè)和刪除原有的專(zhuān)業(yè)。

(二)權(quán)限分配

1.初級(jí)權(quán)限。初級(jí)管理員擁有管理系統(tǒng)的初級(jí)權(quán)限，包括對(duì)某些專(zhuān)業(yè)的故障模式、故障樹(shù)、故障案例和故障記錄等進(jìn)行管理和維護(hù)[3]。

2.高級(jí)權(quán)限。高級(jí)管理員除擁有對(duì)所有專(zhuān)業(yè)的故障模式、故障樹(shù)、故障案例和故障記錄等進(jìn)行管理維護(hù)的權(quán)限外，還擁有高級(jí)權(quán)限，包括對(duì)管理人員的專(zhuān)業(yè)和管理信息的管理。

(三)維護(hù)項(xiàng)目。系統(tǒng)維護(hù)模塊分為五部分，一是專(zhuān)業(yè)的維護(hù)；二是故障模式及故障樹(shù)的維護(hù)；三是故障案例的維護(hù)；四是診斷記錄的維護(hù)；五是管理員列表的維護(hù)。

(四)通用性和擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)中充分考慮故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的通用性，在系統(tǒng)中幾個(gè)模塊，只有數(shù)據(jù)庫(kù)具有較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性，其他模塊是高度靈活的，并且專(zhuān)業(yè)限制不大，可以照常運(yùn)行[4]。如果更換其他專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，甚至其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可直接用于故障排除或其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域[5]。該系統(tǒng)的通用性主要體現(xiàn)在專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)維護(hù)模塊的維護(hù)部分。

由于輪胎成型機(jī)本身是個(gè)復(fù)雜和龐大的系統(tǒng)，因此在有限的時(shí)間里不可能開(kāi)發(fā)出很完善的專(zhuān)家系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在知識(shí)庫(kù)不夠充實(shí)，可以診斷的故障類(lèi)型也很有限，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了擴(kuò)展性，以便可以通過(guò)后續(xù)工作使系統(tǒng)逐漸趨于完善并投入實(shí)用[6]。

三、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃

(一)總體方案選取。該故障檢測(cè)系統(tǒng)可以分為以下兩種：一是測(cè)試模塊，二是故障診斷模塊。測(cè)試模塊的工作原理：測(cè)試硬件主要含有特定的傳感器、必要的信號(hào)調(diào)理電路以及可操作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[7]。它主要提供了將目標(biāo)和測(cè)量測(cè)試軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞給相應(yīng)的軟件的路徑，再進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)模型，并根據(jù)模型的指示創(chuàng)建專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，進(jìn)而在推理機(jī)的應(yīng)用下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障鑒定、消除以及診斷結(jié)果的判定，并通過(guò)診斷結(jié)果做出一定的判定和分析，簡(jiǎn)單闡述產(chǎn)生故障的原因、結(jié)果以及如何消除故障的方法。

[1]李洪寧.基于CBR與FTA的飛機(jī)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].青島科技大學(xué),2013.

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

[3]劉江.基于故障樹(shù)的通用航空器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)研究[D].中國(guó)民用航空飛行學(xué)院,2012.

[4]劉江，左正軍.通用航空器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng),2013(8):7-11.

[5]徐衡.汽車(chē)性能檢測(cè)線及其故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)[D].南昌大學(xué),2012.

李璐(1988-)，女，漢族，山東人，助教，碩士，天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，研究方向：智能化自動(dòng)化系統(tǒng)與裝置。