數控機床液壓系統故障診斷專家系統的研究

徐堅+易競

【摘要】作為數控機床重要的控制和傳動部分，液壓系統故障具有復雜性、不確定性、相關性和延時性等特點。傳統檢測方法和手段已經不能滿足現代制造業的需求。因此數控機床液壓系統故障診斷專家系統研究具有重大的現實意義。

【關鍵詞】液壓系統 故障診斷 故障樹 專家系統

1 引言

液壓系統故障具有復雜性、不確定性、相關性和延時性等特點，排除較為困難，所以在故障診斷和排除的過程中就需要大量的專家的實踐經驗以及診斷策略。

液壓系統故障診斷專家系統實質上是一套應用軟件系統，是一種基于知識的系統，這里的知識包括專家的實踐經驗以及診斷策略。

2 液壓系統故障診斷專家系統工作原理與特征

2.1.1工作原理

故障診斷專家系統的任務是根據觀察到的情況（或數據）來推斷出某個對象機能發生故障的原因：首先根據所獲得的液壓系統運行的相關信息對對象系統運行狀態進行鑒定，判斷是否正常；判定對象系統故障之后要確定故障部位和性質；然后確定故障原因并預判故障發展趨勢；最后得出診斷結論并給出具體的維修建議。它具體的工作內容包括：（1）利用專家豐富的經驗和知識建立“知識庫”，這個過程需要建立專家系統與領域專家的“人機交互界面”，便于知識庫的更新與修改；（2）利用計算機語言和程序按照一定的推理算法建立“推理機”，“推理機”在利用“知識庫”中的知識通過“解釋程序”來決定知識的更新；（3）用戶通過“人機交互界面”與計算機進行對話，用戶回答專家系統提出的問題，專家系統根據問答過程獲得的信息進行推理并給出最終的診斷結論。

2.1.2特征

專家系統應具備以下特征：具有專家水平的故障診斷知識、專家水平的求解能力、具有獲取知識的能力、知識與推理機構相互獨立。

液壓系統故障診斷專家系統除了具備上述專家系統的四個特征外，還應具備下列特征：擴展性、嚴謹性、通用性。

2.2設計思路

液壓系統故障診斷專家系統的主要特征是擁有一個由領域專家提供專業經驗與知識的知識庫，知識庫中存儲著液壓系統故障診斷領域的專業診斷知識。

總體設計思路如下：（1）邀請液壓系統故障診斷領域的專家為數控機床液壓系統的故障診斷提供知識；（2）利用故障樹分析法、框架法和產生式規則建立專家系統知識庫，并邀請專家對故障樹的中間事件和底層事件打分；（3）利用層次分析法建立專家系統推理機，通過數學計算對故障產生概率進行計算以判斷故障原因，并使之具備解釋功能；（4）人機交互界面采用目前應用最廣泛的菜單式系統，達到方便用戶使用、操作、維護的目的；（5）開發平臺選擇時下流行的PHP 5，數據庫選擇采用Mysql 5.5，以便于實現專家系統的開發和知識管理。

2.3結構設計

2.3.1總體結構設計

系統主要由人機交互界面、推理機、知識庫等模塊組成，其中核心部分為知識庫和推理機。

2.3.2各種功能模塊設計

根據設計思路，繪制出專家系統框圖。數控機床液壓系統故障診斷專家系統由知識庫、推理機、人機交互界面、知識管理系統、解釋機制等模塊構成。

（1）人機交互界面

人機交互界面負責接受操作人員輸入的信息和向操作人員輸出專家系統處理后的信息，是專家系統使用人員與系統交流的界面和唯一渠道。系統人機交互界面采用目前應用最廣泛的菜單式系統。菜單式系統能夠以直觀的界面和窗口形式，通過鼠標或觸摸屏實現系統的使用和管理。本系統人機交互界面主要由人機診斷界面和知識管理界面兩個界面構成，要求實現兩個主要功能：用戶能夠利用界面很快的進入系統并進行與故障相關的查詢和診斷；用戶能夠非常方便的對專家系統的知識庫進行修改，達到系統及時更新和完善的目的。

（2）知識管理系統

知識庫中知識的修改、更新和完善主要依靠知識管理系統的控制。首先，領域專家可以通過接口對知識庫中已有知識進行修改、更新，同時還可以調用知識庫中已有的知識；其次，由數控機床液壓系統故障特征決定。液壓系統故障的原因相對復雜，一個故障現象可能對應一種、幾種甚至是多種原因，同時，一種故障原因故障邏輯不同也可能產生不同的故障現象。

（3）開發平臺的選擇

系統的開發平臺選擇時下流行的PHP 5，原因如下：

①PHP（ Hypertext Preprocessor）是一種HTML內嵌式的語言，是一種超文本預處理語言，是一種在服務器端執行的嵌入HTML文檔的腳本語言。盡管目前計算機領域擁有眾多的可視化編程工具可供選擇，但PHP獨特的語法混合了C、JAVA等語法，可以更為快速地執行動態網頁，而且幾乎支持所有流行的數據庫以及操作系統；

②PHP作為編程工具，其本身免費且是開源代碼，且運行在服務器端的腳本，可以運行在UNIX、LINUX、WINDOWS環境下；

③PHP程序開發快、運行快、技術本身學習快，由于其可以被嵌入HTML語言，它相對于其他語言編輯更為簡單，實用性更強，更適合初學者。

數據庫選擇采用Mysql 5.5，原因如下：

①Mysql作為一款較為成熟的數據庫軟件，具備體積小、速度快、總體擁有成本低，性能卓越，尤其是開放源碼，能夠和PHP實現完美對接，不存在兼容性問題；

②Mysql作為一款中小型關系型數據庫管理系統， 它將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個大倉庫內，增加的速度并提高了靈活性。

（4）解釋機制

解釋機制是專家系統不同于傳統計算機程序的一個重要特征。傳統計算機程序在解答問題的過程中往往只會告知用戶結論，用戶只能根據結論完成任務。專家系統與之不同的地方在于除了向用戶提交結論，還向用戶提供推理過程的解釋，比如為何需要用戶輸入相關信息、為何根據輸入的相關信息推理出此結論等。

3 結論

本文通過對液壓系統故障診斷專家系統的工作原理和特征進行分析，對系統提出了總體設計思路和具體的結構、模塊設計，使系統已具備實現的可能。

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（12C1117）。