基于知識的皮帶輸送故障診斷系統(tǒng)

張 棟，侯雷鳴

（長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西 西安 710064）

皮帶輸送系統(tǒng)是最重要的現(xiàn)代散狀物料輸送設(shè)備，尤其是帶式輸送機，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、煤礦、港口、建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在皮帶輸送系統(tǒng)的作業(yè)過程中，會出現(xiàn)各種各樣的系統(tǒng)故障，因而利用計算機進(jìn)行系統(tǒng)的故障分析診斷具有非常重要的意義。

帶式輸送機作為物料運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，能否正常運行直接影響著生產(chǎn)效益，在運輸過程中一旦出現(xiàn)失速、跑偏、堆料、撕裂等故障，輕則降低皮帶機的生產(chǎn)運輸效率，重則造成生產(chǎn)停頓，導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至出現(xiàn)設(shè)備毀壞、危及生命財產(chǎn)安全的惡性事故。傳統(tǒng)的皮帶運輸系統(tǒng)主要是靠現(xiàn)場工作人員的監(jiān)測與管理，維修方式為故障后維修，不能保證皮帶機安全可靠運行，影響了企業(yè)的生產(chǎn)效益。

利用帶式輸送機進(jìn)行物料的運輸儲存，在我國已經(jīng)發(fā)展了幾十年，積累了大量成熟的檢測維修保養(yǎng)管理經(jīng)驗。無論是領(lǐng)域內(nèi)的工藝專家系統(tǒng)還是行業(yè)間的工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，或者是企業(yè)內(nèi)部的設(shè)備生產(chǎn)管理專家，都為知識的獲取提供了豐富的來源[1]。與機加工和裝配工藝設(shè)計相類似，帶式輸送機系統(tǒng)的故障診斷同樣具有良好的結(jié)構(gòu)性。運用基于知識和推理的計算機輔助技術(shù)進(jìn)行故障的診斷分析，不僅可以提高帶式輸送機生產(chǎn)利用率，還可以增加生產(chǎn)的安全性。因此，筆者對基于知識的帶式輸送機系統(tǒng)故障分析診斷進(jìn)行研究。

1 皮帶輸送系統(tǒng)知識管理框架

皮帶輸送系統(tǒng)在故障診斷過程中要求知識在不同的工藝人員和設(shè)備系統(tǒng)之間形成有機地互動協(xié)作和共享，從而充分利用已有的顯性知識與隱形知識[2]，智能化地分析診斷出皮帶運行過程中出現(xiàn)的問題。圖1框架主要包括四層結(jié)構(gòu)：資源層描述了支持企業(yè)生產(chǎn)過程中故障診斷所需的知識資源庫；技術(shù)層是故障診斷規(guī)劃實施思路的具體展開，是實現(xiàn)診斷結(jié)果的關(guān)鍵內(nèi)容，具體包括CBR技術(shù)和知識推理技術(shù)；方法層主要是技術(shù)層的進(jìn)一步實施步驟，在這些不同的設(shè)計階段過程中，通過建模將工藝設(shè)計各階段的知識資源形式化表達(dá)，技術(shù)人員在不同條件需求下進(jìn)行知識的獲取；目標(biāo)層主要描述了皮帶故障診斷知識管理的目的和要達(dá)到的效果。

圖1 皮帶輸送故障知識管理框架

2 皮帶輸送系統(tǒng)故障診斷知識本體

2.1 皮帶輸送系統(tǒng)本體構(gòu)建

針對不同行業(yè)不同企業(yè)在生產(chǎn)中，皮帶系統(tǒng)故障診斷本體的構(gòu)建需求，提出了本體由以下3種要素構(gòu)成：類，概念的集合；關(guān)系，類與類之間的交互作用，繼承關(guān)系、從屬關(guān)系、實例關(guān)系、屬性關(guān)系；實例，表示概念類的具體實例[3]。

目前本體的構(gòu)建方法尚未統(tǒng)一，針對皮帶輸送系統(tǒng)領(lǐng)域本體的特點，以及后續(xù)知識庫設(shè)計的需要，采用基于建模工具protégé的七步法本體建模方法。該方法具體流程如下：確定本體應(yīng)用領(lǐng)域；考慮重用現(xiàn)有本體；列出應(yīng)用領(lǐng)域重要術(shù)語；定義類及類與類之間的層次關(guān)系；定義屬性；定義公理；創(chuàng)建個體。

2.2 皮帶輸送系統(tǒng)領(lǐng)域本體

筆者對皮帶輸送系統(tǒng)知識本體模型建立以典型的廣義三元組進(jìn)行描述，即{C,S,R}，其中：C表示本體的基本信息概念幾何，S表示領(lǐng)域本體的結(jié)構(gòu)信息，R表示了信息概念之間關(guān)系的集合[4]。

C是概念設(shè)計知識在信息層面的表達(dá)，描述皮帶輸送過程中的主要零部件，包括輸送帶、驅(qū)動裝置、傳動滾筒、改向滾筒等；S是概念設(shè)計知識在語義層級結(jié)構(gòu)的表達(dá)，完成了對皮帶輸送系統(tǒng)知識的形式化描述，是基于本體表示設(shè)計知識的核心，包括了皮帶輸送系統(tǒng)各步驟操作概念之間的描述和分類，并在不同的子概念之間建立了約束，形成了具有清晰層級結(jié)構(gòu)的約束模型；R表示了本體中概念與概念之間關(guān)系的集合，通過內(nèi)部定義關(guān)系的連接，形成了具有完整關(guān)系的語義架構(gòu)。皮帶輸送系統(tǒng)知識領(lǐng)域本體間的關(guān)系定義如表1所示。

表1 皮帶輸送系統(tǒng)本體概念之間的關(guān)系定義

3 皮帶輸送系統(tǒng)故障診斷主要技術(shù)

3.1 皮帶輸送系統(tǒng)CBR推理技術(shù)

為了輔助技術(shù)人員工作，筆者介紹如圖2所示的皮帶輸送系統(tǒng)知識框架的CBR（Case-Based Reasoning）技術(shù)。故障診斷CBR技術(shù)提供了一種有效基于相似歷史問題的方案，解決新問題的機制被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。針對生產(chǎn)生活中的皮帶輸送系統(tǒng)故障知識，該技術(shù)方法一般包括故障案例表示、故障案例檢索、故障方案重用、故障方案修改和故障診斷存儲五個步驟，其中故障案例的表示和故障案例的檢索是兩個重要的步驟[5]。

圖2 CBR技術(shù)流程圖

故障案例的表示，給每一個故障方案定義一個獨特的ID信息，一個故障方案對應(yīng)一個或多個故障解決維修方案，從而累積建立一個歷史故障解決維修方案庫。故障案例檢索，分別采用ID信息或方案信息通過數(shù)據(jù)庫查詢的方式配對所需的故障方案。故障方案重用或修改，對每個故障方案，檢索出類似解決方案中的皮帶輸送系統(tǒng)參數(shù)，判斷類似歷史方案是否可以直接重用，如果可以，則直接重用并生成皮帶輸送系統(tǒng)故障解決方案；如果不可以，根據(jù)實際情況修改再生成滿足所需要的故障方案。故障方案存儲，將每一個滿足要求的故障方案視為一個待存儲的歷史方案，如果該方案與原先檢索的歷史故障方案完全一樣，則不需要存儲該案例，否則，將其存儲為案例庫中的一個新故障方案。

3.2 知識規(guī)則推理技術(shù)

在皮帶輸送系統(tǒng)故障診斷活動的過程中，單一的CBR推理技術(shù)完全無法滿足技術(shù)人員的診斷需求，還需要行業(yè)內(nèi)的專家進(jìn)行來指導(dǎo)故障診斷。在企業(yè)生產(chǎn)活動中，故障知識分為兩種，包括顯性知識和隱性知識。其中隱性知識具有難以獲取、格式不規(guī)范的特點，且其在企業(yè)知識中所占的比重比較大，又對企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，將皮帶輸送系統(tǒng)中的隱性知識顯性化是故障診斷知識研究的重要課題。

通過基于本體的知識規(guī)則推理技術(shù)可以將隱形知識進(jìn)行顯性的存儲管理和表達(dá)，為后續(xù)知識的共享奠定基礎(chǔ)。該過程分為三個步驟：經(jīng)驗知識（隱形知識）表達(dá)；經(jīng)驗知識（隱形知識）語義化；形成SWRL語言規(guī)則。皮帶輸送系統(tǒng)故障知識推理規(guī)則如表2所示，簡單列舉了4條具有代表性的規(guī)則，在實際的工藝設(shè)計活動中，一個企業(yè)可能會積累大量的知識規(guī)則，需要系統(tǒng)管理員不斷地更新維護(hù)，最后形成一個完整的規(guī)則庫。圖3為系統(tǒng)的登錄界面、賬戶主體界面。用戶可以在該界面下完成皮帶輸送系統(tǒng)故障知識的查詢、故障案例預(yù)覽和故障知識規(guī)則的推理。

表2 網(wǎng)絡(luò)語義規(guī)則

4 原型系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)

圖3 故障信息的維護(hù)入庫

5 結(jié)束語

綜上所述，筆者研究了基于知識為驅(qū)動的皮帶輸送系統(tǒng)故障診斷方案，構(gòu)建了皮帶輸送系統(tǒng)故障領(lǐng)域的信息模型，應(yīng)用了CBR推理技術(shù)和知識規(guī)則推理技術(shù)，實現(xiàn)了皮帶輸送系統(tǒng)的快速故障診斷。因皮帶輸送系統(tǒng)故障復(fù)雜多樣，文章只是進(jìn)行了以計算機輔助工藝設(shè)計的簡單推理，對于復(fù)雜皮帶輸送系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系，還需要進(jìn)一步的研究發(fā)掘。