儀器故障診斷方法研究與軟件實(shí)現(xiàn)

高業(yè)欣，臧石磊，劉天龍，劉健男，侯作亮

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

近些年來迅速發(fā)展的智能診斷技術(shù)在故障診斷領(lǐng)域的成功應(yīng)用為故障檢測(cè)提供了一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)方案[1]，智能檢測(cè)系統(tǒng)將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以適當(dāng)?shù)男问酱嫒胗?jì)算機(jī)，利用類似專家的思維規(guī)則，對(duì)事例的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯或可能性的推理，演繹，并做出判斷和決策，使得我們可以很大程度上擺脫傳統(tǒng)故障診斷方法對(duì)人員素質(zhì)的要求，解決維修難題。隨著智能檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的逐漸成熟和其他學(xué)科的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，所使用的技術(shù)也逐漸綜合化，處理問題的難度和復(fù)雜度也不斷增大。目前智能檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為人工智能領(lǐng)域最重要的研究方面之一。

地震儀器受運(yùn)行環(huán)境影響，呈現(xiàn)出運(yùn)行狀態(tài)真值唯一，故障狀態(tài)真值多樣性的特點(diǎn)[2]。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文采用基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的專家診斷系統(tǒng)和基于模型相結(jié)合的集成診斷方法開展研究，實(shí)現(xiàn)理論和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，解決了單一專家系統(tǒng)面臨的知識(shí)獲取問題，以及單一基于模型的診斷方法對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)的限制性問題，很好地表示了對(duì)象的故障診斷規(guī)則，提高了診斷系統(tǒng)的智能水平和診斷效率。

1 研究方法與思路

1.1 研究方法

人工智能（Artificial Intelligence）：主要研究如何用計(jì)算機(jī)來摸擬人的智能，因此也稱為機(jī)器智能（Machine Intelligence）。人工智能技術(shù)包括專家系統(tǒng)，基于模型的診斷、人工神經(jīng)，網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯等。

專家系統(tǒng)是把領(lǐng)域?qū)＜乙酝\斷的經(jīng)驗(yàn)歸納成規(guī)則，并運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則通過推理來進(jìn)行故障診斷。專家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、部分人機(jī)接口等幾個(gè)部分組成[4]。建立一個(gè)專家系統(tǒng)的主要任務(wù)就是將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)從專家頭腦中提取出來，存入計(jì)算機(jī)中，這個(gè)過程稱為知識(shí)獲取，這一過程就是知識(shí)庫(kù)的建立。基于知識(shí)推理的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了推理機(jī)，它是一種計(jì)算機(jī)程序[5]。基于模型的診斷方法是運(yùn)用被診斷系統(tǒng)的運(yùn)行模型和故障模型，由模型獲得的預(yù)測(cè)形態(tài)和所測(cè)量運(yùn)行形態(tài)之間的差異，來進(jìn)行故障狀態(tài)檢測(cè)。

專家系統(tǒng)面臨的主要問題是知識(shí)獲取的瓶頸問題，一方面領(lǐng)域?qū)＜液茈y準(zhǔn)確地描述自己所擁有的知識(shí)，對(duì)于具體的故障，他們往往只會(huì)知道如何去解決，卻說不出采用這種方法的理由；另一方面，不同的專家知識(shí)可能不一樣，甚至互相矛盾。基于模型的診斷方法，不依賴于被診斷對(duì)象的判定規(guī)則，并能對(duì)診斷結(jié)論進(jìn)行解釋。

地震臺(tái)站儀器除了儀器自身的原理特性外，還與臺(tái)站的運(yùn)行環(huán)境息息相關(guān)[6]，除了儀器本身具備的模型真值外，還有很多個(gè)別的運(yùn)行真值，我們不能把一些經(jīng)驗(yàn)以規(guī)則的形式寫入知識(shí)庫(kù)，本文采用多種方法相結(jié)合的方式開展研究，通過模型方法完成儀器狀態(tài)判斷后，利用專家系統(tǒng)完成故障定位并提供排除決策。

1.2 研究思路

基于模型的檢測(cè)方法作為故障初步判斷方法。通過對(duì)儀器電路重繪，來解析系統(tǒng)模型，從模型獲得預(yù)測(cè)形態(tài)，再通過測(cè)量，獲取運(yùn)行形態(tài)，由預(yù)測(cè)形態(tài)和運(yùn)行形態(tài)之間的差異，完成被診斷系統(tǒng)故障狀態(tài)的初步診斷。

基于專家系統(tǒng)的檢測(cè)方法完成故障定位并提供維修決策，通過現(xiàn)場(chǎng)儀器運(yùn)行測(cè)試，獲得非真值集，將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)式寫入專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。采用開放式推理機(jī)設(shè)計(jì)，支持后續(xù)研究擴(kuò)充，程序打破常規(guī)文字界面，采用可視化圖形界面。研究方法及流程系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 研究方法及流程系統(tǒng)框圖Fig.1 Research method and flow chart

2 知識(shí)獲取及知識(shí)庫(kù)表示

2.1 知識(shí)獲取

建立一個(gè)專家系統(tǒng)的主要任務(wù)就是將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)從專家頭腦中提取出來，存入計(jì)算機(jī)中，這個(gè)過程稱為知識(shí)獲取。本文中的知識(shí)獲取主要有三個(gè)方面：

理論真值：根據(jù)儀器電路板，重新繪制儀器電路圖，解析儀器電路原理，梳理儀器信號(hào)流程。根據(jù)信號(hào)流程，充分考慮電路原理和可更換器件分布，設(shè)置檢測(cè)節(jié)點(diǎn)及檢測(cè)順序。根據(jù)電路原理計(jì)算檢測(cè)節(jié)點(diǎn)理論真值即預(yù)測(cè)形態(tài)庫(kù)。

經(jīng)驗(yàn)真值：在實(shí)驗(yàn)室搭建儀器運(yùn)行環(huán)境，測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)運(yùn)行真值，到臺(tái)站實(shí)地測(cè)量?jī)x器臺(tái)站運(yùn)行真值，將這些經(jīng)驗(yàn)真值添加至預(yù)測(cè)形態(tài)庫(kù)。

故障真值：查閱以往維修案例，總結(jié)個(gè)人維修經(jīng)驗(yàn)，將故障儀器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)添加至故障形態(tài)庫(kù)。

2.2 知識(shí)表示

知識(shí)表示（Knowledge Representation）是知識(shí)的符號(hào)化和形式化過程。通過知識(shí)的有效表示，使專家系統(tǒng)能夠利用這些知識(shí)進(jìn)行推理和作出決策。

產(chǎn)生式規(guī)則的形式：

IF ＜條件＞THEN ＜結(jié)論＞

其中：＜條件＞也稱為規(guī)則的前提;它可以是單個(gè)條件或多個(gè)條件通過邏輯符號(hào)AND、OR構(gòu)成的邏輯組合。＜結(jié)論＞可以是一組結(jié)論或動(dòng)作。該規(guī)則含義表示當(dāng)條件滿足時(shí)，可以根據(jù)該規(guī)則推導(dǎo)出結(jié)論部分，或執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（O，A，V）三元組用于表示規(guī)則條件或結(jié)論部分的事實(shí)知識(shí)，其中O（Object）表示對(duì)象，它可以是物理實(shí)體或概念；A（Attribute）表示對(duì)象的屬性，即與對(duì)象相關(guān)的某種特征或性質(zhì)；V（Value）表示對(duì)象屬性的取值。

例如：“U1 芯片6 腳輸出為方波”，這一征兆事實(shí)可表示成：

（U1 芯片，6 腳輸出，方波）三元組。

3 診斷推理策略

基于知識(shí)推理的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了推理機(jī)，它是用于推理的計(jì)算機(jī)程序，推理方式依賴于知識(shí)表示方法。本文中對(duì)于故障的判斷采用基于模型的推理，對(duì)于維修決策采用規(guī)則推理。

基于模型的推理是由已知征兆事實(shí)到故障結(jié)論的推理，基本思想是從已知事實(shí)出發(fā)，正向使用規(guī)則，即將對(duì)象的屬性與事實(shí)庫(kù)中的事實(shí)相匹配，若匹配成功，則激活輔助決策規(guī)則，否則進(jìn)行下一事實(shí)匹配，直到?jīng)]有可匹配的事實(shí)為止[3]。

圖2 模型推理演示圖Fig.2 Model reasoning illustration

基于規(guī)則的推理屬于正向演繹推理，是指由一組前提必然地推導(dǎo)出某個(gè)結(jié)論的過程，即：

IF ＜條件＞THEN ＜結(jié)論＞

診斷規(guī)則實(shí)例：

前置放大盒p4 位置7815 芯片故障診斷中有如下規(guī)則：

如果12 引腳間輸入電壓為20 V，且23 引腳間電壓不等于15 V，則存在輸出故障，請(qǐng)更換7815 芯片。

4 軟件實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用測(cè)試

本文針對(duì)SSY 型伸縮儀開展了故障檢測(cè)方法的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用，軟件內(nèi)容由故障診斷指導(dǎo)系統(tǒng)和推理機(jī)平臺(tái)組成。

4.1 儀器故障診斷指導(dǎo)系統(tǒng)

將SSY 型伸縮儀維修知識(shí)通過專家系統(tǒng)生成供用戶使用的人機(jī)界面，用于為用戶提供維修指導(dǎo)。用戶選擇測(cè)試儀器后，根據(jù)提供的流程進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果反饋后，等待系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行故障分析，并提供決策。界面由節(jié)點(diǎn)圖形區(qū)、測(cè)試內(nèi)容區(qū)、結(jié)果選項(xiàng)區(qū)，以及分析結(jié)論區(qū)組成。系統(tǒng)根據(jù)電路原理按相應(yīng)的檢測(cè)流程進(jìn)行分步檢測(cè)，當(dāng)測(cè)量的選項(xiàng)為正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，選項(xiàng)標(biāo)綠并提示檢測(cè)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)測(cè)量的選項(xiàng)為異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，選項(xiàng)標(biāo)紅并在結(jié)論區(qū)生成故障排除決策。檢測(cè)流程如圖3 所示。

圖3 故障檢測(cè)流程圖Fig.3 Fault detection flow chart

4.2 推理機(jī)平臺(tái)

推理機(jī)是用于生成客戶端管理平臺(tái)，主要由用戶管理、個(gè)人中心、檢測(cè)流程生成管理三部分組成。各部分功能如圖4 所示。

圖4 推理機(jī)管理平臺(tái)功能導(dǎo)圖Fig.4 Background management function chart of inference engine

用戶權(quán)限有管理員和普通用戶兩種，管理員有權(quán)對(duì)流程檢測(cè)進(jìn)行修改，普通用戶只能對(duì)流程進(jìn)行查看。該模塊具備用戶新增及查詢管理功能。

個(gè)人中心主要是對(duì)開發(fā)者進(jìn)行相關(guān)的信息維護(hù)。

檢測(cè)流程是管理平臺(tái)的核心，將流程寫成操作步驟，供管理者添加，每一項(xiàng)內(nèi)容分別對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)圖形，測(cè)試內(nèi)容，可能結(jié)果選項(xiàng)，以及分析結(jié)論區(qū)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)編寫流程及結(jié)果響應(yīng)動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障定位的推理。流程檢測(cè)功能根據(jù)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，添加提供檢測(cè)服務(wù)的儀器內(nèi)容，并對(duì)儀器的分步檢測(cè)流程，選項(xiàng)，結(jié)論進(jìn)行編輯，生成客戶端可使用的維修指導(dǎo)。用戶使用軟件界面如圖5 所示。

圖5 用戶界面Fig.5 User interface

5 結(jié)論與建議

本文中采用的基于模型和專家系統(tǒng)集成的故障診斷方法，很好地發(fā)揮了兩種診斷方法的優(yōu)點(diǎn)，提高了診斷系統(tǒng)的智能水平和診斷效率。采用圖形化指導(dǎo)界面代替文字描述，用戶界面友好，達(dá)到了預(yù)期目的，為地震儀器的故障檢測(cè)提供了新的思路后續(xù)推廣建議：

（1）本文僅對(duì)SSY 型伸縮儀進(jìn)行了維修指導(dǎo)，該成果可廣泛應(yīng)用于地震系統(tǒng)其他儀器，擴(kuò)充系統(tǒng)對(duì)象，形成全網(wǎng)儀器專家診斷系統(tǒng)。

（2）繼續(xù)開發(fā)多元化推理機(jī)（計(jì)算機(jī)程序），建立遠(yuǎn)程分布式全系統(tǒng)智能診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)異地多專家對(duì)同一設(shè)備的協(xié)同診斷以及多臺(tái)設(shè)備共享統(tǒng)一診斷系統(tǒng)。

（3）建立開源故障診斷平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多用戶對(duì)不同地區(qū)儀器故障進(jìn)行總結(jié)，實(shí)時(shí)更新知識(shí)庫(kù)，使診斷更為精準(zhǔn)。