柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

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    一、前言

    柴油機(jī)是機(jī)-電-液等各種子系統(tǒng)組成的復(fù)雜機(jī)電設(shè)備，利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)以及故障診斷技術(shù)對(duì)其進(jìn)行不解體測(cè)試與診斷，準(zhǔn)確確定柴油機(jī)發(fā)生故障的位置與類型，不僅可以減少人力、物力上損失，而且能使更多的維修人員具有該領(lǐng)域?qū)＜业姆治雠袛嗖裼蜋C(jī)故障的水平[1-2]。因此，把柴油機(jī)領(lǐng)域?qū)＜以\斷故障的經(jīng)驗(yàn)輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，并在其運(yùn)行過(guò)程中模擬專家思維進(jìn)行診斷分析，只須一般操作人員操作，就可以對(duì)柴油機(jī)作出專家水準(zhǔn)的診斷。以知識(shí)獲取、知識(shí)表示和知識(shí)推理[3-4]為基礎(chǔ)，將該專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)表示成知識(shí)并建立知識(shí)庫(kù)，是研究開(kāi)發(fā)柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

    二、柴油機(jī)故障診斷知識(shí)獲取

    柴油機(jī)故障診斷所需要的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)可以從專業(yè)著作、相關(guān)資料中得到，還可以同長(zhǎng)期從事該專業(yè)領(lǐng)域的專家們對(duì)話或從專家們以往處理問(wèn)題的實(shí)例中抽取專家知識(shí)選擇合適的形式把整理好的專家知識(shí)存入知識(shí)庫(kù)中。

    （一）故障診斷知識(shí)特點(diǎn)

    柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)需要的知識(shí)分為:用于故障診斷的知識(shí)；用于故障原因分析的知識(shí)和用于消除故障的知識(shí)。因此，在故障診斷專家系統(tǒng)中，應(yīng)依據(jù)知識(shí)的特點(diǎn)來(lái)選擇知識(shí)表示方式，而知識(shí)推理技術(shù)同知識(shí)表示方法有密切關(guān)系[5-8]。柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)具有鮮明的領(lǐng)域特點(diǎn)，對(duì)知識(shí)運(yùn)用的實(shí)時(shí)性要求很高，即知識(shí)的表達(dá)方式和組織方式必須有利于實(shí)現(xiàn)快速推理。此外，運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性要求知識(shí)庫(kù)要具有自學(xué)習(xí)功能。

    （二）柴油機(jī)故障分析

    一個(gè)系統(tǒng)中所有可能發(fā)生的各種故障原因可以用具有一個(gè)歐氏向量S表示的集合，將柴油機(jī)的典型故障類型寫(xiě)成集合形式，稱為柴油機(jī)故障類型集（簡(jiǎn)稱故障集）

    式中Si為一種故障類型，n為系統(tǒng)故障種類的總數(shù)。

    同樣，由于這些故障原因所引起的各種癥狀，如溫度的變化、壓力的波動(dòng)、角度的變化等也能被定義為一個(gè)集合，并用一個(gè)歐氏向量X表示

    式中Xi為一種癥狀，m為系統(tǒng)癥狀種類的總數(shù)。

    在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可能出現(xiàn)“起動(dòng)困難”、“功率不足”、“燃油消耗大”等典型故障。作為診斷柴油機(jī)的前提，運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的取值是連續(xù)的，這些參數(shù)對(duì)規(guī)則結(jié)論（故障狀態(tài)）的影響程度沒(méi)有一個(gè)明顯的界限。為保證柴油機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)與診斷的合理性和指導(dǎo)的可靠性，必須對(duì)這種動(dòng)態(tài)特性及其測(cè)量的不確定性進(jìn)行合理考察和描述。在廣泛搜集和聽(tīng)取柴油機(jī)領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合柴油機(jī)的理論知識(shí)與運(yùn)行環(huán)境的實(shí)際情況，得到圖1所示的柴油機(jī)典型故障與相應(yīng)癥狀的聯(lián)系。

    （三）運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)模糊處理

    采用隸屬函數(shù)和相關(guān)分析的方法進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)模糊處理，即不確定性知識(shí)的量化處理。

    定義如下兩種隸屬函數(shù)。

    升型即當(dāng)參數(shù)取值越大時(shí)，參數(shù)對(duì)故障狀態(tài)的影響程度越大

    降型即當(dāng)參數(shù)取值越大時(shí)，參數(shù)對(duì)故障狀態(tài)的影響程度越小

    式（3）、式（4）中x為參數(shù)值；a1、a2分別為柴油機(jī)專家提供的該參數(shù)的閾值。

    還可根據(jù)需要擴(kuò)充實(shí)用隸屬函數(shù)，并不斷修正各運(yùn)行參數(shù)。同一種參數(shù)對(duì)柴油機(jī)不同故障類型的影響方式不同，應(yīng)采取不同的隸屬函數(shù)。

    三、故障診斷專家系統(tǒng)綜合型知識(shí)表示

    故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)分為運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)、事實(shí)、診斷型知識(shí)和元知識(shí)等4類。

    （一）運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)

    運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)可以用謂詞邏輯表示為謂詞名（對(duì)象，<時(shí)間，>數(shù)值）

    其中〈⋯〉為可選項(xiàng)，有時(shí)間因素的數(shù)據(jù)可選此項(xiàng)。例如:“10min前柴機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min”表示為databefore（“柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速”，10，1500）

    用模糊謂詞描述含有模糊信息的事實(shí)，模糊謂詞邏輯用四元組表示為

    謂詞名（對(duì)象，屬性，模糊值，隸屬度）

    例如事實(shí):“機(jī)油溫度太高，隸屬度0.95”，表示為

    Fact（“機(jī)油”，“溫度”，“太高”，0195）

    （三）診斷型知識(shí)

    診斷型知識(shí)采用產(chǎn)生式規(guī)則表示，最初形式為

    IF規(guī)則條件部分（條件1，條件2，⋯，條件n）

    THEN結(jié)論

    運(yùn)行狀態(tài)故障診斷知識(shí)的模糊性十分顯著，為了恰當(dāng)描述這種模糊性，必須對(duì)產(chǎn)生式規(guī)則加以改進(jìn)。例如“噴油泵損壞”的故障癥狀集為

    F油泵損壞={（柴油機(jī)冒黑煙，0.5），（柴油機(jī)功率過(guò)小，0.3），（廢氣溫度低，0.2）}

    可用產(chǎn)生式規(guī)則表示為

    IF（柴油機(jī)冒黑煙，0.5）and（柴油機(jī)功率過(guò)小，0.3）and（廢氣溫度低，0.2）

    THEN噴油泵損壞（Rcf）式中Rcf為規(guī)則強(qiáng)度，描述規(guī)則的前提條件對(duì)結(jié)論的支持程度，0<Rcf≤1。

    為了描述規(guī)則的模糊性，還需給規(guī)則設(shè)一個(gè)應(yīng)用閾值，記為τ，0<τ≤1。在推理中，只有當(dāng)產(chǎn)生的規(guī)則實(shí)例的前提條件部分的整體真度不小于應(yīng)用閾值，此規(guī)則才得以激活。Rcf和τ的值由經(jīng)驗(yàn)確定。不失一般性，改進(jìn)后的模糊產(chǎn)生式規(guī)則形式為

    IF（Y1，W1）and（Y2，W2）and⋯and（Yj，Wj）and⋯and（Yn，Wn）

    THENT（Rcf，τ）

    式中Yj（j=1，2，⋯，n）、T為模糊謂詞；Wj（j=1，2，⋯，n）為權(quán)值，描述規(guī)則前提條件中每個(gè)因素對(duì)規(guī)則結(jié)論的影響程度，且滿足 。改進(jìn)后的產(chǎn)生式規(guī)則把知識(shí)的模糊性全面表達(dá)出來(lái)。

    規(guī)則前提條件的每一個(gè)條件項(xiàng)（Yj，Wj）描述一個(gè)事實(shí)，在推理過(guò)程中，原始事實(shí)即初始參數(shù)表征的事實(shí)，其真度即參數(shù)模糊化的隸屬度；一條規(guī)則被觸發(fā)，加入推理鏈，則此規(guī)則的結(jié)論部分又成為新的事實(shí)，去匹配其它規(guī)則的條件部分，出現(xiàn)的新事實(shí)即非原始事實(shí)，非原始事實(shí)的真度由不精確推理獲得。改進(jìn)后的規(guī)則在系統(tǒng)內(nèi)部的表示通式為

    Rule（RGNO，RNO，CondList，Condweight，Conc2NO，Rcf，τ，Tag）

    式中RGNO為規(guī)則組號(hào)，正整數(shù)，要求編號(hào)不重疊，按規(guī)則的用途不同分組；RNO為規(guī)則編號(hào)，正整數(shù)，不重疊，按規(guī)則強(qiáng)度由大到小排序；CondList為條件序號(hào)表，條件序號(hào)為正整數(shù)，條件表形如:“（Cond2NO1，CondNO2，⋯，CondNOn）”；Condweight為與條件表對(duì)應(yīng)的權(quán)值表，項(xiàng)數(shù)與條件表相同；ConcNO為結(jié)論號(hào)，正整數(shù)，編號(hào)不重疊；如果規(guī)則的結(jié)論不再作為其它規(guī)則的前提條件，則該規(guī)則為含有最終結(jié)果的規(guī)則，Tag值為1，系統(tǒng)的正向推理結(jié)束，得出結(jié)論，其它規(guī)則的Tag值為0。

    柴油機(jī)狀態(tài)參數(shù)是連續(xù)動(dòng)態(tài)變化的，且存在大量的隨機(jī)干擾，這種與時(shí)間相關(guān)的性質(zhì)除了變動(dòng)趨勢(shì)以外，還有其值延續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短和連續(xù)性。為了表達(dá)它的延續(xù)時(shí)間和連續(xù)性，將時(shí)間因素引入一階謂詞邏輯，產(chǎn)生時(shí)序關(guān)系謂詞:（1）Delay（n）當(dāng)且僅當(dāng)參數(shù)延遲n個(gè)單位時(shí)間時(shí)為真；（2）Begin（P，t）當(dāng)且僅當(dāng)參數(shù)P在t時(shí)刻發(fā)生時(shí)為真；（3）End（P，t）當(dāng)且僅當(dāng)參數(shù)P在t時(shí)刻結(jié)束時(shí)為真；（4）Last（P，t）當(dāng)且僅當(dāng)參數(shù)P延續(xù)n個(gè)單位時(shí)間時(shí)為真；（5）Appear（P1，t，P2）當(dāng)且僅當(dāng)參數(shù)P1發(fā)生，經(jīng)過(guò)n個(gè)單位時(shí)間后，P2才發(fā)生時(shí)為真；（6）Intr（P，t）當(dāng)且僅當(dāng)突發(fā)事件（如柴油機(jī)因故障而停止、柴油機(jī)水溫報(bào)警、柴油機(jī)機(jī)油溫度報(bào)警）在時(shí)刻t發(fā)生時(shí)為真。

    例如，一個(gè)表示規(guī)則為

    IF柴油機(jī)水溫測(cè)定值超過(guò)正常值+10℃and持續(xù)10min

    THEN顯示“柴油機(jī)水溫故障”的時(shí)序關(guān)系為

    If Last{“TICNO03_>（TICN003_t+10）”，10min}

    ThenShow（Diagnosisface“柴油機(jī)水溫異常”）

    式中條件Last{“TICNO03_>（TICNO03_t+10）”，10min}當(dāng)采樣值在10min內(nèi)都大于設(shè)定正常值10℃時(shí)，其真度為1，否則為0。

    （四）元知識(shí)

    元知識(shí)是關(guān)于知識(shí)的知識(shí)，在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，它一般采用與目標(biāo)層次知識(shí)相同的表示形式，并作為一個(gè)知識(shí)實(shí)體與目標(biāo)層次知識(shí)共存于知識(shí)庫(kù)中，其主要優(yōu)點(diǎn)在于:（1）元級(jí)推理與目標(biāo)層次推理可共享一個(gè)推理機(jī)；（2）當(dāng)元規(guī)則與目標(biāo)規(guī)則由當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容確定為可用規(guī)則時(shí)，將優(yōu)先執(zhí)行元規(guī)則；（3）當(dāng)系統(tǒng)分設(shè)目標(biāo)層次規(guī)則庫(kù)和元級(jí)規(guī)則庫(kù)，系統(tǒng)還將增加一個(gè)調(diào)度程序；（4）當(dāng)有多個(gè)目標(biāo)規(guī)則可用時(shí)，由調(diào)度程序根據(jù)元級(jí)規(guī)則與可用目標(biāo)規(guī)則沖突集的匹配情況，從中選擇一條可用規(guī)則執(zhí)行。

    四、故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)組成及應(yīng)用

    （一）知識(shí)庫(kù)組織

    知識(shí)庫(kù)采用多庫(kù)結(jié)構(gòu)的組織模式，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、事實(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。這樣可以提高系統(tǒng)工作效率，也便于知識(shí)的搜索。各庫(kù)之間相互獨(dú)立，一個(gè)庫(kù)的修改不會(huì)影響其它庫(kù)。知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    為了縮小搜索范圍、提高推理速度，將診斷規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則分成3組:故障診斷規(guī)則組、故障原因分析規(guī)則組和故障消除措施規(guī)則組，表達(dá)形式如下。

    故障診斷規(guī)則組:[數(shù)據(jù)，事實(shí)]→故障類型；

    故障原因分析規(guī)則組:[事實(shí)，故障類型]→故障原因；

    故障消除措施規(guī)則組:[事實(shí)，故障類型，故障原因]→故障消除指導(dǎo)。

    同一組的規(guī)則為一層，故障診斷規(guī)則組層次最高，故障原因分析規(guī)則組層次次之，故障消除措施規(guī)則組層次最低。對(duì)同一組中的規(guī)則按優(yōu)先級(jí)排序編號(hào)，排列的原則是:規(guī)則前提條件部分包含元素多的優(yōu)先排列；元素?cái)?shù)量相同，規(guī)則強(qiáng)度大的優(yōu)先排列；規(guī)則強(qiáng)度相同，但問(wèn)題出現(xiàn)概率大的優(yōu)先排列。

    （二）知識(shí)修改與擴(kuò)充

    柴油機(jī)專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的建造是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)測(cè)試、修改和擴(kuò)充的過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)以下2種情況時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)的知識(shí)修改與擴(kuò)充功能:（1）當(dāng)從現(xiàn)有知識(shí)出發(fā)無(wú)法診斷故障、給出原因分析和故障消除措施時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)主動(dòng)向?qū)＜仪笾鷣?lái)補(bǔ)充缺少的知識(shí)；（2）當(dāng)診斷、原因分析和故障消除措施有誤時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)允許專家修改現(xiàn)有知識(shí)庫(kù)，更正存在缺陷的知識(shí)。

    （三）應(yīng)用效果

    采用故障診斷專家系統(tǒng)對(duì)某柴油機(jī)近兩年以來(lái)的多個(gè)典型故障進(jìn)行了實(shí)例考核，其部分診斷結(jié)論如表1。該專家系統(tǒng)診斷的決策報(bào)告與實(shí)際檢修情況基本相符，說(shuō)明所建立的知識(shí)庫(kù)是成功的，系統(tǒng)已具備了較高的診斷能力，通過(guò)進(jìn)一步的完善修改，可望開(kāi)發(fā)成實(shí)用的故障診斷專家系統(tǒng)。

    五、結(jié)論

    采用綜合型知識(shí)表達(dá)方式來(lái)表達(dá)故障診斷知識(shí)，用改進(jìn)的模糊產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)診斷型知識(shí)，用時(shí)序邏輯表達(dá)與時(shí)間有關(guān)的知識(shí)以及采用過(guò)程表示法來(lái)表達(dá)元知識(shí)，知識(shí)庫(kù)采用多庫(kù)多層次的組織方式，縮小了搜索空間，為實(shí)現(xiàn)高效快速的推理與診斷奠定了基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際使用情況，不斷擴(kuò)充新的知識(shí)，刪除無(wú)用的知識(shí)，修改有錯(cuò)誤的知識(shí)，逐步提高知識(shí)庫(kù)的質(zhì)量和系統(tǒng)的水平，可完善柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。