□楊 杰

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院上海200070

基于規(guī)則和案例的分布式能源故障診斷專家系統(tǒng)*

□楊 杰

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院上海200070

針對(duì)分布式能源設(shè)備故障產(chǎn)生原因隨機(jī)性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則和案例的分布式能源故障診斷專家系統(tǒng)。系統(tǒng)通過獲取設(shè)備故障特征并輸入至知識(shí)庫和案例庫進(jìn)行匹配，得出最終診斷結(jié)論。應(yīng)用表明，系統(tǒng)在分布式能源領(lǐng)域具有較好的診斷效果。

分布式能源；故障診斷；專家系統(tǒng)；知識(shí)庫；案例庫

隨著電網(wǎng)智能化的技術(shù)革新，分布式能源作為重要的新型能源系統(tǒng)，其應(yīng)用越來越廣泛。分布式能源設(shè)備的故障現(xiàn)象多樣化，故障產(chǎn)生的原因呈現(xiàn)模糊性、隨機(jī)性、組合性等特點(diǎn)[1]。為了保障分布式能源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高檢修、維護(hù)效率，提出了一種基于規(guī)則和案例的分布式能源故障診斷專家系統(tǒng)。系統(tǒng)將設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行人員的診斷經(jīng)驗(yàn)采用規(guī)則方式表述出來，形成故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫，并將故障信息與知識(shí)庫進(jìn)行匹配，推理出導(dǎo)致故障產(chǎn)生的原因。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括知識(shí)庫、案例庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋器、知識(shí)獲取、知識(shí)處理、學(xué)習(xí)和人機(jī)交互界面等。系統(tǒng)在線監(jiān)測得到設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過推理機(jī)進(jìn)行推理，從而激活相應(yīng)的規(guī)則，并給出相應(yīng)的診斷結(jié)果，進(jìn)而提供設(shè)備的維修建議。用戶可以輸入關(guān)鍵詞對(duì)案例庫進(jìn)行檢索，并根據(jù)提示的內(nèi)容找到所需要的案例，高效準(zhǔn)確地完成對(duì)設(shè)備的故障診斷。系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)模塊對(duì)問題案例修改學(xué)習(xí)并添加進(jìn)案例庫，對(duì)案例庫進(jìn)行完善。

各模塊主要功能如下。

（1）數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)系統(tǒng)獲取的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以及推理和知識(shí)處理過程中獲得的中間結(jié)果，這些數(shù)據(jù)反映了系統(tǒng)處理問題的特征和狀態(tài)。

（2）知識(shí)庫用于存儲(chǔ)設(shè)備所有的故障規(guī)則，體現(xiàn)了專家系統(tǒng)分析和解決問題的思路[2]，所存儲(chǔ)的規(guī)則主要供推理機(jī)使用。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（3）案例庫用于存儲(chǔ)故障案例[3]，用戶可通過征兆信息從案例庫中查找相關(guān)的歷史案例，輔助用戶完成對(duì)設(shè)備的故障診斷。

（4）解釋器向用戶解釋系統(tǒng)的行為，以保證系統(tǒng)的透明度。同時(shí)解釋說明故障診斷結(jié)果的判斷依據(jù)及推理的全過程，以方便用戶理解。

（5）推理機(jī)按照一定的搜索策略對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行搜索，將獲取的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與知識(shí)庫所存儲(chǔ)規(guī)則的前置條件進(jìn)行匹配，匹配完成后執(zhí)行規(guī)則的后置結(jié)論。

（6）知識(shí)獲取用于獲取監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)，包括在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)兩類。

（7）知識(shí)處理對(duì)獲取的設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成符合系統(tǒng)推理要求的規(guī)則和案例，為系統(tǒng)提供歷史案例和推理模式。

（8）學(xué)習(xí)模塊對(duì)新的問題案例進(jìn)行修改學(xué)習(xí)并添加進(jìn)案例庫，對(duì)案例庫進(jìn)行完善。

（9）人機(jī)交互界面是用戶與專家系統(tǒng)的交互平臺(tái)，用戶可以對(duì)案例庫和知識(shí)庫進(jìn)行添加、刪除、修改，也可以對(duì)案例庫進(jìn)行檢索。專家系統(tǒng)通過人機(jī)交互界面向用戶展示最終診斷結(jié)果，以及回答用戶的詢問。

2 知識(shí)庫的設(shè)計(jì)

在專家系統(tǒng)中，知識(shí)庫是專家系統(tǒng)的核心之一[4]。專家系統(tǒng)的處理速度和效率取決于系統(tǒng)知識(shí)的質(zhì)量、數(shù)量、組織方式和管理方式[5]。

2.1 知識(shí)的表示

知識(shí)的表示就是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將問題領(lǐng)域的各種知識(shí)結(jié)合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的過程[6]?；诜植际侥茉丛O(shè)備故障產(chǎn)生的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用產(chǎn)生式規(guī)則來表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，表現(xiàn)形式為：

IF（前提部分）

THEN（結(jié)論部分）

WITH（規(guī)則的置信度）

其中前提部分代表一組設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)，結(jié)論部分代表若干設(shè)備故障結(jié)論。規(guī)則的置信度代表規(guī)則的可信任程度，取值為[0,1]，即當(dāng)設(shè)備處于某一狀態(tài)時(shí)，設(shè)備故障結(jié)論正確的概率。

產(chǎn)生式規(guī)則可以采用與或樹形式進(jìn)行展現(xiàn)[7]，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)生式與或樹

圖中帶圓弧的分支表示邏輯與關(guān)系，不帶圓弧的分支表示邏輯或關(guān)系。從圖中可以看出有以下產(chǎn)生式組：

B&C&D→A

E&F→B

G→C

K&H→D

I→D

從以上表達(dá)式可以推導(dǎo)出問題的求解過程，即與或樹的搜索過程。

2.2 某型號(hào)電池診斷規(guī)則

分布式能源設(shè)備眾多，此處以某型號(hào)電池為例進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不符合實(shí)際使用的規(guī)則進(jìn)行刪除，同時(shí)新增一些規(guī)則。系統(tǒng)中原有的主要規(guī)則有：

為了防止消失模在型砂里出現(xiàn)吸水、吸潮等問題，造型后的消失模應(yīng)盡快澆注，造型完成到澆注時(shí)間間隔原則上不允許超過12h。

（1）IF一段時(shí)間后電池內(nèi)阻值比初始內(nèi)阻值大25%～50%THEN電池組出現(xiàn)故障；

（2）IF電池組電壓變化異常AND電池組放電電壓下降快OR充電電壓上升快THEN電池容量可能偏??；

（3）IF電池組開路電壓比平均電壓低25%～50%AND放電電壓下降快THEN電池容量不足；

（4）IF電池組嚴(yán)重高壓AND充放電電流比電池組平均電流小25%～50%THEN電池容量極低，不能再使用；

（5）IF電池組總電壓接近0 AND電池組當(dāng)前電量為0 AND電池組健康狀態(tài)為0 THEN電池?fù)p壞；

（6）IF電池組一般低壓AND電池組當(dāng)前電量小于50%AND電池組放電電壓下降快AND電池組充電電壓小于平均充電電壓的25%～50%THEN充電不足；

（7）IF電池組嚴(yán)重低壓AND電池組開路電壓小于平均開路電壓的25%～50%THEN電池?fù)p壞；

（9）IF電池組一般高壓AND電池組總電壓大于電池組平均充電電壓的50%AND電池組總電流為0 THEN電池內(nèi)部開路；

（10）IF電池組嚴(yán)重低壓AND電池組一般高溫AND電池組溫度上升快AND電池組放電電壓下降快THEN電池內(nèi)部短路；

（11）IF電池組電壓變化異常AND在充放電過程中單體電池電壓經(jīng)常發(fā)生突變THEN電池性能較差；

（12）IF電池組所有遙測量（包括溫度、電壓、組中的單體電壓）保持不變OR都為0 THEN控制器局域網(wǎng)（CAN）接口松動(dòng)，CAN斷線。

2.3 系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

知識(shí)庫將設(shè)備的診斷知識(shí)轉(zhuǎn)化為規(guī)則，生成若干相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)庫存儲(chǔ)模塊，每個(gè)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的規(guī)則[8]。為了方便專家系統(tǒng)對(duì)規(guī)則進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)將規(guī)則的條件部分和結(jié)論部分獨(dú)立開來，即在數(shù)據(jù)庫中每一個(gè)條件和每一個(gè)結(jié)論分別占據(jù)一條記錄。

知識(shí)數(shù)據(jù)庫包含三個(gè)知識(shí)表，如圖3所示。

圖3 知識(shí)數(shù)據(jù)庫包含的知識(shí)表

3個(gè)表中的前提號(hào)、結(jié)論號(hào)、規(guī)則號(hào)都是自然編號(hào)，主要用于提高數(shù)據(jù)的查找效率。其中規(guī)則表中前提號(hào)與前提表中前提號(hào)相關(guān)聯(lián)，規(guī)則表中結(jié)論號(hào)與結(jié)論表中結(jié)論號(hào)相關(guān)聯(lián)。置信度為該條規(guī)則的可信任程度，用于限制該條規(guī)則是否被激活。激活標(biāo)志表示該條規(guī)則是否生效。前提表中閾值的大小由專家進(jìn)行確定，用于限定前提是否被激活。當(dāng)推理診斷結(jié)束后，三個(gè)表中的激活標(biāo)志全部處于非激活狀態(tài)。

3 推理機(jī)的設(shè)計(jì)

推理機(jī)的主要作用是獲取設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并訪問知識(shí)數(shù)據(jù)庫中的知識(shí)表，從而進(jìn)行反復(fù)比較和匹配。故障診斷過程實(shí)質(zhì)是搜索匹配的過程，系統(tǒng)根據(jù)獲取的設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采用判別規(guī)則引導(dǎo)搜索深入，直至得出故障原因[9]。設(shè)備故障推理流程如圖4所示。

圖4 設(shè)備故障推理流程

假設(shè)所獲取的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存在多個(gè)故障特征，專家系統(tǒng)將順序遍歷知識(shí)庫中與該故障特征相關(guān)的規(guī)則，將規(guī)則的前提條件與處理后的故障特征進(jìn)行匹配，若匹配成功，那么系統(tǒng)獲取結(jié)論和置信度，并存入知識(shí)庫。如果遍歷沒有結(jié)束，則繼續(xù)遍歷余下的相關(guān)規(guī)則，并獲取相關(guān)的結(jié)論和置信度。所有的規(guī)則遍歷完成后，系統(tǒng)需判斷是否推理結(jié)束，若推理結(jié)束，系統(tǒng)將按照置信度對(duì)結(jié)論進(jìn)行排序，供用戶選擇察看故障具體原因。

4 案例庫的設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶通過人機(jī)界面向系統(tǒng)輸入故障特征時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的故障信息通過相關(guān)的檢索機(jī)制從案例庫中查找相關(guān)的歷史案例，并與當(dāng)前的故障特征進(jìn)行匹配[10]。如果匹配度高，則使用該案例。如果匹配度低，用戶可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證對(duì)案例進(jìn)行新建存儲(chǔ)，同時(shí)用戶可對(duì)當(dāng)前案例進(jìn)行修改存儲(chǔ)。案例的檢索流程如圖5所示。

圖5 案例的檢索流程

當(dāng)系統(tǒng)再次出現(xiàn)同樣的故障特征時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所獲取的設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從案例庫中尋找與該次出現(xiàn)故障特征最接近的案例，從而可直接獲取系統(tǒng)發(fā)生故障的原因，縮短診斷時(shí)間。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則和案例的專家系統(tǒng)，系統(tǒng)獲取設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并訪問知識(shí)數(shù)據(jù)庫中的知識(shí)表，進(jìn)行反復(fù)比較和匹配，按照置信度對(duì)結(jié)論進(jìn)行排序，供用戶選擇察看故障具體原因。若用戶對(duì)診斷結(jié)論不滿意，可進(jìn)一步輸入故障特征的具體信息，通過相關(guān)的檢索機(jī)制從案例庫中查找相關(guān)的歷史案例，并與當(dāng)前的故障特征進(jìn)行匹配，并得出最終結(jié)論。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在分布式能源領(lǐng)域具有較好的診斷效果。

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上海電氣綠色循環(huán)示范園落成

據(jù)中國上海門戶網(wǎng)站報(bào)道，由上海電氣中央研究院與環(huán)保集團(tuán)下屬船研環(huán)保技術(shù)有限公司合作建設(shè)的環(huán)保節(jié)能綠色循環(huán)示范園日前在船研環(huán)保辦公區(qū)內(nèi)落成。這一示范園于2015年年中開始立項(xiàng)研發(fā)建設(shè)，以“環(huán)保、節(jié)能、綠色、循環(huán)”為設(shè)計(jì)理念，配備整套水處理系統(tǒng)，將污水、雨水分別收集處理，包括模塊化生活污水處理系統(tǒng)、景觀人工濕地系統(tǒng)、雨水回收系統(tǒng)、中水回用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了污水的就地產(chǎn)生、就地處理和就地回用。這一系統(tǒng)還配套光伏發(fā)電系統(tǒng)作為電源補(bǔ)充，降低運(yùn)行成本，并可使用智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)。系統(tǒng)適用于海島、度假區(qū)等具有分散式水處理循環(huán)需求的區(qū)域，能滿足我國環(huán)境保護(hù)及城鎮(zhèn)化建設(shè)的需求。

Aimingat randomfailure causes ofdistributed energyequipment,an expert systemfor diagnosis of faults in distributed energy equipment was designed based on regulations and cases.System by acquiring equipment failure characteristics and inputting them into the knowledge base and case base for matching the system could educe the final diagnoses.The application shows that the system has sound diagnosis effect in the distributed energy fields.

Distributed Energy；Fault Diagnosis；Expert System；Knowledge Base；Case Base

TH122；TP277

A

1672-0555（2016）03-001-04

*上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：14DZ1203400）

2016年4月

楊杰（1986—），男，碩士，助理工程師，主要從事分布式能源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作