李 璐

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 天津 300384)

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基于故障樹的輪胎成型機故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計

李 璐

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 天津 300384)

設(shè)計了一種基于故障樹的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了輪胎成型機的故障樹模型和專家診斷知識庫，提出了一種基于故障樹專家系統(tǒng)的輪胎成型機故障診斷方法。基于故障樹理論開發(fā)了輪胎成型機故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)由知識庫、推理引擎、綜合數(shù)據(jù)庫、人機界面、解釋系統(tǒng)與知識獲取系統(tǒng)組成。根據(jù)故障樹模型的指示創(chuàng)建專家系統(tǒng)知識庫，進而在推理機的應(yīng)用下，對設(shè)備進行故障鑒定以及診斷結(jié)果的判定，找到消除故障的方法。

輪胎成型機；故障診斷；專家系統(tǒng)

輪胎產(chǎn)業(yè)在汽車行業(yè)中占有著不可忽視的地位，但隨著工業(yè)規(guī)模不斷擴大、設(shè)備需求不斷增加，如何提供工業(yè)系統(tǒng)運作的可靠性和安全性，盡快找到故障，以便在整個系統(tǒng)被破壞之前，及時采取糾正措施，減少損失，穩(wěn)定生產(chǎn)，是非常重要的。

輪胎成型機故障診斷是輪胎行業(yè)的具體應(yīng)用的一個分支，以往都是依靠工程師感官和經(jīng)驗來進行故障診斷。隨著新型技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，形成現(xiàn)代故障診斷技術(shù)。目前的理論在人工智能專家系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)開始基于智能診斷技術(shù)實現(xiàn)故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

故障樹分析是一種常用的方法，通過分解自上而下的故障樹模型對故障傳播過程進行分析，不易遺漏故障原因[1]。然而，故障樹通常是通過分析圖和數(shù)據(jù)，這樣的故障診斷的相對效率低。因此，采用故障樹分析和故障診斷專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法，可以克服故障診斷技術(shù)的不足之處，實現(xiàn)全面的綜合診斷，同時提高診斷的效率。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(一)知識庫構(gòu)建。面向?qū)ο鬄楣收蠘渲R的表示形式，該系統(tǒng)被劃分成多個故障模式，分為若干小斷層，以便該系統(tǒng)可以減少搜索時間，加速系統(tǒng)的推理速度。每個事件對應(yīng)故障樹的一個節(jié)點，可以充分覆蓋數(shù)據(jù)診斷過程的范圍。

圖1-1表示創(chuàng)建輪胎成型機故障樹的過程。

圖1-1 創(chuàng)建成型機故障樹過程

(二)推理機的構(gòu)建

1.推理方法?？紤]到很難確保每個步驟都能給定有效和可行的方法使用戶確認(rèn)所提供的信息，因此，該系統(tǒng)允許用戶提供不確定性的信息，使用不確定標(biāo)記進行不確定性推理。用戶只需要確認(rèn)所提供的信息是“確定”或“可能”按鈕。此外，如果用戶提供的不確定性導(dǎo)致診斷信息不能被繪制時，系統(tǒng)將提示和引導(dǎo)用戶返回到之前的一個診斷過程中，重新設(shè)置進行信息并確認(rèn)，然后繼續(xù)診斷。

2.推理方向。由于輪胎成型機故障樹本身比較復(fù)雜和結(jié)論的可能性比較多，在采用正向推理方法，即基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的推理，通過用戶的選擇逐漸推理，最終獲得故障的最終原因。

3.搜索策略。本系統(tǒng)中故障樹的節(jié)點表示對象的知識，對象作為規(guī)則的結(jié)果，其子節(jié)點的事件規(guī)則用其他參數(shù)數(shù)據(jù)成員來形容。所有的對象都存儲在一個表中，在對象指針固定位置定位對象的位置被定位。根據(jù)測試結(jié)果診斷程序是由用戶給定的，通過不斷地尋找故障定位的子節(jié)點的指針最終決定。當(dāng)較小的搜索解決方案失敗了，可以繼續(xù)使用推理搜索策略，可以有效地縮短時間，幫助用戶找到問題的根源。

4.推理過程。用戶首先選擇故障模式和故障樹，選擇相應(yīng)的“經(jīng)驗診斷模式”或“常規(guī)診斷模式”進行診斷。系統(tǒng)對給定的對象的答案及其解釋、檢測方法進行診斷，得到檢測結(jié)果來選擇一個節(jié)點。答案通常有三類：所有節(jié)點，一個節(jié)點，沒有節(jié)點，系統(tǒng)將根據(jù)推理不同的答案做出相應(yīng)的診斷。

(三)解釋子系統(tǒng)。系統(tǒng)以滿足不同層次用戶的需求，提高用戶對具有較強的邏輯推理過程的故障診斷和系統(tǒng)的信心，可讀的解釋模塊的描述。解釋機制選用將預(yù)置文本法和路徑跟蹤法融合的方式。因此，解釋模塊可以從該診斷節(jié)點鏈，選擇提供給用戶的解釋信息。

(四)綜合數(shù)據(jù)庫。綜合數(shù)據(jù)庫通過有序的事件節(jié)點確診的動態(tài)列表，它反映了漸進式推理的逐步深化。在事件列表中的每個節(jié)點可以被設(shè)置為對象，原始事件數(shù)據(jù)成員節(jié)點也需要診斷，同時也加入了“失效模式”、“故障樹”、“是否繼續(xù)”和“相信”四個數(shù)據(jù)成員[2]。綜合數(shù)據(jù)庫來源于診斷過程，它也提供了以后將要用到的診斷信息，如給出診斷報告等。

二、系統(tǒng)維護

(一)功能。系統(tǒng)維護模塊主要有四個功能：(1)為及時跟蹤輪胎成型機的技術(shù)狀態(tài)變化，允許對專業(yè)的故障模式和故障樹進行維護和更新；(2)由于輪胎成型機的不斷進行，允許將專業(yè)新出現(xiàn)的故障補充到故障案例中；(3)允許許將刪除過時的記錄；(4)為擴展系統(tǒng)用途，允許增加新的專業(yè)和刪除原有的專業(yè)。

(二)權(quán)限分配

1.初級權(quán)限。初級管理員擁有管理系統(tǒng)的初級權(quán)限，包括對某些專業(yè)的故障模式、故障樹、故障案例和故障記錄等進行管理和維護[3]。

2.高級權(quán)限。高級管理員除擁有對所有專業(yè)的故障模式、故障樹、故障案例和故障記錄等進行管理維護的權(quán)限外，還擁有高級權(quán)限，包括對管理人員的專業(yè)和管理信息的管理。

(三)維護項目。系統(tǒng)維護模塊分為五部分，一是專業(yè)的維護；二是故障模式及故障樹的維護；三是故障案例的維護；四是診斷記錄的維護；五是管理員列表的維護。

(四)通用性和擴展性。設(shè)計中充分考慮故障診斷專家系統(tǒng)的通用性，在系統(tǒng)中幾個模塊，只有數(shù)據(jù)庫具有較強的專業(yè)性，其他模塊是高度靈活的，并且專業(yè)限制不大，可以照常運行[4]。如果更換其他專業(yè)的知識，甚至其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可直接用于故障排除或其他專業(yè)領(lǐng)域[5]。該系統(tǒng)的通用性主要體現(xiàn)在專業(yè)的系統(tǒng)維護模塊的維護部分。

由于輪胎成型機本身是個復(fù)雜和龐大的系統(tǒng)，因此在有限的時間里不可能開發(fā)出很完善的專家系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在知識庫不夠充實，可以診斷的故障類型也很有限，系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了擴展性，以便可以通過后續(xù)工作使系統(tǒng)逐漸趨于完善并投入實用[6]。

三、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃

(一)總體方案選取。該故障檢測系統(tǒng)可以分為以下兩種：一是測試模塊，二是故障診斷模塊。測試模塊的工作原理：測試硬件主要含有特定的傳感器、必要的信號調(diào)理電路以及可操作的計算機系統(tǒng)[7]。它主要提供了將目標(biāo)和測量測試軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞給相應(yīng)的軟件的路徑，再進行數(shù)據(jù)分析和處理；故障診斷模塊是最重要的模塊之一，它主要用于建立故障樹模型，并根據(jù)模型的指示創(chuàng)建專家系統(tǒng)知識庫，進而在推理機的應(yīng)用下，對設(shè)備進行故障鑒定、消除以及診斷結(jié)果的判定，并通過診斷結(jié)果做出一定的判定和分析，簡單闡述產(chǎn)生故障的原因、結(jié)果以及如何消除故障的方法。

[1]李洪寧.基于CBR與FTA的飛機故障診斷專家系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].青島科技大學(xué),2013.

[2]田紅兵.基于GIS的中低壓配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的研究[D].蘭州理工大學(xué),2014.

[3]劉江.基于故障樹的通用航空器故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].中國民用航空飛行學(xué)院,2012.

[4]劉江，左正軍.通用航空器故障診斷專家系統(tǒng)研究[J].科技經(jīng)濟市場,2013(8):7-11.

[5]徐衡.汽車性能檢測線及其故障自動診斷系統(tǒng)[D].南昌大學(xué),2012.

李璐(1988-)，女，漢族，山東人，助教，碩士，天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，研究方向：智能化自動化系統(tǒng)與裝置。