王可軍

淺析高速公路機電設備故障診斷知識建模

王可軍

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

在機電設備管理中，故障診斷是其設備安全與健康運行的重要內(nèi)容。根據(jù)目前在高速公路機電設備故障診斷中所存在的知識共享、重用難度較高的問題，文章提出一些關(guān)鍵的故障診斷方法，并分析在故障診斷中的實際需求，根據(jù)此內(nèi)容構(gòu)建在機電設備故障診斷期間，實際的知識框架與建模的實際流程，并利用Protege軟件來建立知識模型，根據(jù)實例驗證該模型的科學與可行性，以供相關(guān)人員參考。

高速公路；機電設備；故障診斷；知識建模

引言

在傳統(tǒng)的道路機械設備維護過程中，主要依靠運行維護和管理人員的能力，不僅難以保障運維診斷的效率，同時也難以傳播規(guī)范化的操作流程，員工的大量流動導致了企業(yè)的知識流失。公路養(yǎng)護項目清單中包含了很多信息，在日后機電設備診斷期間都具有極大的潛在價值，但這些東西，電腦是無法理解和使用的。因此，對高速公路機電設備的相關(guān)知識進行集成和應用對于提升設備的運維效率和資源的優(yōu)化有著十分重要的意義。

1 高速公路機電故障診斷中基于知識的問題與需求

1.1 問題分析

1.1.1 缺乏規(guī)范的故障診斷知識

一般在過去進行高速公路機電設備故障診斷期間，現(xiàn)場運維人員是主力，但是以人力為主實施故障診斷，不僅具有較大的分散性，且由于個人對于診斷故障的知識理解存在一定的差異性，加上機電設備的種類多樣性，很難去統(tǒng)一一種十分規(guī)范的知識表達方式[1]。并且基于大量高速公路機電設備運維單內(nèi)容研究可以了解到，這里面有大量的故障征兆、診斷和維護的重要信息。而在早期的積累階段，由于沒有采用標準化的方式來記錄這些信息，紙質(zhì)碎片化的記錄內(nèi)容與方法較多，文章內(nèi)容所描述的不夠統(tǒng)一，如果將這些信息錄入到電腦系統(tǒng)中將難以被切實理解。

1.1.2 設備故障診斷知識過于分散

在故障診斷高速公路機電設備過程中，運維工單中會體現(xiàn)出診斷的相關(guān)知識，而另一部分則是在產(chǎn)品的運維說明中或者是一些維修資料文獻中體現(xiàn)，還有一小部分是根據(jù)運維人員經(jīng)驗所記錄在其人員大腦中的知識[2]。所以根據(jù)這些知識的分布情況可以看出，在現(xiàn)有的高速公路知識故障診斷中最為主要的問題就是所包含的知識十分分散，要想將其整合起來也十分困難，這樣就急需要一種科學的方法來將這些知識進行完美整合，以為后續(xù)標準化與規(guī)范化的知識管理機電故障診斷奠定基礎。

1.1.3 缺少集成化的故障診斷方法

由于公路工程的特殊性，對工程機械的可靠性、時效性和精確性提出了更高的需求。隨著計算機技術(shù)和智能儀器的逐步發(fā)展和使用，當前的信號檢測技術(shù)已經(jīng)被引入到了基于手工的檢測中[3]。其中，手工診斷主要是由維修工人進行，由他們自己的技術(shù)和多年的診斷工作完成，雖然這種人工的方式診斷效率快、成本投入低、且診斷的過程可直觀地表現(xiàn)，但是對于運維人員個人的能力和知識儲備有著極高的要求；單憑經(jīng)驗的判斷很容易降低故障診斷的準確率，也容易弱化具體設備的診斷程度。而根據(jù)機電設備的信號故障診斷來講，其可根據(jù)原始故障產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來更加精準地做出判斷。雖然這種方法可提升準確率，但是由于各種機電設備之間錯綜復雜的關(guān)系和連接，設備之間的相互影響會導致信號診斷的方法全局性的缺失。所以為了保障故障診斷的實際結(jié)果滿足高速高爐運維的需求，需要將兩種方法相互結(jié)合，以整體綜合的形式來進行高效、精準的故障診斷與維修指導。

1.1.4 缺少知識的共享

在運維人員多年對機電設備故障進行診斷期間，會積累大量的經(jīng)驗，但是以這種經(jīng)驗來實現(xiàn)知識的描述缺乏一定的規(guī)范性。另外每個人的理解能力存在一定差異，這樣每個運維人員所得出的經(jīng)驗不容易被他人理解，也就造成知識共享方面存在一定的阻礙。不僅如此，部門新人在參與工作時由于缺少足夠的工作經(jīng)驗，同時受到個人能力的限制，促使在與其他工作人員進行交流時也容易出現(xiàn)阻礙。

1.2 需求分析

1.2.1 需要科學有效的知識建模方法

根據(jù)目前高速公路機電設備的故障診斷現(xiàn)狀分析，基于知識的建模是其需要解決的核心問題，解決該知識體系的建模問題也是機電設備故障診斷的有效表示[4]。根據(jù)其本體可以清晰去定義該領域中各種概念與通過將各種不同的理論進行連接，突破了復雜的邏輯關(guān)系、復雜的觀念，將其運用到相應的診斷技術(shù)中去，從而達到最好的結(jié)果。

1.2.2 需要對混合知識的高度處理能力

在對高速公路機電設備故障診斷期間，其所包含的知識內(nèi)容可分為運維指南和專家經(jīng)驗兩大類型。其中運維指南中，其可對機電設備的基本原理進行揭示，但是應用該方法卻難以實現(xiàn)知識建模的有效推理。雖然依據(jù)專家經(jīng)驗可以增加原理推理的速度，但是由于這種經(jīng)驗主觀性較強，且缺少一定措施去綜合所有的知識內(nèi)容，因此為了保障機電設備故障診斷的效果與質(zhì)量，需要將二者進行混合處理，提升混合處理的能力。

1.2.3 需要以知識為支撐建立科學的智能化系統(tǒng)

當前急需一套基于知識內(nèi)容的智能體系來完成對公路機械設備的故障檢測，通過智能化技術(shù)來克服知識不足、信息整合、信息共享、診斷技術(shù)整合困難等諸多問題[5]。

2 基于高速公路機電設備故障診斷知識領域框架

本文以上述探討為背景，重點研究在高速公路機電設備故障診斷中，其所包含的知識如何根據(jù)語義環(huán)境來進行有效應用，在此基礎上，建立起一套科學的智能系統(tǒng)知識模型，為高速公路機械設備的故障診斷提供了依據(jù)。結(jié)合國內(nèi)外學者提出的基于本體的知識地圖架構(gòu)，構(gòu)建了知識結(jié)構(gòu)安全層，本體-知識描述層，展示層，用戶交互層。具體如圖1。

圖1 高速公路機電設備故障診斷領域知識框架圖示

（1）資源層包含機電設備故障診斷過程與維護期間所具有的相關(guān)知識，而這些知識的來源包含設備設計說明書、專家故障診斷的經(jīng)驗、相關(guān)維修案例和其他文獻中的文檔與圖片等。

（2）本體——知識描述層，它將機電設備的故障診斷知識作為一個抽象的本體，由知識節(jié)點、知識鏈接和知識關(guān)聯(lián)構(gòu)成[6]。由知識說明組成。

（3）在顯示層中，知識結(jié)點之間的聯(lián)系是由知識的結(jié)點構(gòu)成的。

（4）在與引擎技術(shù)相結(jié)合的情況下，用戶交互層可以通過檢索程序進行查詢和搜索。

3 基于高速公路機電設備故障診斷知識模型建立

3.1 模型建立的流程

關(guān)于高速公路機電設備故障診斷領域中所實施的知識建模流程如圖2所示。

圖2 知識建模流程圖

先要去確定該機電設備中故障診斷期間所包含知識相關(guān)領域的范圍，隨后根據(jù)該領域范圍來搜索與之相關(guān)的知識內(nèi)容。在此期間，需要做的工作不僅包含搜集相關(guān)領域的知識，還需要對該知識類的屬性和約束條件進行詳細設置，隨后利用Protege軟件構(gòu)建本體模型，以本體為基礎實現(xiàn)實例化的驗證，如果不可行則返回知識搜集的步驟，找尋更加貼合的知識內(nèi)容；如果驗證效果可行，可實現(xiàn)本體可視化的知識模型建立，為后續(xù)知識整合與利用奠定重要基礎。

3.2 相關(guān)知識搜集

一般專家的經(jīng)驗、案例分析和設備出廠期間的設計說明等方式可以明確包含高速公路機電設備故障診斷的相關(guān)知識內(nèi)容，雖然目前國內(nèi)外部分文獻資料中提及了上述內(nèi)容，但是目前還沒有系統(tǒng)且顯性的知識表示來形成以專家經(jīng)驗為主的系統(tǒng)，同時在本次工程內(nèi)容中缺乏一定的系統(tǒng)管理，因此，本次選擇歷史工單的內(nèi)容作為本次知識的收集與整理的主要途徑[7]。

3.3 類的定義、屬性與其之間的關(guān)系

3.3.1 對類進行定義

由具有同樣特征和屬性的實體所組成的一組類，通常按照相關(guān)領域的詞匯和字典來進行定義，然后再按照對象的實際需要來科學地界定類。根據(jù)當前高速公路機械設備的故障診斷狀況，以故障特征的描述來找尋發(fā)生該故障的具體原因，運用經(jīng)驗與參考文獻，提供科學的維護意見。因此，從這一需求出發(fā)，歸納出四種類型：設備類型、故障類型、故障原因和維護計劃類型。四個主要類別中還包括了它們的相關(guān)子類別。首先從故障類別和設備類別兩個方面對類進行定義，然后利用Protege軟件中的類標記構(gòu)造類，然后利用類分析和類描述類來描述類，最后采用概念樹表示法來表示概念層次的特定結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 高速公路機電設備故障診斷類部分截圖圖示

3.3.2 類之間的關(guān)系定義

在整個高速公路機電設備故障診斷的本題中主要存在四種基本的語義關(guān)系，分別為：所屬關(guān)系、整體—部分關(guān)系、實例關(guān)系與屬性關(guān)系；還有可能存在并列、相交、互補與等價關(guān)系等。

3.3.3 類的屬性定義

在屬性的定義中，其主要是為了對類所有的特征進行說明，包含對象與數(shù)據(jù)屬性兩種類型。其中對象屬性表現(xiàn)的是對象之間的關(guān)系；而數(shù)據(jù)屬性則是表示對象和數(shù)值之間的關(guān)系。一般在故障診斷的本題中，其屬性都屬于一對多關(guān)系[8]。另外根據(jù)Class Annotation和Class Description對本體實施屬性的構(gòu)建且通過characteristics來對屬性進行約束。在基于高速公路機電設備故障診斷的本體所存在的類屬性進行定義期間，本文以三種遂向?qū)傩约右猿尸F(xiàn)，如出現(xiàn)、導致和解決三種。而本次所采取的數(shù)據(jù)源則是高速公路機電設備維修維護的歷史工單，其內(nèi)容均為文本形式，所以將類的數(shù)據(jù)屬性定位為string型數(shù)據(jù)。

3.4 本體實例化

為了創(chuàng)建類的對象，需對本體進行實例化，對類別的屬性進行賦值。利用分詞、聚類等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從歷史記錄中抽取出大量有用的信息，并利用protege軟件生成相應的事例。就拿“集成相機”來說，它屬于相機類別，物體的屬性是“出現(xiàn)”，相應的就是出現(xiàn)的圖片變得蒼白等有關(guān)的問題描述，這和其它的例子的表現(xiàn)方法是一樣的。

3.5 領域知識地圖可視化

3.5.1 本體關(guān)系的可視化表現(xiàn)

如圖4所示的內(nèi)容為在OntoGral下機電設備故障診斷本體模型之間的層級與對象屬性關(guān)系，左邊的線條是用不同的色彩來表達的，右邊是描述。Thing包括了一些子類別：故障原因，設備名稱，維修方案和故障種類。這些子類別的關(guān)系和聯(lián)系可以用以下方式來表達：故障的起因—引起—故障類型—設備名稱—發(fā)生—故障類型，維修方案——處理，故障類型，用物體的性質(zhì)把故障類型和其它類別連接起來，從而構(gòu)成類別和類別的關(guān)系。

圖4 OntoGral下的本體模型中之間的類目關(guān)系

3.5.2 實例檢索的可視化

假定集成相機會有顏色失真的問題，具體的處理方法是：先去根據(jù)設備的具體類型以“一體化攝像機”為關(guān)鍵詞進行檢索，隨后展示出一體化攝像機常見的故障類型，例如圖像變白，扭曲，色彩失真，干涉，沒有圖像等。接下來，若真實的故障狀況是顏色畸變，則需要對故障進行馬達處理，從而顯示出故障的具體原因：例如安裝攝像機時出現(xiàn)問題，現(xiàn)場光照不足等。該結(jié)果表明，當出現(xiàn)彩色畸變故障時，也能滿足以上兩種故障的定義。而且，在進行分析的時候，可以推斷出所有的故障，然后進行分析。這是因為同樣的故障，有可能出現(xiàn)的原因不同，所以在這個時候，他的推斷是非常正確和合理的。

假定在檢查之后，沒有發(fā)現(xiàn)光線的問題，那么就需要繼續(xù)點擊相機的設定，找到一個解決辦法，然后重新調(diào)整白平衡；此流程還提供了一個特定的解決方案，其中主要是設備的故障。

4 結(jié)束語

本研究旨在將作業(yè)單中的數(shù)據(jù)價值最大化，以更好地分享高速公路機械設備故障診斷的相關(guān)知識，以此來提升整個高速公路機電設備故障診斷效率和運維能力，本文以本體的概念引入，根據(jù)protege軟件創(chuàng)建關(guān)于其機電設備故障診斷相關(guān)領域的知識模型，從而有效地克服了由于知識的同構(gòu)化、隱蔽性等原因造成的知識不能分享的問題。通過算例來說明所提算法的有效性，說明該方法的可行性，以可視化的展示來表現(xiàn)該理論的價值與意義。

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A Brief Analysis on Fault Diagnosis Knowledge Modeling of Expressway Electromechanical Equipment

In the management of electromechanical equipment, fault diagnosis is an important part of the safe and healthy operation of the equipment. According to the difficulty of knowledge sharing and reuse in the fault diagnosis of expressway electromechanical equipment, this paper puts forward some key fault diagnosis methods, and analyzes the actual needs in fault diagnosis, according to this content, the actual knowledge frame and the actual process of modeling are built during the fault diagnosis of electromechanical equipment, and the knowledge model is established by using Protege software, and the scientific and feasibility of the model is verified by an example, so as to provde reference for relevant personnel.

expressway; electromechanical equipment; fault diagnosis; knowledge modeling

U418

A

1008-1151(2022)09-0066-04

2022-05-19

王可軍，男，廣西賓陽人，廣西路建工程集團有限公司工程師，從事交通工程建設及工程設備管