液壓挖掘機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張慶偉張 盈

1.濟(jì)南大學(xué) 山東濟(jì)南 250022 2.濟(jì)寧市公路管理局 山東濟(jì)寧 272000

液壓挖掘機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張慶偉1張 盈2

1.濟(jì)南大學(xué) 山東濟(jì)南 250022 2.濟(jì)寧市公路管理局 山東濟(jì)寧 272000

近年來(lái)，為了滿足復(fù)雜系統(tǒng)的診斷要求，診斷技術(shù)已開始進(jìn)入一個(gè)新的階段，即智能化診斷階段。這是一種基于專家知識(shí)和人工智能技術(shù)的診斷方法。通過(guò)專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法對(duì)故障診斷進(jìn)行了研究。應(yīng)用人工智能理論，開發(fā)了液壓挖掘機(jī)的故障診斷專家系統(tǒng)。對(duì)液壓挖掘機(jī)的故障原理進(jìn)行了全面的分析，建立了故障知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

人工智能；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷；專家系統(tǒng)

液壓挖掘機(jī)是非常復(fù)雜的機(jī)電液一體化的大系統(tǒng)，并不斷向著高速度、高功率、高可靠性、大型化的方向發(fā)展，這就造成液壓挖掘機(jī)的故障維修非常困難。本文提出用專家系統(tǒng)來(lái)診斷故障的方法，用這種方法可以不用對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行解體而進(jìn)行故障診斷，可以縮短挖掘機(jī)的故障停機(jī)時(shí)間，提高挖掘機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。

一、故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓挖掘機(jī)的故障診斷專家系統(tǒng)是一個(gè)集信號(hào)、采集、工況分析、狀態(tài)顯示及故障診斷的多任務(wù)信息處理系統(tǒng)，由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，下位機(jī)完成液壓挖掘機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集功能，上位機(jī)完成液壓挖掘機(jī)的故障診斷功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了液壓挖掘機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和離線故障診斷功能。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

二、故障診斷專家系統(tǒng)的組成

專家系統(tǒng)（Expert System，簡(jiǎn)稱ES）是一種具有專家水平的、基于知識(shí)的、智能化的計(jì)算機(jī)程序，是研究如何利用專家知識(shí)來(lái)解決某專門問(wèn)題而建立的人機(jī)系統(tǒng)的方法和技術(shù)。本故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括6個(gè)部分：知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)接口、解釋程序和知識(shí)獲取程序。

圖2 液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.人機(jī)接口

人機(jī)接口主要完成輸入、輸出和顯示功能，輸入功能是指使用戶和專家可以方便地向知識(shí)庫(kù)添加知識(shí)，輸入人工排障指令、調(diào)用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的指令、調(diào)用顯示模塊的指令和修改指令等。顯示功能是指顯示相應(yīng)診斷模塊的診斷結(jié)果，或以文字說(shuō)明，或以圖表顯示。

2.推理機(jī)

推理機(jī)是專家系統(tǒng)的組織控制機(jī)構(gòu)，它根據(jù)當(dāng)前的輸入數(shù)據(jù)（如機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中的各種征兆），運(yùn)用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，按一定的策略進(jìn)行推理，以達(dá)到要求的目標(biāo)。在推理機(jī)作用下，一般用戶能夠如同領(lǐng)域?qū)＜乙粯咏鉀Q某一領(lǐng)域的困難問(wèn)題。在本系統(tǒng)中，推理機(jī)主要由邏輯推理1和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。邏輯推理1主要包括含有一些有關(guān)征兆參數(shù)方面的邏輯知識(shí)，邏輯推理1利用這些邏輯知識(shí)對(duì)所輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則通過(guò)它的結(jié)構(gòu)中所包含的故障診斷知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)從故障征兆到故障類型的映射。

3.解釋程序

解釋程序向用戶解釋系統(tǒng)的推理過(guò)程并回答用戶提出的問(wèn)題，使系統(tǒng)具有透明性。系統(tǒng)在一次咨詢結(jié)束后主動(dòng)詢問(wèn)用戶是否想知道系統(tǒng)如何得出結(jié)論。若用戶要求解釋，則系統(tǒng)從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出保存用過(guò)的規(guī)則名去查尋知識(shí)庫(kù)，并在屏幕上顯示所采用規(guī)則的內(nèi)容。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯推理2，通過(guò)邏輯推理2對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行解釋。在邏輯推理2中，根據(jù)不同的診斷對(duì)象總結(jié)了診斷對(duì)象的邏輯推理規(guī)則用來(lái)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷輸出進(jìn)行處理，把處理的結(jié)果以故障表的形式輸出，即通過(guò)邏輯推理2和故障表來(lái)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)果進(jìn)行解釋。

4.學(xué)習(xí)系統(tǒng)

系統(tǒng)的學(xué)習(xí)主要是指系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用知識(shí)工程師所建立的故障樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，從而把故障診斷知識(shí)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閥值的形式存儲(chǔ)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)神經(jīng)元當(dāng)中，即學(xué)習(xí)系統(tǒng)的建立就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立，本系統(tǒng)選用BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)。本系統(tǒng)的故障診斷算法及信息流程如圖3所示。

圖3 故障診斷算法及信息流程圖

5.數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)又稱為工作存儲(chǔ)區(qū)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，是用于存儲(chǔ)所診斷問(wèn)題領(lǐng)域內(nèi)原始特征數(shù)據(jù)信息、推理過(guò)程中得到的各種中間信息和解決問(wèn)題后輸出結(jié)果信息的存儲(chǔ)器。

6.知識(shí)庫(kù)

知識(shí)庫(kù)包含了所要解決的問(wèn)題領(lǐng)域中的大量事實(shí)和規(guī)則，即知識(shí)庫(kù)是領(lǐng)域知識(shí)和該專家系統(tǒng)工作時(shí)所需的常識(shí)性知識(shí)的集合，包括邏輯性知識(shí)和啟發(fā)性知識(shí)。邏輯性知識(shí)是指確保其準(zhǔn)確無(wú)誤的知識(shí)，通常是一些常識(shí)性的知識(shí)；而啟發(fā)性知識(shí)是指領(lǐng)域?qū)＜宜莆盏囊恍┲R(shí)，它們通常沒(méi)有嚴(yán)緊的理論依據(jù)，很難保證其普便正確性，也就使得專家系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)出錯(cuò)。

知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)可以用一種或幾種知識(shí)表示方法來(lái)表示。知識(shí)的表示方法直接決定著知識(shí)庫(kù)的組織結(jié)構(gòu)并直接影響著整個(gè)專家系統(tǒng)的工作效率。知識(shí)庫(kù)是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，它內(nèi)存的知識(shí)可以通過(guò)程序來(lái)提取和管理。知識(shí)庫(kù)應(yīng)易于存入新知識(shí)而且不和已知的知識(shí)互相發(fā)生干擾，減少和已有知識(shí)之間的矛盾和沉余，確保知識(shí)的一致性和有效性。

三、系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

本故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用軟件工程的方法把故障診斷軟件的開發(fā)和維護(hù)的復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分解，把軟件的開發(fā)依次分為若干個(gè)階段，每個(gè)階段有相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，然后逐步完成每個(gè)階段的任務(wù)，前一個(gè)階段任務(wù)的完成時(shí)為后一個(gè)階段任務(wù)開始的前提和基礎(chǔ)，而后一個(gè)階段任務(wù)的完成通常是使前一階段提出的解法更進(jìn)一步的具體化。據(jù)以上的分析，本文設(shè)計(jì)出如圖4所示的診斷系統(tǒng)，包括系統(tǒng)管理、故障診斷、知識(shí)管理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模塊，用戶接口通過(guò)菜單、對(duì)話框、系統(tǒng)信息等方式提供友好的人機(jī)界面。

圖4 專家系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

四、結(jié)束語(yǔ)

故障診斷專家系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用VC++ 6.0，系統(tǒng)采用多文檔窗體進(jìn)行窗口顯示，界面風(fēng)格統(tǒng)一、美觀，通過(guò)圖文并茂的用戶界面可以實(shí)現(xiàn)集信號(hào)采集、工況分析、狀態(tài)顯示及故障診斷、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、歷史記錄查詢、統(tǒng)計(jì)分析圖、報(bào)表打印和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，十分方便用戶使用。采用故障診斷專家系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行液壓挖掘機(jī)的故障診斷，可以不用對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行解體而進(jìn)行故障診斷，縮短挖掘機(jī)的故障停機(jī)時(shí)間，提高挖掘機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]施錦丹，王凱，王伯成.液壓系統(tǒng)故障診斷綜述[J].機(jī)床與液壓，2008，36（11）：175～179

[2]靳智明.論工程機(jī)械的智能化發(fā)展[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（5）：257～259

[3]杜鵬.面向?qū)ο蟮囊簤和诰驒C(jī)故障診斷系統(tǒng)研究[D].：吉林大學(xué)，2008

[4]劉影，王耀華，王小強(qiáng).淺析基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)液壓系統(tǒng)智能故障診斷系統(tǒng)的方法[J].礦山機(jī)械，2007，35（2）：124～126

[5]張震，崔林立，劉芬.基于人工智能的創(chuàng)造性思維的模擬方法[J].蘇州科技學(xué)院報(bào)（自然科學(xué)版），2007，24（3）：59～63

[6]李伶.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓挖掘機(jī)故障診斷推理技術(shù)及應(yīng)用研究[D].浙江大學(xué)，2004

The design of an expert system on diagnosing the malfunction of hydraulic excavator

Zhang Qingwei1, Zhang Ying2
1.University of Jinan, Jinan, 250022, China
2.Jining highway administration, Jining, 272000, China

In recent years, diagnosis technology has already come into the new stage-intelligent fault diagnosis to satisfy diagnosis request in some complex system. This is a diagnosis method based on expert knowledge and intelligence technology. In this paper, research on fault diagnosis is based on expert system and neural network.Based on artificial intelligence theory, the author developed an expert system on diagnosing the malfunction of hydraulic excavator. The diagnosis principle of hydraulic excavator has been analyzed. The fault knowledge base has been built. The state monitoring and fault diagnosis can been carried out.

artificial intelligence; state monitoring; fault diagnosis; expert systems

2010-03-07

張慶偉，本科，在職碩士研究生，助理工程師。張盈，本科，助理工程師。