基于專家系統(tǒng)的空調(diào)故障診斷研究

摘要：本文將以空調(diào)器為研究對(duì)象，討論在線檢測(cè)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的控制要求，對(duì)故障診斷專家系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特性、知識(shí)庫(kù)構(gòu)建以及推理機(jī)制做出一定的探討。從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)器故障診斷專家系統(tǒng)的構(gòu)建，達(dá)到較好的控制空調(diào)系統(tǒng)的目的。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng) 故障診斷 空調(diào)

1 概述

近年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，空調(diào)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。它能夠使人們的生活環(huán)境更舒服，但是也給相關(guān)的技術(shù)人員提出了一些要求，比如怎樣才能更好地保持空調(diào)的正常運(yùn)行，怎樣才能對(duì)正在運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，并且能夠及時(shí)排除故障等。將專家系統(tǒng)應(yīng)用到故障檢測(cè)領(lǐng)域，充分利用專家積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，模擬人的邏輯思維進(jìn)行推理來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，可降低對(duì)專家的依賴，減輕設(shè)備管理人員的工作量，減少人為失誤，使計(jì)算機(jī)可以高效、準(zhǔn)確地從事大型制冷設(shè)備的維護(hù)管理工作，也有利于專家從這些工作中解脫出來(lái)，使他們有更多的時(shí)間和精力去研究本領(lǐng)域中的一些有規(guī)律的實(shí)質(zhì)性問(wèn)題。

2 實(shí)時(shí)故障診斷專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)的主要模塊有：故障診斷知識(shí)庫(kù)，故障診斷推理機(jī)，故障診斷綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，解釋程序，空調(diào)狀態(tài)知識(shí)獲取和人機(jī)接口。其中知識(shí)庫(kù)和故障綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1.2 空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空調(diào)器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要核心部分由：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)信號(hào)分析子系統(tǒng)。當(dāng)然，另外也包括數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)、基本輸入輸出(I/O)子系統(tǒng)。

2.2 知識(shí)表示

2.2.1 知識(shí)表示需求

針對(duì)解決問(wèn)題的需要，空調(diào)器的診斷知識(shí)應(yīng)包括如下六個(gè)方面：

①設(shè)備運(yùn)行的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)；

②機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)原理及功能知識(shí)；

③診斷案例知識(shí)；

④設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)知識(shí)；

⑤征兆知識(shí)；

⑥推理機(jī)制。

2.2.2 知識(shí)表達(dá)

知識(shí)是專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，是專家經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐積累獲得的，適宜用產(chǎn)生式規(guī)則表示，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)備有很多種，結(jié)構(gòu)上也存在著許多差異，這樣就會(huì)使得規(guī)則庫(kù)非常大，而且不一樣的設(shè)備出現(xiàn)故障的模式和原因也是不一樣的，因此各規(guī)則的針對(duì)性和適用性并不是統(tǒng)一的。如我們可以用式子IF<故障現(xiàn)象>，THEN<結(jié)論>，CF來(lái)表示模糊推理規(guī)則的關(guān)系。在這個(gè)式子中，規(guī)則可信度用CF來(lái)表示， [-1，1] 為其取值區(qū)間，它表示的是規(guī)則條件為真時(shí)對(duì)結(jié)論的信任程度；當(dāng)CF=1時(shí)，表示是確定性規(guī)則。我們可以以標(biāo)識(shí)的形式給規(guī)則做一個(gè)明確的分類。這樣不僅能夠更快地檢索到規(guī)則，還能夠把某些專用規(guī)則區(qū)分出來(lái)，適應(yīng)了系統(tǒng)的診斷要求。

2.2.3 知識(shí)庫(kù)建立

首先建立規(guī)則庫(kù)，這里需要注意兩點(diǎn)：最大限度地簡(jiǎn)化定義規(guī)則的充分條件，防止冗余情況的發(fā)生；規(guī)則間不要有沖突。

下面向我們展示了本系統(tǒng)有關(guān)空調(diào)器的很多診斷規(guī)則，括號(hào)中的數(shù)字表示可信度，缺省狀態(tài)下可信度為100%：

規(guī)則1：如果空調(diào)器產(chǎn)生了不制冷的情況，但是卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)及室內(nèi)外風(fēng)扇有任何的異常，而且旋松室內(nèi)外機(jī)連接閥接頭螺母無(wú)法噴出制冷劑，那么造成這種現(xiàn)象的原因是系統(tǒng)發(fā)生泄漏（90%）。

規(guī)則2：如果空調(diào)器不制冷且冷凝器不熱，蒸發(fā)器不冷且，萬(wàn)用表檢查控制電路正常壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，制冷劑無(wú)泄漏則室內(nèi)外機(jī)連接閥未打開(kāi)（60%）。

…… …… ……

規(guī)則N：如果空調(diào)器制冷效果好且噪聲大則機(jī)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的異常聲音（80%）安裝不當(dāng)引起（60%）。

將以上的規(guī)則輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，完成知識(shí)庫(kù)的建立，然后等待調(diào)用。

2.2.4 知識(shí)庫(kù)維護(hù)

在知識(shí)庫(kù)初始化時(shí)，大量收集知識(shí)的同時(shí)，還要提供一些獲取知識(shí)的工具，這樣就能夠更好地保障現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及相關(guān)專家將新知識(shí)寫入知識(shí)庫(kù)更方便，從而不斷地完善知識(shí)庫(kù)性能。我們可以運(yùn)用知識(shí)調(diào)整方式處理新知識(shí)，視新知識(shí)輸入知識(shí)庫(kù)為正確，也就是說(shuō)我們可以通過(guò)知識(shí)獲取工具中的“檢查”功能對(duì)新寫入的規(guī)則進(jìn)行檢查，并且還要對(duì)已存在的知識(shí)進(jìn)行檢測(cè)處理，如果發(fā)現(xiàn)有沖突的情況，用新知識(shí)調(diào)整更新。

在對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，我們要保證新增加的知識(shí)或者是改動(dòng)過(guò)的知識(shí)與原有的知識(shí)是一致的，不能出現(xiàn)重復(fù)的現(xiàn)象，也不能有冗余或者是沖突，如果一旦有重復(fù)的，那么就一定要?jiǎng)h除與之重復(fù)的知識(shí)。我們可以通過(guò)調(diào)用檢查函數(shù)來(lái)檢查是不是有重復(fù)的現(xiàn)象。

2.3 推理機(jī)

基于知識(shí)的診斷推理的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了診斷推理機(jī)，從本質(zhì)上來(lái)講就是一組計(jì)算機(jī)程序，可以用來(lái)控制、協(xié)調(diào)整個(gè)專家系統(tǒng)。推理機(jī)的設(shè)計(jì)要包括推理方法、推理方向和搜索策略。

2.3.1 推理方法與控制策略

知識(shí)具有不確定性。本系統(tǒng)中，規(guī)則的不確定是由可信因子CF說(shuō)明的，規(guī)則的如果部分和規(guī)則部分的CF決定了該規(guī)則輸出結(jié)論的CF。結(jié)論的CF是經(jīng)過(guò)如下兩個(gè)步驟得到的：①計(jì)算如果部分的CF，如果部分的CF的有效值是由各個(gè)如果子句的CF值以及連接它們的邏輯聯(lián)結(jié)詞綜合決定的。假如各個(gè)如果子句由“與”聯(lián)結(jié)，則各個(gè)如果子句CF值的最小值就是該如果部分CF的有效值；當(dāng)如果子句是由“或”聯(lián)結(jié)時(shí)，各如果子句CF的最大值就是該如果部分CF的有效值。②運(yùn)用簡(jiǎn)單的算術(shù)乘法可以將如果部分的CF和規(guī)則部分的CF合成為一個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值就是規(guī)則結(jié)論的CF值。

2.3.2 推理的方向

常用的推理策略有正向推理、反向推理和混合推理。正向推理是指從原始數(shù)據(jù)和已知條件推斷出結(jié)論的方法，故又稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略或有底向上策略；本系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)采用正向推理的策略。

正向推理一般包括：一組初始事實(shí)和終止條件、一組正向規(guī)則和正向推理機(jī)。

給出了終止條件，系統(tǒng)相當(dāng)于只是求證目標(biāo)；若是不給出終止條件，正向推理在兩種情況下可以自動(dòng)停止：①推理達(dá)到推理網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)終點(diǎn)時(shí)；②沒(méi)有新的可供使用的規(guī)則時(shí)，系統(tǒng)將目前已經(jīng)推出的事實(shí)（中間結(jié)論）作為輸出目標(biāo)；或認(rèn)為沒(méi)有解。

通常情況下，系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中存在若干條規(guī)則，這些規(guī)則中的任何一條的前提部分的事實(shí)通常都有很多條。要想使某一規(guī)則匹配成功，必須要滿足該條規(guī)則前提部分的所有事實(shí)。

2.3.3 搜索策略

根據(jù)搜索過(guò)程中是否需要智能決策，搜索策略往往包括兩種：盲目搜索和啟發(fā)式搜索。盲目搜索法在搜索過(guò)程中沒(méi)必要了解前后相關(guān)的問(wèn)題域的專門信息，而后者則需要這種信息。本系統(tǒng)即采用這種搜索方法，常見(jiàn)的盲目式搜索深度優(yōu)先搜索方法：從樹(shù)跟節(jié)點(diǎn)出發(fā)，逐步向下搜索；廣度優(yōu)先搜索法：在進(jìn)入下一層次以前先檢查處于同一層次的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，逐層進(jìn)行搜索。用這種方法，在問(wèn)題存在解的情況下，就能夠最快地查到解。但是當(dāng)搜索的深度越來(lái)越大時(shí)，搜索節(jié)點(diǎn)可能會(huì)變多，這樣所用的時(shí)間也會(huì)越來(lái)越多。

相比較而言，不難實(shí)現(xiàn)深度優(yōu)先，根據(jù)本系統(tǒng)的特征，我們不僅要做到深度優(yōu)先，并將空調(diào)器的類型分類，這樣就能夠用更少的時(shí)間進(jìn)行搜索了。

2.4 解釋和咨詢機(jī)制的設(shè)計(jì)

解釋程序負(fù)責(zé)回答用戶可能提出的各種問(wèn)題，包括與系統(tǒng)運(yùn)行有關(guān)的問(wèn)題以及系統(tǒng)自身的問(wèn)題。在本系統(tǒng)的解釋程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用預(yù)置文本和路徑跟蹤法。這種解釋方法應(yīng)用起來(lái)更簡(jiǎn)單，知識(shí)工程師在對(duì)系統(tǒng)每個(gè)問(wèn)題的求解方法進(jìn)行解釋設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量采用自然語(yǔ)言等一些比較容易讓用戶接受的形式，設(shè)計(jì)好后插入程序段或相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)生成解釋信息，當(dāng)用戶詢問(wèn)時(shí)，這些解釋信息被填入解釋框架內(nèi)，形成文本的形式去解釋已有征兆和用戶提供征兆下所產(chǎn)生故障的原因。

咨詢的設(shè)計(jì)目的有兩個(gè)：一是向用戶提供有關(guān)空調(diào)器診斷維修方面的知識(shí)，使用戶能夠進(jìn)行這方面的咨詢活動(dòng)；二是向一般的用戶提供學(xué)習(xí)、掌握空調(diào)器故障診斷與維修技術(shù)的手段和機(jī)會(huì)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著空調(diào)在居民生活中的普及，空調(diào)的故障診斷成為一個(gè)新興的課題，它包括了自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)等許多不同領(lǐng)域的知識(shí)，我們需要不斷地更新其知識(shí)庫(kù)，本研究主要是遵循了系統(tǒng)工程思想，充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)，較好地整合了空調(diào)故障診斷專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和解決問(wèn)題的方法，并且建成了空調(diào)故障診斷專家系統(tǒng)，起到了部分代替專家指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修的作用，可以更準(zhǔn)確地識(shí)別故障，并采用相應(yīng)的方法解除故障，不僅能夠使現(xiàn)場(chǎng)檢修效率越來(lái)越高，還能夠減少檢修成本。

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