專家系統(tǒng)在制袋機(jī)故障診斷中的應(yīng)用*

彭澤光，肖 波，邵 明

（1.廣東中包機(jī)械有限公司，廣東潮州 515638；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

1 制袋機(jī)故障診斷的技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的制袋機(jī)的故障主要是通過專業(yè)技術(shù)人員來進(jìn)行人工檢測與維修的，這樣的手段來進(jìn)行故障診斷不僅需要大量的人力、物力資源，而且對(duì)于擁有較多技術(shù)參數(shù)的制袋機(jī)來說，需要花費(fèi)的檢測時(shí)間非常多、效率低。現(xiàn)今部分制袋機(jī)上開始應(yīng)用能自動(dòng)檢測的故障診斷系統(tǒng)，其主要通過儀器儀表對(duì)部分關(guān)鍵部位的狀態(tài)檢測來實(shí)現(xiàn)，這樣的故障診斷方法相對(duì)于人工來實(shí)現(xiàn)故障診斷，其效率高得多，但存在以下問題：一是現(xiàn)有的故障報(bào)警裝置過于簡單，只能大概的估計(jì)機(jī)器哪個(gè)地方有問題，卻不能精確的找出問題所在，比如，當(dāng)溫度控制出現(xiàn)故障時(shí)，不能準(zhǔn)確判斷到底是溫控小板出現(xiàn)故障還是檢測溫度的傳感器出現(xiàn)故障；二是制袋機(jī)上需要進(jìn)行診斷檢查的部位，不僅僅在于溫度和速度這兩個(gè)方面，還需對(duì)其一些關(guān)鍵部位的開關(guān)、傳感器以及控制器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷。因而，其故障分析功能存在某些局限性，需要提高診斷精度和擴(kuò)大診斷范圍。

隨著我國制袋機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，我國制袋機(jī)裝備已開始遠(yuǎn)銷東南亞、南亞各國，一旦機(jī)器出現(xiàn)故障，設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)既要能及時(shí)的為客戶排除故障，又要能節(jié)約技術(shù)員的寶貴時(shí)間和高額的維修費(fèi)用。因而在制袋機(jī)上開發(fā)故障診斷系統(tǒng)，通過其來實(shí)現(xiàn)機(jī)器狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)檢測和故障預(yù)測報(bào)警是今后制袋機(jī)發(fā)展的重要方向。

2 制袋機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文開發(fā)一個(gè)制袋機(jī)的故障診斷專家系統(tǒng)，它將專業(yè)維修人員的經(jīng)驗(yàn)用于機(jī)器的故障診斷中，相當(dāng)于有一位專業(yè)維修人員一直在監(jiān)控一臺(tái)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)；另一方面，機(jī)器通過故障診斷專家系統(tǒng)可以很準(zhǔn)確的判斷其運(yùn)行的狀態(tài)和故障的準(zhǔn)確發(fā)生位置，便于故障排除。

該專家系統(tǒng)由若干個(gè)模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（1）知識(shí)庫 知識(shí)庫是支持整個(gè)程序系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，它不僅包括診斷故障的知識(shí)，還包括關(guān)于描述某個(gè)特定問題求解過程的知識(shí)（即如何使用這些知識(shí)的知識(shí)）。本文開發(fā)的專家系統(tǒng)的知識(shí)庫，包括實(shí)例庫和規(guī)則庫兩個(gè)部分。實(shí)例庫存儲(chǔ)的是以往成功處理故障的歷史信息，即成功準(zhǔn)確診斷過的故障實(shí)例。實(shí)例庫的建立根據(jù)制袋機(jī)發(fā)生故障的部位來劃分，比如制袋機(jī)熱電偶故障庫、光電眼故障庫和加熱管故障庫等。規(guī)則庫是表達(dá)由一定的前提推導(dǎo)確定結(jié)論的知識(shí)，故障診斷中的規(guī)則是根據(jù)專業(yè)維修人員在長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得到的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的。

（2）解釋器 解釋器是對(duì)專家系統(tǒng)的診斷行為（即推理過程）的合理性進(jìn)行解釋以及它如何詳細(xì)的解決問題等。

（3）推理機(jī) 推理機(jī)是故障診斷專家系統(tǒng)的中樞，它模擬專家解決問題的思維方式，控制并執(zhí)行對(duì)故障的診斷，它的合理性直接影響了故障診斷的正確性和效率。診斷推理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（4）數(shù) 據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫是指設(shè)備的各種狀態(tài)信息（如機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)、機(jī)器異常時(shí)的數(shù)據(jù)、求解的狀態(tài)、假設(shè)目標(biāo)的狀態(tài)、最終目標(biāo)的狀態(tài)），它是按照一定的格式以文件的形式存儲(chǔ)。

圖2 診斷推理模塊

（5）知識(shí)獲取器 知識(shí)獲取器來對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行管理和維護(hù)，若有新的故障信息產(chǎn)生或原始信息的產(chǎn)生了新的變化，需要對(duì)知識(shí)庫中的信息進(jìn)行更新，以保證和維護(hù)知識(shí)庫的有效性、一致性和完整性。該模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 知識(shí)獲取模塊

（6）黑板 黑板是主要用來記錄系統(tǒng)在進(jìn)行診斷推理過程中用到的控制信息、中間假設(shè)和中間結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)容不斷地改變。它包括計(jì)劃、議程和中間解三部分。

（7）用戶界面 用戶界面即為人機(jī)交互系統(tǒng)，它用于用戶、領(lǐng)域?qū)＜一蛑R(shí)工程師與系統(tǒng)的交互作用，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)處理。它能夠使用戶與該系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)話，使用戶通過輸入一些必要的數(shù)據(jù)，來提出問題和了解推理過程及推理結(jié)果等。同時(shí)系統(tǒng)通過用戶界面，要求用戶回答問題，并回答用戶提出的問題，進(jìn)行必要的解釋。

該故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)，主要針對(duì)制袋機(jī)中常發(fā)生的或發(fā)生時(shí)對(duì)工作產(chǎn)生較大影響的故障。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)專業(yè)維修人員的故障診斷的思路來確定其工作流程。該制袋機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)診斷運(yùn)行時(shí)，主要的流程為：首先采集與診斷相關(guān)的必要信息，將一些不便于處理的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行診斷推理。當(dāng)系統(tǒng)故障報(bào)警時(shí)，判斷該故障是否為新故障，如為新故障則當(dāng)其成功判斷之后，通過學(xué)習(xí)機(jī)制將這一新的故障信息儲(chǔ)存于知識(shí)庫中；如為已出現(xiàn)過的故障，當(dāng)完成診斷任務(wù)時(shí)，對(duì)照以前的故障模型作適當(dāng)?shù)男薷?；若故障判斷失敗，則將該故障信息以及推理狀況存入問題庫，待系統(tǒng)具備更多的知識(shí)時(shí)再進(jìn)行解決，如有必要，需要人工進(jìn)行解決。該系統(tǒng)智能故障診斷與學(xué)習(xí)的工作流程如圖4所示[2]。

3 制袋機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)庫

圖4 智能故障診斷與學(xué)習(xí)的工作流程

本文開發(fā)的診斷專家系統(tǒng)，用于對(duì)整個(gè)制袋機(jī)的故障進(jìn)行診斷，需要診斷的故障比較多，且故障癥狀與故障原因相互交織在一起，若將所有的診斷知識(shí)都集中在一個(gè)大的知識(shí)庫中，會(huì)導(dǎo)致知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫非常龐大，從而大大降低診斷系統(tǒng)的運(yùn)行速度，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本文引入分布式故障診斷專家系統(tǒng)[3]，其知識(shí)庫為分布式結(jié)構(gòu)，它將系統(tǒng)的知識(shí)庫按照制袋機(jī)故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)的一系列癥狀分解成若干個(gè)子知識(shí)庫。當(dāng)出現(xiàn)某種癥狀時(shí)，從相應(yīng)的癥狀知識(shí)庫入手，查找產(chǎn)生癥狀的真正原因，找出故障部位。

分布式診斷過程如圖5所示，可分為三個(gè)步驟：

圖5 分布式診斷過程

（1）對(duì)癥狀進(jìn)行分析，列出可能的原因；

（2）對(duì)所有可能的故障原因分別進(jìn)行求解（即對(duì)該原因進(jìn)行分析判斷，根據(jù)一定的狀態(tài)信息判斷其是否是本次故障的真正原因）。若故障原因?yàn)殚g接的，可在此間接原因下繼續(xù)細(xì)化，直到找到引起該癥狀的一個(gè)直接原因?yàn)橹梗?/p>

（3）對(duì)各個(gè)原因的求解結(jié)果進(jìn)行綜合，判斷產(chǎn)生故障的部位。

將知識(shí)庫按照癥狀特征劃分成一系列子知識(shí)庫后，其規(guī)模要相對(duì)于整個(gè)知識(shí)庫要小得多。在故障診斷時(shí)，它將大量減少需要進(jìn)行求解的可能的故障原因，提高診斷速度。在劃分成各個(gè)癥狀子知識(shí)庫后，根據(jù)各個(gè)癥狀子集確定相應(yīng)的故障原因群以及與之關(guān)聯(lián)的知識(shí)群。這樣，使用單個(gè)癥狀子知識(shí)庫就可單獨(dú)完成對(duì)該癥狀的診斷。

要實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)像專家一樣進(jìn)行故障診斷就必須要將專家的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)以一種合適的表達(dá)方式表示，從而使知識(shí)方便地在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、使用和修改。因此尋找合適的知識(shí)表達(dá)方式是必需的。本文開發(fā)的專家系統(tǒng)使用產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)方法。因?yàn)樵趯＜覍?duì)故障進(jìn)行診斷時(shí)，通常會(huì)用到大量的包含各種因果關(guān)系的知識(shí)，而產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)方法的前提與結(jié)論恰好是一種前后因果關(guān)系，同時(shí)具有模塊性、結(jié)構(gòu)化和通用性的特點(diǎn)，是目前專家系統(tǒng)中最常用的一種表達(dá)方法。產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)方法的一般形式為：IF（前提條件）THEN（結(jié)論）。產(chǎn)生式規(guī)則表示法可用符號(hào)描述了某一領(lǐng)域知識(shí)，它體現(xiàn)了人類專家在解決問題時(shí)的邏輯思維過程，有助于我們按照專家思維來進(jìn)行制袋機(jī)的故障診斷。診斷時(shí)需要大量的知識(shí)可以通過產(chǎn)生式的方式相互配合、協(xié)同作用，一個(gè)產(chǎn)生式的結(jié)論可供另一個(gè)產(chǎn)生式的前提使用，而這個(gè)前提又可產(chǎn)生新的結(jié)論，從而通過這種知識(shí)表達(dá)方式可有效地解決制袋機(jī)的故障診斷問題。

4 結(jié)束語

利用本文開發(fā)的專家系統(tǒng)，只要選擇相應(yīng)的故障癥狀就可以快速實(shí)現(xiàn)制袋機(jī)的故障診。，若遇到該系統(tǒng)診斷過的故障，可直接從實(shí)例庫中調(diào)出相應(yīng)的診斷結(jié)果，診斷過程簡單、高效，目前已經(jīng)開發(fā)的部分證實(shí)了系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)工作正在進(jìn)行中，其應(yīng)用效果將另文介紹。

［1］鄭麗敏.人工智能與專家系統(tǒng)原理及其應(yīng)用［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［2］許麗婷.智能故障診斷專家系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

［3］張偉.基于專家系統(tǒng)的故障診斷在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用［D］.太原：太原理工大學(xué)，2011.