故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

吳文輝　王燕妮

摘要：文章研究了故障診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并設(shè)計了故障診斷系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：故障診斷

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.022

0 引言

日常工作中經(jīng)常需要處理故障，專業(yè)人士根據(jù)故障現(xiàn)象逐步判斷分析，確定故障源，然后根據(jù)故障情況來確診，找尋解決辦法。以往的診斷依賴個人經(jīng)驗，經(jīng)驗越豐富的人員診斷的速度越快，診斷越準(zhǔn)確，新工作人員需要長時間的積累經(jīng)驗才能達(dá)到工作要求。

利用故障診斷系統(tǒng)將每次故障的故障現(xiàn)象記錄到數(shù)據(jù)庫，使得具有專業(yè)知識的新手能快速熟悉系統(tǒng)，熟悉并掌握專家掌握的豐富故障知識，并進(jìn)行故障診斷分析，可以通過系統(tǒng)對故障進(jìn)行統(tǒng)計分析以便預(yù)防故障，同時加速新手技能的熟練進(jìn)度。

故障診斷的過程實際就是一個模式識別的過程。先看看人員診斷的過程，首先發(fā)現(xiàn)易識別的故障現(xiàn)象，然后根據(jù)自己的經(jīng)驗，推斷可能發(fā)生了什么故障，并進(jìn)一步確診故障的原因。從模式識別的角度看，就是故障現(xiàn)象的匹配過程，根據(jù)已知的故障現(xiàn)象從系統(tǒng)中檢索可能的故障，并根據(jù)可能的故障中還未發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象一一確認(rèn)、排除，最終確診故障。

故障診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法有很多，比如專家系統(tǒng)、決策樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、遺傳算法11]，專家系統(tǒng)比較成熟，在診斷系統(tǒng)方面表現(xiàn)突出，這里采用專家系統(tǒng)來實現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)，以滿足基本要求、并快速實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

專家系統(tǒng)，將人類專家的經(jīng)驗、知識通過知識庫的形式存儲，使用計算機(jī)模擬人類專家的思維方式，使得計算機(jī)具有專家的水平解決復(fù)雜問題。

專家系統(tǒng)主要是知識庫和推理機(jī)的設(shè)計，其它還有知識表示、人機(jī)交互等，下面主要說明故障診斷系統(tǒng)的知識庫和推理機(jī)的設(shè)計。

1.1 故障診斷系統(tǒng)的知識庫

系統(tǒng)發(fā)生故障時，常常伴有一些現(xiàn)象發(fā)生，如異常聲音、某部件異常溫度等，這些能被人直接感知、或通過儀器直接測量，并且不能再進(jìn)一步細(xì)分的現(xiàn)象，將其稱為故障基本現(xiàn)象，下文將其簡稱為故障現(xiàn)象。

這些故障現(xiàn)象及其與故障的關(guān)系構(gòu)成知識庫的基本內(nèi)容，系統(tǒng)用兩個關(guān)聯(lián)的表存儲，一是存儲故障信息的表，二是存儲故障現(xiàn)象的表，故障信息表的主鍵ID作為故障現(xiàn)象表的外鍵將兩個表關(guān)聯(lián)。

系統(tǒng)中存儲的故障現(xiàn)象，應(yīng)該描述準(zhǔn)確、簡單，一般各用戶都可提交故障和故障現(xiàn)象，然后經(jīng)過多個專家的評審，修改故障和故障現(xiàn)象的描述，然后存入知識庫，確保準(zhǔn)確、無歧義。這是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，需要經(jīng)過長時間、大量人員的共同努力才能逐步完善。

1.2 故障診斷系統(tǒng)的推理機(jī)

推理機(jī)，實現(xiàn)知識的推理。故障診斷系統(tǒng)的診斷過程是，將已發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象和系統(tǒng)記錄的每個故障的故障現(xiàn)象進(jìn)行對比，按照匹配度從大到小排序，匹配度越高的越可能是發(fā)生的故障。系統(tǒng)的推理為故障現(xiàn)象集合的匹配，具體過程為：

設(shè)：

故障A（i）的故障現(xiàn)象為集合C（i）={c（i，1），c（i，2）…c（i，n）}（n>0）

現(xiàn)有故障現(xiàn)象集合T={t（1），t（2）…t（m）}（m>0）

從現(xiàn)有故障現(xiàn)象分析可能故障的過程等價于從已有故障現(xiàn)象集合c（1），c（2）…中找到與T最佳匹配的集合。兩個集合的差異越小，匹配度越大。最佳匹配是已發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象和某個已知故障A（k）的故障現(xiàn)象集合完全相同。這里的差異包括兩個方面：一是T中有c（k）中沒有的，二是c（k）中有T中沒有的。

用集合的方式表示集合匹配：

先說明一下3個表達(dá)式的含義

T-C（k）：T中含有的現(xiàn)象，并且不在C（k）中的現(xiàn)象

C（k）T：C（k）中含有的現(xiàn)象，并且不在T中的現(xiàn)象

Count（T）：T集合中現(xiàn)象的個數(shù)

最佳匹配就是將匹配結(jié)果按照Count（T-C（k））的降序、Count（C（k）-T）的降序排序，排序位置越靠前，匹配度越高。如圖1所示，兩個圓圈分別表示T和C（k），D1、D2是兩個不同故障現(xiàn)象子集，S是相同的故障現(xiàn)象子集，D1、D2越小，S越大，則T和C（k）匹配度越高。

實際使用時，可能先發(fā)現(xiàn)一部分故障現(xiàn)象，然后根據(jù)系統(tǒng)提示，確認(rèn)另外一些故障現(xiàn)象是否發(fā)生。復(fù)雜情況下，可能有幾種故障同時發(fā)生。因此匹配的過程是動態(tài)的，隨著已發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象逐漸變化。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用BS結(jié)構(gòu)，分為故障現(xiàn)象管理、故障診斷、故障現(xiàn)象統(tǒng)計分析、培訓(xùn)考核、用戶管理五個部分。

2.1 故障現(xiàn)象管理

故障基本現(xiàn)象和故障之間關(guān)系是系統(tǒng)的知識庫，是故障診斷的基礎(chǔ)。有兩類人員操作：

一是所有人員可以記錄發(fā)現(xiàn)的故障和故障基本現(xiàn)象，如某部件的異常響聲、異常溫度，發(fā)生故障時的天氣、溫濕度等各種可能導(dǎo)致故障的因素。

二是經(jīng)驗豐富的專家對系統(tǒng)記錄的故障和基本現(xiàn)象進(jìn)行分析整理，刪除不合適的基本現(xiàn)象，添加漏掉的基本現(xiàn)象，修改不準(zhǔn)確的描述，合并重復(fù)的故障，并對各種疑難進(jìn)行說明。

系統(tǒng)提供方便的操作界面方便各種增加、刪除、修改操作，在初期將專家的經(jīng)驗存儲到數(shù)據(jù)庫中，在運行過程中不斷豐富完善。

2.2 故障診斷

操作人員將已發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)通過關(guān)鍵詞匹配故障現(xiàn)象，方便用戶進(jìn)行選擇，以免出現(xiàn)相同故障現(xiàn)象的描述出現(xiàn)偏差。系統(tǒng)根據(jù)已錄入的故障現(xiàn)象集合進(jìn)行匹配，展現(xiàn)匹配度最高的幾個故障及其故障現(xiàn)象，用戶查看未出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，并一一確認(rèn)，以便精確診斷故障。

2.3 故障現(xiàn)象統(tǒng)計分析

對記錄的故障及故障現(xiàn)象進(jìn)行各種統(tǒng)計分析，統(tǒng)計各種因素，如人、時間、地點、天氣、溫濕度等，將這些因素和故障現(xiàn)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，找到現(xiàn)象和各因素可能存在的關(guān)系，然后根據(jù)找到的規(guī)律調(diào)整改進(jìn)診斷、預(yù)防策略。

如：統(tǒng)計故障的時間分布規(guī)律，找到故障多發(fā)時間段，在該時間段增加檢測次數(shù)。統(tǒng)計各部件的故障規(guī)律，針對各部件定制檢測時間，可以做到預(yù)防故障發(fā)生。

從系統(tǒng)統(tǒng)計的大量數(shù)據(jù)中，運用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，盡可能的分析故障數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，就可以有針對性的進(jìn)行預(yù)防，如可以制定合適的檢測時間周期，在溫度達(dá)到邊界值時增加檢測頻率，在部件運行達(dá)到一定時間后進(jìn)行針對性的檢測，預(yù)防故障發(fā)生。

2.4 培訓(xùn)考核

采用系統(tǒng)記錄的故障現(xiàn)象，對工作人員進(jìn)行培訓(xùn)考核，如網(wǎng)絡(luò)考試方式，使工作人員盡快熟悉各種故障現(xiàn)象。

為保證公平，同場考試中，每人所用試卷的題目應(yīng)該一樣，同時至少保證相鄰位置的試卷不同，可對答案和順序通過處理，使得各試卷不一樣。系統(tǒng)中，試題和答案隨機(jī)排序，避免考試答案固定。用戶可以通過多次答題，熟悉各種故障現(xiàn)象。

系統(tǒng)對用戶的答題情況進(jìn)行統(tǒng)計，分析出錯率高的題目，并且有針對性的出題。統(tǒng)計每個用戶擅長診斷的故障，并在分配工作時進(jìn)行針對性的安排。

2.5 用戶管理

對使用系統(tǒng)的用戶進(jìn)行增刪改操作，并對用戶的權(quán)限進(jìn)行增刪改操作。系統(tǒng)用戶分為兩種：普通用戶、管理員。普通用戶的主要功能有：注冊、登錄、提交故障數(shù)據(jù)、查詢故障、評價修改故障數(shù)據(jù)、對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、網(wǎng)絡(luò)考試、修改個人密碼等。管理員的主要功能有：普通用戶的功能、管理用戶、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、試卷的管理等。

系統(tǒng)需檢查每個輸入的合法性，防止非法數(shù)據(jù)導(dǎo)致的異常，如登錄中非法字符、登錄次數(shù)限制等。

3 小結(jié)

本文分析了故障診斷系統(tǒng)的原理，描述了系統(tǒng)功能設(shè)計。在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)實現(xiàn)了較好的效果。下一步需要簡化故障現(xiàn)象錄入工作，并考慮如何輔助故障的整理歸檔工作，以便減輕人員的工作量，并提高準(zhǔn)確性。在特定的系統(tǒng)中，故障現(xiàn)象之間有穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以通過該關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)一步提高匹配的準(zhǔn)確度。如果能和傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，在特定的點采集相應(yīng)的信息，比如溫濕度、聲音等，系統(tǒng)將在一定程度上達(dá)到自動故障預(yù)警的效果。