基于Android 的故障診斷專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

范會敏 陳 棚 張 萌

(西安工業(yè)大學計算機科學與工程學院 陜西 西安 710032)

0 引 言

專家系統(tǒng)產生于20 世紀60 年代中期，經過多年的科學研究，理論和技術越來越成熟，其應用已經滲透到了許多領域，成為人工智能開始走向實用化的標志［1］。專家系統(tǒng)在故障診斷領域的應用非常廣泛，長期以來，廣泛的應用在航空、農業(yè)、醫(yī)療、電力、化工、石油、船舶、等領域，故障診斷技術與專家系統(tǒng)相結合，使工程的安全性與可靠性得到保證［2、3］。

但是傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)往往都在PC 機上開發(fā)，缺乏便攜性，難以滿足在外工作人員的需求，這都顯示了傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的局限性。近年來，Android 技術和移動互聯(lián)網技術的不斷發(fā)展為解決移動性、語言差異、平臺差異所帶來的高代價系統(tǒng)集成提出了一個很好的解決方案。Android 是首個為移動終端打造的真正開發(fā)和完整的移動軟件平臺，Android 的特點是其開放性，軟件開發(fā)人員可以自由開發(fā)出優(yōu)秀的軟件。移動互聯(lián)網技術的快速發(fā)展使得Android 設備能更快、更方便地訪問互聯(lián)網［4］。基于Android 的專家系統(tǒng)是專家系統(tǒng)新的發(fā)展方向，是專家系統(tǒng)廣受歡迎的模式。

1 故障診斷專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)指的是在某一個特殊的領域內，以人類專家的水平去解決該領域中的困難問題的計算機程序。這個程序系統(tǒng)內部具有大量專家的領域知識與經驗，它能利用人類專家可用的知識和推理方法來解決這些問題，并且得到與專家相同的結論［1］。

專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)應用程序最根本的區(qū)別是:專家系統(tǒng)處理知識，傳統(tǒng)程序處理數(shù)據(jù)。一個最基本的專家系統(tǒng)應由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋機構、知識獲取機構和人機接口6 個部分組成，如圖1 所示。

圖1 專家系統(tǒng)結構

專家系統(tǒng)是人工智能從理論研究向實際應用的一個轉折點，它作為人工智能的一個分支，在人工智能商品化中取得了很大成功，一方面因為專家系統(tǒng)是能滿足某種實際需要的應用程序，另一方面因為它是可以實現(xiàn)的［5］。在很多領域，如化學、地質、醫(yī)療診斷等領域，專家系統(tǒng)的質量已經達到了很高的水平，發(fā)揮了很大的作用，在為人類專家與用戶之間的良好信息處理和溝通媒介，促進了特定領域中理論形成和應用的發(fā)展。

故障診斷是一個系統(tǒng)內的某一部件結構失效的準確診斷過程。診斷的最終目標是充分確認造成故障的最終原因，以便能很好地排除其它故障［6］。

故障診斷技術運用電子技術、信息技術、信號分析技術以及計算機技術等先進手段，獲取設備運行過程中各參數(shù)的變化信息，分析其特征，如果發(fā)現(xiàn)設備當前未處于正常狀態(tài)，則認為其發(fā)生故障，并進一步檢查出故障的部位、類型、及嚴重程度，最后給出診斷結論［7、8］。故障診斷技術是典型的多學科相互交叉滲透的綜合性技術。

故障診斷技術與專家系統(tǒng)相結合，就構成故障診斷型專家系統(tǒng)。

2 移動互聯(lián)網技術

2.1 移動互聯(lián)網簡介

移動互聯(lián)網是當前信息技術領域最熱門的話題之一，它體現(xiàn)了“無處不在的網絡、無所不能的業(yè)務”的思想，正在改變著人們的生活方式和工作方式。移動互聯(lián)網能讓用戶在移動中通過移動設備隨時、隨地訪問Internet、獲取信息，進行商務、娛樂等各種網絡服務［9］。自從中國3G 網絡的投入運營，iPhone、Android 等智能手機終端以及應用平臺的出現(xiàn)，使得移動互聯(lián)網得以如此迅猛地發(fā)展。

移動互聯(lián)網終端平臺的競爭正從封閉、一家掌控式的平臺向開放式創(chuàng)新、產業(yè)協(xié)同的平臺發(fā)展，平臺的領導者將真正成為產業(yè)鏈的領導者，不同平臺的競爭將演化為不同產業(yè)生態(tài)體系的競爭。

2.2 Android 簡介

Android，是一個以Linux 為基礎的開放源代碼移動設備操作系統(tǒng)，主要用于移動設備，由Google 成立的OHA(開放手持設備聯(lián)盟)持續(xù)領導與開發(fā)中。在優(yōu)勢方面，Android 平臺首先就是其開發(fā)性，開發(fā)的平臺允許任何移動終端廠商加入到Android 聯(lián)盟中來［10］。顯著的開放性可以使其擁有更多的開發(fā)者，隨著用戶和應用的日益豐富，一個嶄新的平臺也將很快走向成熟。

2.3 移動互聯(lián)網的主流移動方案

在移動互聯(lián)網背景下，主流的移動方案主要有3 種，分別是基于B/S 構架模式的Web 應用、原生客戶端應用和移動Web 應用。

Web 應用是通過使用Website 和Web 瀏覽器技術，跨越網絡完成一個或者多個任務的應用程序，通過基于B/S 架構模式實現(xiàn)。但它的缺點明顯，無法使用移動設備提供的高級硬件功能，如攝像頭。

移動Web 應用是在原生客戶端中嵌入基于前端技術構建的HTML 頁面視圖，能夠通過移動設備中的瀏覽器進行查看和操作，最主要的目的是為了解決跨平臺訪問信息問題。移動Web 應用一般通過HTML5、CSS3、JavaScript 或前端框架技術來構造頁面視圖，可以被客戶端內置的WebKit 瀏覽器解析［11］。缺點是受限于瀏覽器引擎的處理能力，部分類型的操作可能需要與Web 端通信，動畫、圖形內容因需要緩沖而時常存在響應延遲。

原生客戶端應用和Web 應用正好相反，原生應用程序被安裝在Android 手機上，它可以使用手機硬件功能，而且采用Java 語言編寫，能夠本地精細化定制，對用戶的操控響應靈敏。

本文采用原生客戶端開發(fā)模式設計和實現(xiàn)了一款應用，該應用基于Android 平臺，以故障診斷專家系統(tǒng)為主題，通過Http 請求實現(xiàn)客戶端和服務器之間的信息交互，從而讓用戶快速獲取相關數(shù)據(jù)。

3 移動式故障診斷專家系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體需求

對故障設備能夠進行正確的診斷，用戶通過智能手機輸入故障設備的特征，系統(tǒng)通過推理后給出輸入故障的故障原因，并給出故障處理意見。

通過Android 智能手機，知識工程師可以向知識庫添加新的知識。

設計系統(tǒng)要充分考慮故障知識的特點，運用適當?shù)谋硎痉椒ū硎竟收现R。根據(jù)故障型專家系統(tǒng)特點，采用產生式表示法和框架表示法進行表示故障知識。

選擇框架表示結構性知識，選擇產生式表示法表示診斷性過程知識。

故障診斷專家系統(tǒng)的設計內容主要包括故障知識庫、推理機、知識獲取機構以及人機交互界面。

3.2 系統(tǒng)體系架構

本系統(tǒng)采用C/S 結構，因為C/S 結構最大的優(yōu)勢是，交互性好，數(shù)據(jù)安全性高。Android 客戶端通過移動互聯(lián)網訪問專家系統(tǒng)服務器，如果需要數(shù)據(jù)訪問，則訪問后臺數(shù)據(jù)庫，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)體系架構圖

3.3 系統(tǒng)功能模塊設計

系統(tǒng)由四個部分構成:故障診斷、知識庫管理、操作指南和用戶管理。故障診斷是使用專家系統(tǒng)進行故障診斷的入口，在故障診斷中可以輸入故障現(xiàn)象進行故障診斷，知識庫管理是向專家系統(tǒng)中添加知識的入口，維護知識庫時通過該入口進入，操作指南是對專家系統(tǒng)的功能說明以及各種操作幫助信息，操作指南并不是可有可無的部分，它的詳細程度有時直接影響到操作者操作專家系統(tǒng)的準確度甚至是操作信心，用戶管理是為管理用戶權限而設，因為不同的權限使用專家系統(tǒng)的功能可能不同，有的用戶可能沒有添加知識的權限，當他用沒有添加知識的權限登錄專家系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)需要使用知識添加功能，則可以使用重新登錄界面更換用戶名登錄，重新登錄為更換用戶登錄提供了方便。系統(tǒng)功能模塊圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

3.3.1 知識庫設計

故障診斷專家系統(tǒng)知識庫的核心是專家知識。知識庫中的知識的完整性很大程度上決定了專家系統(tǒng)的能力，所以專家系統(tǒng)建立的關鍵是知識庫的建立。由于故障診斷知識庫比較復雜，所以將知識庫建立成知識庫表，各表之間通過關鍵字建立聯(lián)系。

特別說明的是專家系統(tǒng)有使用權限，不同權限的人員只能在自己的權限范圍內操作，有利于區(qū)分專家系統(tǒng)操作人員的職能。所以在各事實庫表之外，還有一個獨立的用戶權限表。

3.3.2 推理機設計

推理機是專家系統(tǒng)的靈魂。推理機就是根據(jù)一定的規(guī)則從已有條件推出結論的過程。它根據(jù)用戶權限，從數(shù)據(jù)庫中提取用戶條件，在知識庫中選擇合適的規(guī)則，找到合適的故障推理應根據(jù)用戶當前輸入的故障特征，利用知識庫中的知識，模擬該領域專家的思維過程，按照一定的推理規(guī)則和策略進行推理，選擇知識庫中對當前問題可用的知識進行推理，求解出故障原因。推理機是在知識庫的基礎上推導的，推理方法才有產生式規(guī)則，推理方法包括正向推理，逆向推理和混合推理。本系統(tǒng)采用雙向推理技術，采用正向推理和逆向推理相結合的方法。先進行正向推理，如果沒有得出結果或者需要進一步推導，則進行逆向推理。

3.3.3 服務器端設計

服務器端采用Servlet 響應客戶請求，后臺數(shù)據(jù)庫采用JDBC 訪問數(shù)據(jù)庫。

Android 集成了Apache 的Http client 模塊，這樣使得HTTP 訪問網絡成為可能，本文采用HTTP 訪問網絡。HTTP 是請求/響應的一種機制，定義一個工具類HttpUtil來獲得HttpRequest 對象和HttpResponse 對象，以及發(fā)送GET 和POST 請求獲得返回Response 信息的方法。

后臺服務器實現(xiàn)采用JDBC 訪問后臺數(shù)據(jù)庫，Servlet響應HttpRequest 請求，并返回響應結果。

3.3.4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

火力電站機組設備繁多、結構復雜，大多數(shù)設備處于高溫高壓的工作環(huán)境，故障發(fā)生率高，一旦發(fā)生故障，后果都很嚴重。機組設備的基本結構、規(guī)格型號及參數(shù)各不相同，這些因素常常綜合作用，影響機組發(fā)生故障時的表象，相同性質的故障在不同電站、不同機組上，其外在故障表象可能完全不同，加大了問題的迷惑性，這時候專家的經驗和知識就顯得特別珍貴，特別需要專家的知識經驗去排查故障的共性和個性，以期“對癥下藥”。

機組鍋爐屬于多層次的系統(tǒng)，由燃燒、煙風、汽水等子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)還可以進一步劃分為若干層次的次級子系統(tǒng)和部件，各層次級子系統(tǒng)不是孤立的，而是相互關聯(lián)，只要某一個子系統(tǒng)功能失效或者出現(xiàn)異常，就可能致使其它子系統(tǒng)的功能失效或者異常，嚴重的甚至致使整個機組處于故障狀態(tài)，從而導致停產。

在Android 開發(fā)環(huán)境中，以電站機組鍋爐為例，實現(xiàn)了基于Android 的電站鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)，圖4 是故障診斷的人機界面。

圖4 故障現(xiàn)象與診斷結果

4 結束語

在移動互聯(lián)網飛速發(fā)展的今天，基于Android 的故障診斷專家系統(tǒng)有了新的機遇，它可以實現(xiàn)故障診斷和知識庫管理功能，能夠完成原本PC 機上才能實現(xiàn)的功能，方便工作人員攜帶，為在外場工作人員提供了極大的便利。通過測試，系統(tǒng)設計方案可行，研究成果可推廣到石油鉆井設備的故障診斷系統(tǒng)以及其它系統(tǒng)。

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