基于邏輯判斷的智能故障專家系統(tǒng)的設(shè)計

龔小立，李釗，李強

（中國電子科技集團(tuán)公司第29 研究所，四川成都，610036）

0 引言

隨著某機(jī)載設(shè)備逐漸成為用戶的對抗利器，設(shè)備的使用強度逐漸增加，設(shè)備的復(fù)雜性對維護(hù)人員的要求越來越高，由于維護(hù)人員對系統(tǒng)的熟悉程度差別較大，還不能根據(jù)自檢結(jié)果對設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位，設(shè)計出故障診斷[1]專家系統(tǒng)非常必要。本文根據(jù)作者多年的系統(tǒng)調(diào)試和外場保障經(jīng)驗，以設(shè)備的系統(tǒng)工作原理為基礎(chǔ)，采用Delphi 軟件開發(fā)環(huán)境，利用SQL server 作為后臺數(shù)據(jù)庫，根據(jù)用戶的特點，基于系統(tǒng)的信號流向、故障現(xiàn)象和自檢結(jié)果，建立利用系統(tǒng)自檢結(jié)果和故障現(xiàn)象對設(shè)備故障診斷的專家系統(tǒng)。

1 專家系統(tǒng)的作用和目標(biāo)

目前，設(shè)備維護(hù)人員的流動性比較大，很難做到知識傳承，僅僅依靠所內(nèi)提供的維護(hù)手冊和典型故障維護(hù)手冊，信息不夠完善，在遇到故障后需要通過多層溝通和人員調(diào)度，加上設(shè)備屬于內(nèi)裝設(shè)備，維護(hù)工作具有特殊性，外場排故有效工作時間僅為兩小時/天，短期內(nèi)做到故障排除非常困難。作者設(shè)計故障診斷專家系統(tǒng)是為了幫助維護(hù)人員用專家的思維方式和操作方法快速、有效地排除故障，使設(shè)備達(dá)到最佳使用效果。該專家系統(tǒng)還可以根據(jù)維護(hù)人員工作流程，進(jìn)行工作提示，有效完善工藝流程，專家系統(tǒng)運行流程如圖1 所示。

圖1 專家系統(tǒng)運行流程圖

故障診斷專家系統(tǒng)的目標(biāo)是要建立智能的、能動的輔助決策系統(tǒng)，使每次故障診斷都是一個學(xué)習(xí)的過程，提高維護(hù)人員對設(shè)備的快速使用能力和維護(hù)保障能力。

故障診斷專家系統(tǒng)的典型功能：如設(shè)備報故后，能根據(jù)維護(hù)人員輸入的故障現(xiàn)象和故障代碼，直接得到該故障涉及的分機(jī)和連接器件的排除方法及處理方式，如故障分機(jī)、連接器件的返修方式及現(xiàn)場處理等。

該系統(tǒng)的建立，可以使一個簡單的故障現(xiàn)象提升為智能的、能動的排故過程，而專家系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量和知識庫的健全與否，直接關(guān)系到維護(hù)人員的排故能力和排故效率，它的應(yīng)用對設(shè)備質(zhì)量也有一定提高。

2 故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

結(jié)合知識表示模型和推理機(jī)制的特點，采用以數(shù)據(jù)庫為主體的構(gòu)造模式，來完成專家系統(tǒng)的的功能。專家系統(tǒng)應(yīng)包括以下組成部分：數(shù)據(jù)庫，知識庫，推理機(jī)，知識獲取部分、解釋部分和人機(jī)交互[2]界面，專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫：對于在線監(jiān)視或診斷系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是實時檢測到的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；對于離線診斷，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容可以是自動性能檢測時的數(shù)據(jù)，也可以是認(rèn)為的檢測數(shù)據(jù)的一些特征數(shù)據(jù)。即存放推理過程中所需要和產(chǎn)生的各種信息。外場專家系統(tǒng)是采用的離線診斷模式，也就是使用者根據(jù)航電顯示系統(tǒng)所給出的檢測結(jié)果和自檢代碼作為數(shù)據(jù)庫。

知識庫：專家?guī)齑娣诺闹R包括系統(tǒng)的工作原理，反映系統(tǒng)信號流程的結(jié)構(gòu)知識；包括設(shè)備的安裝位置和接口關(guān)系，指出設(shè)備交聯(lián)情況；還包括故障實例子，供使用者排故參考。知識庫是通過設(shè)備設(shè)計師的分析評判，是領(lǐng)域知識的集合。

推理機(jī)：根據(jù)獲取的信息綜合運用各種規(guī)則進(jìn)行故障診斷，輸出診斷結(jié)果，是診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)。通過規(guī)則庫存放的一組組規(guī)則，反映系統(tǒng)的因果關(guān)系，用來故障推理，該系統(tǒng)主要以反向推理為主的混合推理，采用廣度優(yōu)先搜索，通過逐步與用戶交互獲得信息，運用知識規(guī)則和故障樹，最終對故障進(jìn)行定位。

人機(jī)交互界面：界面是使用者與專家系統(tǒng)交流的媒介，進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息、或命令的輸入、結(jié)果的輸出和信息的顯示。界面還增加對問題的求解策略進(jìn)行必要的解釋和說明，減少使用者記憶負(fù)擔(dān)，幫助使用者了解設(shè)備。

3 故障專家系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 知識規(guī)則庫的建立

專家系統(tǒng)的設(shè)計是否成功，關(guān)鍵在于知識庫的建立，知識庫用于存放專門的知識，它包括設(shè)備數(shù)據(jù)的參數(shù)、以往設(shè)備故障的案例和各種規(guī)則、經(jīng)過生產(chǎn)驗證過的知識、經(jīng)過了系統(tǒng)設(shè)計師的分析評判，是診斷系統(tǒng)的核心部分；知識庫中擁有知識的數(shù)量和質(zhì)量，推理規(guī)則以及所采用的知識表示法成為了該專家系統(tǒng)的系統(tǒng)性能和問題求解能力的關(guān)鍵因素，知識庫的建立就是將系統(tǒng)知識，經(jīng)驗，案例等轉(zhuǎn)換為一種特定的計算機(jī)表示形式。本文利用故障樹分析法將內(nèi)容豐富且復(fù)雜的故障診斷知識建成故障樹，然后分析各故障現(xiàn)象和原因之間的關(guān)系，將其反映到規(guī)則中。故障樹分析法是將系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障作為分析的目標(biāo)，找出引起這一故障發(fā)生的全部因素，在找出引起下一級事件發(fā)生的全部直接因素，直至追查到最原始的故障機(jī)理或者不必再深究的因數(shù)為止。把最不希望發(fā)生的故障作為頂事件，介于頂，底之間的中間事件，用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T事件，中間事件連接成樹形圖，這樣的樹形圖稱為故障樹，故障樹以清晰的圖形表達(dá)了系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和邏輯關(guān)系。從故障樹的頂端向下分析，就可以找出系統(tǒng)故障和哪些模塊的狀態(tài)有關(guān)系，全面弄清系統(tǒng)故障的原因和部位。如果由故障樹的底端，即各個事件往上追溯，則可分辨模塊對系統(tǒng)故障的影響及其傳播途徑，下面就以設(shè)備前右接收機(jī)自檢中可能發(fā)生的故障為例，建立故障樹，如圖3 所示。

圖3 典型故障樹示意圖

3.2 推理機(jī)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)是采用Delphi 語言[3]作為應(yīng)用程序開發(fā)語言，數(shù)據(jù)庫采用SQL server[4]作為基本事實數(shù)據(jù)庫，通過Delphi 編程對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，對故障進(jìn)行判斷，推理，從而對故障進(jìn)行定位。

我們可以通過外場的故障信息收集，通過積累遇到的自檢故障，把這些故障案例錄入到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫越豐富，系統(tǒng)的故障診斷率就越高，對故障的定位就越準(zhǔn)確。

推理策略在一定程度上決定了系統(tǒng)的運行效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過模擬專家求解的思維過程，控制知識庫、數(shù)據(jù)庫對問題求解的執(zhí)行。

推理機(jī)在考慮使用者知識水平的前提下選擇基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的反向推理為主，由已知的事實出發(fā)向結(jié)論方向推理，即從已知的故障現(xiàn)象出發(fā)，反向使用規(guī)則，進(jìn)而推理得出故障原因。該專家系統(tǒng)采用廣度優(yōu)先搜索。它的大體過程是：從用戶提供的初始已知故障現(xiàn)象出發(fā)，在知識庫中找到當(dāng)前可適用的的知識進(jìn)行推理，通過逐步與使用者信息交互，將得出的新事實加入到數(shù)據(jù)庫作為下一步推理已知事實，在此之后再在知識庫中選取可用的知識進(jìn)行推理，與規(guī)則進(jìn)行匹配，直到得出的結(jié)論再也不能進(jìn)行匹配，即得出最后的診斷結(jié)果。

推理機(jī)與知識庫相輔相成，密切相關(guān)，推理機(jī)的性能與構(gòu)造與知識的表示方式，以及組織方式有關(guān)，但與知識的內(nèi)容無關(guān)，這有利于推理機(jī)和知識庫的相對獨立。當(dāng)知識庫變化時，無須修改推理機(jī)，知識和推理的分離，使系統(tǒng)有更好的靈活性和可擴(kuò)充性。

3.3 解釋機(jī)的實現(xiàn)

解釋機(jī)的好壞決定了它是否透明，是否能被使用者信賴。解釋機(jī)負(fù)責(zé)跟蹤和記錄推理過程，向使用者有條理、按規(guī)則被觸發(fā)的先后次序解釋各種問題，包括解釋釋診斷結(jié)果如何得出。作者采用寬度優(yōu)先的搜索策略，在結(jié)論集中依次查找其中每一條結(jié)論事實作為結(jié)論被觸發(fā)且該結(jié)論事實單條規(guī)則可信度大于某個門檻值的規(guī)則，即取這些規(guī)則的編號，形成規(guī)則編號集。然后再提出這些規(guī)則的前提事實來代替原來的待求證結(jié)論集，從而形成新的待求證結(jié)論事實集。再在規(guī)則表中進(jìn)行下一次查找，遇到滿足條件的規(guī)則，則將其編號添入規(guī)則編號集，循環(huán)直到最后的待求證結(jié)論事實集全是已知事實為止。最后輸出時用一個循環(huán)語句從后到前輸出其規(guī)則編號，代表了診斷的流程，即完成解釋功能。

4 故障診斷專家系統(tǒng)的運行

本專家系統(tǒng)具有良好的用戶交互界面，操作簡單，下面以設(shè)備前右接收機(jī)自檢中發(fā)生的故障為例介紹專家系統(tǒng)的運行過程，雙擊圖標(biāo)進(jìn)入系統(tǒng)，啟動界面如圖4 所示，然后輸入故障代碼和航電顯示的故障現(xiàn)象，通過界面提示，進(jìn)行實際操作，并將操作結(jié)果反饋在專家系統(tǒng)上，直到操作不能再進(jìn)行為止，點擊確定得到最終診斷結(jié)果。使用者還可以點擊原理，得出專業(yè)的講解，避免出現(xiàn)一個故障多個解釋的現(xiàn)象，操作界面如圖5 所示。

圖4 故障診斷專家系統(tǒng)啟動界面

圖5 故障診斷專家系統(tǒng)操作界面

5 結(jié)論

本專家系統(tǒng)從解決設(shè)備使用過程中的故障出發(fā)，以實際應(yīng)用為目的，對設(shè)備專家系統(tǒng)的各項技術(shù)和方法進(jìn)行了一定研究，通過專家系統(tǒng)的建設(shè)為外場排故提供一種自動的和智能化的先進(jìn)手段，改變現(xiàn)有常規(guī)的排故方式，使故障能快速、有效的定位和排除，對提高使用者的技術(shù)水平也有一定幫助，為以后開發(fā)同類專家系統(tǒng)提供了一定的理論和實踐基礎(chǔ)。

專家系統(tǒng)目前還處于調(diào)試運行狀態(tài)，在后續(xù)工作中，作者將加強專家系統(tǒng)的驗證工作，對專家系統(tǒng)的管理功能進(jìn)行優(yōu)化，增加故障返修率統(tǒng)計分析和設(shè)備檔案管理，使專家系統(tǒng)能更好的服務(wù)顧客，有效提升設(shè)備的使用效率。