淺析高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷知識(shí)建模

王可軍

淺析高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷知識(shí)建模

王可軍

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

在機(jī)電設(shè)備管理中，故障診斷是其設(shè)備安全與健康運(yùn)行的重要內(nèi)容。根據(jù)目前在高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷中所存在的知識(shí)共享、重用難度較高的問題，文章提出一些關(guān)鍵的故障診斷方法，并分析在故障診斷中的實(shí)際需求，根據(jù)此內(nèi)容構(gòu)建在機(jī)電設(shè)備故障診斷期間，實(shí)際的知識(shí)框架與建模的實(shí)際流程，并利用Protege軟件來建立知識(shí)模型，根據(jù)實(shí)例驗(yàn)證該模型的科學(xué)與可行性，以供相關(guān)人員參考。

高速公路；機(jī)電設(shè)備；故障診斷；知識(shí)建模

引言

在傳統(tǒng)的道路機(jī)械設(shè)備維護(hù)過程中，主要依靠運(yùn)行維護(hù)和管理人員的能力，不僅難以保障運(yùn)維診斷的效率，同時(shí)也難以傳播規(guī)范化的操作流程，員工的大量流動(dòng)導(dǎo)致了企業(yè)的知識(shí)流失。公路養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目清單中包含了很多信息，在日后機(jī)電設(shè)備診斷期間都具有極大的潛在價(jià)值，但這些東西，電腦是無法理解和使用的。因此，對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行集成和應(yīng)用對(duì)于提升設(shè)備的運(yùn)維效率和資源的優(yōu)化有著十分重要的意義。

1 高速公路機(jī)電故障診斷中基于知識(shí)的問題與需求

1.1 問題分析

1.1.1 缺乏規(guī)范的故障診斷知識(shí)

一般在過去進(jìn)行高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷期間，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員是主力，但是以人力為主實(shí)施故障診斷，不僅具有較大的分散性，且由于個(gè)人對(duì)于診斷故障的知識(shí)理解存在一定的差異性，加上機(jī)電設(shè)備的種類多樣性，很難去統(tǒng)一一種十分規(guī)范的知識(shí)表達(dá)方式[1]。并且基于大量高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維單內(nèi)容研究可以了解到，這里面有大量的故障征兆、診斷和維護(hù)的重要信息。而在早期的積累階段，由于沒有采用標(biāo)準(zhǔn)化的方式來記錄這些信息，紙質(zhì)碎片化的記錄內(nèi)容與方法較多，文章內(nèi)容所描述的不夠統(tǒng)一，如果將這些信息錄入到電腦系統(tǒng)中將難以被切實(shí)理解。

1.1.2 設(shè)備故障診斷知識(shí)過于分散

在故障診斷高速公路機(jī)電設(shè)備過程中，運(yùn)維工單中會(huì)體現(xiàn)出診斷的相關(guān)知識(shí)，而另一部分則是在產(chǎn)品的運(yùn)維說明中或者是一些維修資料文獻(xiàn)中體現(xiàn)，還有一小部分是根據(jù)運(yùn)維人員經(jīng)驗(yàn)所記錄在其人員大腦中的知識(shí)[2]。所以根據(jù)這些知識(shí)的分布情況可以看出，在現(xiàn)有的高速公路知識(shí)故障診斷中最為主要的問題就是所包含的知識(shí)十分分散，要想將其整合起來也十分困難，這樣就急需要一種科學(xué)的方法來將這些知識(shí)進(jìn)行完美整合，以為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的知識(shí)管理機(jī)電故障診斷奠定基礎(chǔ)。

1.1.3 缺少集成化的故障診斷方法

由于公路工程的特殊性，對(duì)工程機(jī)械的可靠性、時(shí)效性和精確性提出了更高的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能儀器的逐步發(fā)展和使用，當(dāng)前的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被引入到了基于手工的檢測(cè)中[3]。其中，手工診斷主要是由維修工人進(jìn)行，由他們自己的技術(shù)和多年的診斷工作完成，雖然這種人工的方式診斷效率快、成本投入低、且診斷的過程可直觀地表現(xiàn)，但是對(duì)于運(yùn)維人員個(gè)人的能力和知識(shí)儲(chǔ)備有著極高的要求；單憑經(jīng)驗(yàn)的判斷很容易降低故障診斷的準(zhǔn)確率，也容易弱化具體設(shè)備的診斷程度。而根據(jù)機(jī)電設(shè)備的信號(hào)故障診斷來講，其可根據(jù)原始故障產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來更加精準(zhǔn)地做出判斷。雖然這種方法可提升準(zhǔn)確率，但是由于各種機(jī)電設(shè)備之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系和連接，設(shè)備之間的相互影響會(huì)導(dǎo)致信號(hào)診斷的方法全局性的缺失。所以為了保障故障診斷的實(shí)際結(jié)果滿足高速高爐運(yùn)維的需求，需要將兩種方法相互結(jié)合，以整體綜合的形式來進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的故障診斷與維修指導(dǎo)。

1.1.4 缺少知識(shí)的共享

在運(yùn)維人員多年對(duì)機(jī)電設(shè)備故障進(jìn)行診斷期間，會(huì)積累大量的經(jīng)驗(yàn)，但是以這種經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)知識(shí)的描述缺乏一定的規(guī)范性。另外每個(gè)人的理解能力存在一定差異，這樣每個(gè)運(yùn)維人員所得出的經(jīng)驗(yàn)不容易被他人理解，也就造成知識(shí)共享方面存在一定的阻礙。不僅如此，部門新人在參與工作時(shí)由于缺少足夠的工作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)受到個(gè)人能力的限制，促使在與其他工作人員進(jìn)行交流時(shí)也容易出現(xiàn)阻礙。

1.2 需求分析

1.2.1 需要科學(xué)有效的知識(shí)建模方法

根據(jù)目前高速公路機(jī)電設(shè)備的故障診斷現(xiàn)狀分析，基于知識(shí)的建模是其需要解決的核心問題，解決該知識(shí)體系的建模問題也是機(jī)電設(shè)備故障診斷的有效表示[4]。根據(jù)其本體可以清晰去定義該領(lǐng)域中各種概念與通過將各種不同的理論進(jìn)行連接，突破了復(fù)雜的邏輯關(guān)系、復(fù)雜的觀念，將其運(yùn)用到相應(yīng)的診斷技術(shù)中去，從而達(dá)到最好的結(jié)果。

1.2.2 需要對(duì)混合知識(shí)的高度處理能力

在對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷期間，其所包含的知識(shí)內(nèi)容可分為運(yùn)維指南和專家經(jīng)驗(yàn)兩大類型。其中運(yùn)維指南中，其可對(duì)機(jī)電設(shè)備的基本原理進(jìn)行揭示，但是應(yīng)用該方法卻難以實(shí)現(xiàn)知識(shí)建模的有效推理。雖然依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)可以增加原理推理的速度，但是由于這種經(jīng)驗(yàn)主觀性較強(qiáng)，且缺少一定措施去綜合所有的知識(shí)內(nèi)容，因此為了保障機(jī)電設(shè)備故障診斷的效果與質(zhì)量，需要將二者進(jìn)行混合處理，提升混合處理的能力。

1.2.3 需要以知識(shí)為支撐建立科學(xué)的智能化系統(tǒng)

當(dāng)前急需一套基于知識(shí)內(nèi)容的智能體系來完成對(duì)公路機(jī)械設(shè)備的故障檢測(cè)，通過智能化技術(shù)來克服知識(shí)不足、信息整合、信息共享、診斷技術(shù)整合困難等諸多問題[5]。

2 基于高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷知識(shí)領(lǐng)域框架

本文以上述探討為背景，重點(diǎn)研究在高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷中，其所包含的知識(shí)如何根據(jù)語義環(huán)境來進(jìn)行有效應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，建立起一套科學(xué)的智能系統(tǒng)知識(shí)模型，為高速公路機(jī)械設(shè)備的故障診斷提供了依據(jù)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的基于本體的知識(shí)地圖架構(gòu)，構(gòu)建了知識(shí)結(jié)構(gòu)安全層，本體-知識(shí)描述層，展示層，用戶交互層。具體如圖1。

圖1 高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷領(lǐng)域知識(shí)框架圖示

（1）資源層包含機(jī)電設(shè)備故障診斷過程與維護(hù)期間所具有的相關(guān)知識(shí)，而這些知識(shí)的來源包含設(shè)備設(shè)計(jì)說明書、專家故障診斷的經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)維修案例和其他文獻(xiàn)中的文檔與圖片等。

（2）本體——知識(shí)描述層，它將機(jī)電設(shè)備的故障診斷知識(shí)作為一個(gè)抽象的本體，由知識(shí)節(jié)點(diǎn)、知識(shí)鏈接和知識(shí)關(guān)聯(lián)構(gòu)成[6]。由知識(shí)說明組成。

（3）在顯示層中，知識(shí)結(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系是由知識(shí)的結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。

（4）在與引擎技術(shù)相結(jié)合的情況下，用戶交互層可以通過檢索程序進(jìn)行查詢和搜索。

3 基于高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷知識(shí)模型建立

3.1 模型建立的流程

關(guān)于高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷領(lǐng)域中所實(shí)施的知識(shí)建模流程如圖2所示。

圖2 知識(shí)建模流程圖

先要去確定該機(jī)電設(shè)備中故障診斷期間所包含知識(shí)相關(guān)領(lǐng)域的范圍，隨后根據(jù)該領(lǐng)域范圍來搜索與之相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容。在此期間，需要做的工作不僅包含搜集相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，還需要對(duì)該知識(shí)類的屬性和約束條件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，隨后利用Protege軟件構(gòu)建本體模型，以本體為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)實(shí)例化的驗(yàn)證，如果不可行則返回知識(shí)搜集的步驟，找尋更加貼合的知識(shí)內(nèi)容；如果驗(yàn)證效果可行，可實(shí)現(xiàn)本體可視化的知識(shí)模型建立，為后續(xù)知識(shí)整合與利用奠定重要基礎(chǔ)。

3.2 相關(guān)知識(shí)搜集

一般專家的經(jīng)驗(yàn)、案例分析和設(shè)備出廠期間的設(shè)計(jì)說明等方式可以明確包含高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，雖然目前國(guó)內(nèi)外部分文獻(xiàn)資料中提及了上述內(nèi)容，但是目前還沒有系統(tǒng)且顯性的知識(shí)表示來形成以專家經(jīng)驗(yàn)為主的系統(tǒng)，同時(shí)在本次工程內(nèi)容中缺乏一定的系統(tǒng)管理，因此，本次選擇歷史工單的內(nèi)容作為本次知識(shí)的收集與整理的主要途徑[7]。

3.3 類的定義、屬性與其之間的關(guān)系

3.3.1 對(duì)類進(jìn)行定義

由具有同樣特征和屬性的實(shí)體所組成的一組類，通常按照相關(guān)領(lǐng)域的詞匯和字典來進(jìn)行定義，然后再按照對(duì)象的實(shí)際需要來科學(xué)地界定類。根據(jù)當(dāng)前高速公路機(jī)械設(shè)備的故障診斷狀況，以故障特征的描述來找尋發(fā)生該故障的具體原因，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)與參考文獻(xiàn)，提供科學(xué)的維護(hù)意見。因此，從這一需求出發(fā)，歸納出四種類型：設(shè)備類型、故障類型、故障原因和維護(hù)計(jì)劃類型。四個(gè)主要類別中還包括了它們的相關(guān)子類別。首先從故障類別和設(shè)備類別兩個(gè)方面對(duì)類進(jìn)行定義，然后利用Protege軟件中的類標(biāo)記構(gòu)造類，然后利用類分析和類描述類來描述類，最后采用概念樹表示法來表示概念層次的特定結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷類部分截圖圖示

3.3.2 類之間的關(guān)系定義

在整個(gè)高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷的本題中主要存在四種基本的語義關(guān)系，分別為：所屬關(guān)系、整體—部分關(guān)系、實(shí)例關(guān)系與屬性關(guān)系；還有可能存在并列、相交、互補(bǔ)與等價(jià)關(guān)系等。

3.3.3 類的屬性定義

在屬性的定義中，其主要是為了對(duì)類所有的特征進(jìn)行說明，包含對(duì)象與數(shù)據(jù)屬性兩種類型。其中對(duì)象屬性表現(xiàn)的是對(duì)象之間的關(guān)系；而數(shù)據(jù)屬性則是表示對(duì)象和數(shù)值之間的關(guān)系。一般在故障診斷的本題中，其屬性都屬于一對(duì)多關(guān)系[8]。另外根據(jù)Class Annotation和Class Description對(duì)本體實(shí)施屬性的構(gòu)建且通過characteristics來對(duì)屬性進(jìn)行約束。在基于高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷的本體所存在的類屬性進(jìn)行定義期間，本文以三種遂向?qū)傩约右猿尸F(xiàn)，如出現(xiàn)、導(dǎo)致和解決三種。而本次所采取的數(shù)據(jù)源則是高速公路機(jī)電設(shè)備維修維護(hù)的歷史工單，其內(nèi)容均為文本形式，所以將類的數(shù)據(jù)屬性定位為string型數(shù)據(jù)。

3.4 本體實(shí)例化

為了創(chuàng)建類的對(duì)象，需對(duì)本體進(jìn)行實(shí)例化，對(duì)類別的屬性進(jìn)行賦值。利用分詞、聚類等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從歷史記錄中抽取出大量有用的信息，并利用protege軟件生成相應(yīng)的事例。就拿“集成相機(jī)”來說，它屬于相機(jī)類別，物體的屬性是“出現(xiàn)”，相應(yīng)的就是出現(xiàn)的圖片變得蒼白等有關(guān)的問題描述，這和其它的例子的表現(xiàn)方法是一樣的。

3.5 領(lǐng)域知識(shí)地圖可視化

3.5.1 本體關(guān)系的可視化表現(xiàn)

如圖4所示的內(nèi)容為在OntoGral下機(jī)電設(shè)備故障診斷本體模型之間的層級(jí)與對(duì)象屬性關(guān)系，左邊的線條是用不同的色彩來表達(dá)的，右邊是描述。Thing包括了一些子類別：故障原因，設(shè)備名稱，維修方案和故障種類。這些子類別的關(guān)系和聯(lián)系可以用以下方式來表達(dá)：故障的起因—引起—故障類型—設(shè)備名稱—發(fā)生—故障類型，維修方案——處理，故障類型，用物體的性質(zhì)把故障類型和其它類別連接起來，從而構(gòu)成類別和類別的關(guān)系。

圖4 OntoGral下的本體模型中之間的類目關(guān)系

3.5.2 實(shí)例檢索的可視化

假定集成相機(jī)會(huì)有顏色失真的問題，具體的處理方法是：先去根據(jù)設(shè)備的具體類型以“一體化攝像機(jī)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，隨后展示出一體化攝像機(jī)常見的故障類型，例如圖像變白，扭曲，色彩失真，干涉，沒有圖像等。接下來，若真實(shí)的故障狀況是顏色畸變，則需要對(duì)故障進(jìn)行馬達(dá)處理，從而顯示出故障的具體原因：例如安裝攝像機(jī)時(shí)出現(xiàn)問題，現(xiàn)場(chǎng)光照不足等。該結(jié)果表明，當(dāng)出現(xiàn)彩色畸變故障時(shí)，也能滿足以上兩種故障的定義。而且，在進(jìn)行分析的時(shí)候，可以推斷出所有的故障，然后進(jìn)行分析。這是因?yàn)橥瑯拥墓收?，有可能出現(xiàn)的原因不同，所以在這個(gè)時(shí)候，他的推斷是非常正確和合理的。

假定在檢查之后，沒有發(fā)現(xiàn)光線的問題，那么就需要繼續(xù)點(diǎn)擊相機(jī)的設(shè)定，找到一個(gè)解決辦法，然后重新調(diào)整白平衡；此流程還提供了一個(gè)特定的解決方案，其中主要是設(shè)備的故障。

4 結(jié)束語

本研究旨在將作業(yè)單中的數(shù)據(jù)價(jià)值最大化，以更好地分享高速公路機(jī)械設(shè)備故障診斷的相關(guān)知識(shí)，以此來提升整個(gè)高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷效率和運(yùn)維能力，本文以本體的概念引入，根據(jù)protege軟件創(chuàng)建關(guān)于其機(jī)電設(shè)備故障診斷相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)模型，從而有效地克服了由于知識(shí)的同構(gòu)化、隱蔽性等原因造成的知識(shí)不能分享的問題。通過算例來說明所提算法的有效性，說明該方法的可行性，以可視化的展示來表現(xiàn)該理論的價(jià)值與意義。

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A Brief Analysis on Fault Diagnosis Knowledge Modeling of Expressway Electromechanical Equipment

In the management of electromechanical equipment, fault diagnosis is an important part of the safe and healthy operation of the equipment. According to the difficulty of knowledge sharing and reuse in the fault diagnosis of expressway electromechanical equipment, this paper puts forward some key fault diagnosis methods, and analyzes the actual needs in fault diagnosis, according to this content, the actual knowledge frame and the actual process of modeling are built during the fault diagnosis of electromechanical equipment, and the knowledge model is established by using Protege software, and the scientific and feasibility of the model is verified by an example, so as to provde reference for relevant personnel.

expressway; electromechanical equipment; fault diagnosis; knowledge modeling

U418

A

1008-1151(2022)09-0066-04

2022-05-19

王可軍，男，廣西賓陽人，廣西路建工程集團(tuán)有限公司工程師，從事交通工程建設(shè)及工程設(shè)備管