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船用PA6 柴油机故障诊断专家系统知识库的设计.pdf船用PA6 柴油机故障诊断专家系统知识库的设计.pdf -- 5 元

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第39卷第1期2010年2月船海工程SHIPOCEANENGINEERINGVol.39No.1Feb.2010收稿日期2009202220修回日期2009207223作者简介任长合19792,男,硕士,讲师。研究方向船舶柴油机故障诊断。E2mail53145842qq.comDOI10.3963/j.issn.167127953.2010.01.023船用PA6柴油机故障诊断专家系统知识库的设计任长合1,2,王国治21.中国人民解放军镇江船艇学院,镇江2120032.江苏科技大学船舶与海洋工程学院,镇江212003摘要以PA6STC船用柴油机的状态监测与故障诊断专家系统开发为目标,构造专家系统知识库。诊断型知识采用了框架结合产生式规则的表示方法,利用SQLServer作为开发工具,进行相关的数据库设计,使知识库和推理机相对独立,利用CBuilder开发友好操作界面,实现正向不精确推理。关键词船舶柴油机专家系统知识库知识管理系统中图分类号U664.121TK428文献标志码A文章编号16712795320100120075203利用故障诊断专家系统早期预报柴油机故障的发生是降低事故发生率的重要手段。考虑到柴油机结构的复杂性,以知识获取、知识表示和推理为基础,将领域专家经验表示成知识并建立合适的知识库,是研发故障诊断专家系统的关键1。尤其是针对船用PA6STC型这一国产新机型,目前尚无较成熟的故障诊断专家系统。作为状态监测和故障诊断系统的一部分,根据该柴油机的特点着重研究了专家系统知识库的设计以及推理过程的实现。1PA6船舶柴油机典型故障柴油机工作时,系统故障特征在传播过程中会发生一定的扭曲,加上传播路径不止一条等因素,可能造成原始故障表现为多个子系统故障,故障与症状间的关系十分复杂。通过分析柴油机各系统的故障现象及原因,结合故障机理,确定某PA6STC型柴油机燃油系统、滑油系统、冷却系统包括喷油器冷却系统、进排气系统和启动过程的常见故障,并形成故障诊断流程图。对这些故障机理的分析对确定系统主要监测哪些参数以及建立专家系统知识库具有十分重要的作用。下面以PA6STC柴油机燃油进口压力降低故障为例进行分析。2知识库的组织2.1知识的获取知识获取的目的是通过计算机对专家的丰富知识加以收集和整理,在此基础上建立知识库。本系统在建立过程中,以某PA6STC柴油机使用说明书为基础,通过整理某船厂提供的使用维修记录并与使用人员充分交流,获得系统初始知识。2.2知识库编辑和维护该知识库管理系统属于柴油机状态监测与故障诊断系统的一部分,但在整个系统开发完成之前,该知识库可以单独使用以便收集知识,并可以对其进行维护。在知识获取的过程中,难免有一些矛盾和冗余的规则存在,因此,初步建成知识库后,要对规则进行一致性、完整性和冗余性的检验2。开发了相关模块,用户通过点击相应按钮,就可以很容易地实现这些校验。2.3故障诊断专家系统各类知识的表示该故障诊断专家系统的知识分为运行状态参数数据、事实和诊断型知识。其中运行状态参数数据采用了谓词逻辑表示事实数据采用模糊谓词描述含有模糊信息的事实。文中重点对诊断型知识的表示进行研究。考虑到柴油机本身各系统的特点,采用框架结合产生式规则作为诊断型知识的表示方式。主要考虑人的理解和计算机的实现。框架结合产生式规则组合表示方法的特点是先用框架把故障按柴油机各大系统分类,然后对不同的故障采用规则来描述。这样集中了框架和规则表示的优势,克服了各自的不足,能清晰、全面地描述复杂的诊57第1期船海工程第39卷断知识,使系统求解过程更加明白、易懂,并且提高了系统的推理效率。以故障诊断流程图为基础,生成的柴油机进口燃油压力降低的广义故障树描述框架见图1。图1燃油进口压力降低广义故障树描述框架3知识库系统的构造及软件实现系统采用CBuilder作为前台程序开发工具,开发的用户界面友好、易操作,可以快速访问各个功能模块接口。采用SQLServer2000软件开发了数据库,利用ADO技术实现后台数据的调用和维护,使知识库和推理机相对独立。3.1故障诊断专家系统知识库的设计该故障诊断专家系统知识库由诊断知识、机组基本参数、诊断记录和过程性知识等四部分组成。诊断知识是知识库的核心,是领域专家在长期的诊断实践中积累起来的,根据大量的可能并不存在因果关系的表面特征对故障进行判断的经验知识。机组基本参数包括机组型号、结构、运行特性和工作参数等。过程性知识表现为一系列分析计算程序比如频谱分析、理论压力计算程序、理论排气温度计算程序等,以模块化的形式存储,以备诊断过程中随时调用。通过数据库管理模块可以清楚地看到该柴油机的运行状态、故障记录、处理措施等,以便工作人员对机器的健康状况做出准确的分析,同时维修人员可以通过对机组的故障检索,快速寻找与机组故障征兆相类似的历史故障,找出相关的故障原因和维修策略。3.2知识库的推理机制推理是在问题求解过程中,每个状态下控制知识的选择和运用324。采用正向不精确推理,推理机先把这些事实与规则前提匹配,运用匹配成功的规则得到带有置信度的结论,把得到的多条诊断结论故障模式按置信度大小进行排序,作为新的事实存入到数据库中,同时推理机还能对故障模式进行故障树推理。这样通过不断搜索出包含已知事实的规则来推导尚未成立的结果,同时记录推理过程以用于解释,当故障征兆集中的己知事实全部搜索完毕,推理也就到此结束若此事实在事实数据表和规则数据表中搜索的结果均为空,则表明诊断失败,根据已有知识无法得到准确结果,程序转入知识库更新子程序若所有规则搜索完毕,冲突集数据表中记录唯一,则此记录的后件即为推理的唯一结果若冲突集数据表中记录不惟一,则依次输出表的内容作为故障诊断结果,用户手动确认。3.3系统界面设计系统界面为操作人员提供设备运行参数、运行状态指示、报警显示以及操作功能、动作过程显示等信息。设计系统界面时考虑到使用人员的特点,同时借鉴了国内外一些类似软件的经验,主界面形式见图2,点击任意一个按钮,都将调出与之对应的子窗口。图2系统主界面整个系统功能主要分为数据管理、性能分析、状态监测和故障诊断等四部分。以诊断规则编辑为例给出运行界面见图3。参数过滤模块是框架结合产生式规则的知识表示方法的具体体现。在线故障诊断时系统根据故障参数自动触发相应规则集合框架,离线诊断时可手动选择过滤条件。67船用PA6柴油机故障诊断专家系统知识库的设计任长合,王国治图3诊断规则编辑窗口4系统模拟运行及性能分析为了验证专家系统对各种故障的诊断,开发了信号模拟模块。根据PA6柴油机在以往维修前的典型故障,通过模拟功能来验证系统的故障推理。该模拟功能不仅可以用于系统的调试,也可以用于人员培训。窗口初始化时,参数被赋予柴油机正常运行时的平均值,可以被修改。后台运行的提交线程可以将修改的内容放入数据库、使之生效。而系统数据库在后台实时运行,当发现参数或者参数的变化率超出正常范围时,就会调用专家系统开始推理诊断、得出故障结果。通过对诊断结果进行统计分析并与使用人员交流得出以下结论模拟验证过程中,对于单一征兆的故障诊断准确率已能满足实际需要对于多故障征兆的故障,系统目前采用按故障征兆对故障现象的影响程度逐一顺次诊断,受知识库中知识量的限制,还不能实现多故障联合诊断知识库更新功能已较完善,在对新知识的校验过程中,除矛盾校验结果需手动确认外,其他校验均实现了自动化。5结束语通过对该型柴油机典型故障机理和特征的分析以及对专家系统技术的研究,确定了专家系统的总体框架以及作为专家系统核心的知识库及其管理系统和故障诊断推理机的构建方案。所提出的在知识存储结构上采用框架结合产生式规则的组合存储方法和针对柴油机故障特点的正向不精确诊断推理策略是有效的,将可信度方法与传统产生式规则相结合,来表示模糊知识,取得了很好的效果。采用软件工程的思想,所开发的知识库管理系统和推理机是实用的。具有模块化特点的PA6柴油机故障诊断专家系统核心部分实现了预定的目标。由于船用柴油机故障诊断固有的特点,只考虑了结合置信度水平的不确定性推理,而未能实现基于模糊集等理论的模糊推理,使该方法有一定的局限性在网络化技术高速发展的背景下,应充分考虑分布式诊断和远程诊断。参考文献1王婉秋.航天器动力学环境试验故障诊断专家系统J.航天器环境工程,2008,25136240.2许亮,李秀喜,周华,等.故障诊断专家系统中知识库组织和维护技术的研究J.计算机与应用化学,2006,2311112421128.3鄂加强.特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统推理机设计J.湖南大学学报自然科学版,2005,32546251.4黄丽.电喷发动机故障诊断专家系统知识库与推理机的构建J.电子科技,2007173277.DesignofKnowledgebaseofFaultDiagnosisExpertSystemforMarineDieselEngineRENChang2he1,2,WANGGuo2zhi21ZhenjiangWatercraftCollege,ZhenjiangJiangsu212003,China2SchoolofNavalArchitectureandOceanEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,ZhenjiangJiangsu212003,ChinaAbstractTheknowledgedatabasewasestablishedaimingatdevelopmentofexpertsystemforthefaultdiagnosisandconditionmonitoringofPA6STCmarinedieselengine,andtheframewasintegratedwithproductionruletorepresentdi2agnosticknowledge.ThedatabasewasconstructedbyusingSQLServer2000,sotheknowledgeandinferencemachinewereindependent.AfriendlyandeasyoperatedinterfacewasdevelopedandtheforwarddirectionreasoningmechanismwasdesignedbyusingCBuilderasthetool.Keywordsmarinedieselengineexpertsystemknowledgebaseknowledgemaintenancesystem77
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