（电力电子与电力传动专业论文）电力机车故障诊断专家系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fm a lf u n c t i o n d i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi n d e t a i l ，a n dt h em e a n i n go fu s i n gt h ed i a g n o s i ss y s t e mt oe l e c t r i cl o c o m o t i v e f o r r a i s i n gt h es a f e t yo ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v em o v e m e n t ，l o w e r i n gv a r i o u sa r t if i c i a l o u t p u tm i s t a k e sm a d ep e r h a p sb yp e o p l e ，t h i ss y s t e mp r o d u c ea ni m p o r t a n tf u n c t i o n 1h ee x p e r ts y s t e mm a i n l yi sac o m p u t e rp r o g r a m m es y s t e mo fi n t e l l i g e n c e i t s i n n e rp a r ti m p l i e sag r e a td e a lo fc e r t a i ne x p e r tk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c eo ft h e a d v a n c e dl e v e l ，a n dc a nm a k eu s eo ft h ek n o w l e d g eo fm a n k i n d se x p e r ta n dt h e m e t h o do fs o l v i n gp r o b l e mt oh a n d l et h eh i g hl e v e ld i f f i c u l tp r o b l e m ，r e s o l v et h e m a l f u n c t i o nd i a g n o s i sp r o b l e mo ft h ec o m p l i c a t e ds y s t e mw i t ht h i s t h ee x p e r td i a g n o s i s s y s t e mm a d eu s eo fa b u n d a n tf u l f i l l m e n te x p e r i e n c eo fe x p e r t s ，c a ns i m u l a t et h i n k i n g w a yo ke x p e a st oa n a l y z ea n ds o l v ep r o b l e m s t h i sp a p e rr e s e a r c hm a l f u n c t i o n d i a g n o s i se x p e r ts y s t e mb a s e do nss 4e l e c t r i c l o c o m o t i v e t ot h es a m ew i t ho t h e r s ，i ta c c o r d i n gt ot h et h i n k i n gw a yo f e x p e r ts y s t e m ， t h ee x p e r t sk n o w l e d g e ，c o m b i n et h ee x p e r t s e x p e r i e n c et op o i n to u tm a l f u n c t i o n r e a s o n so fs s 4 b u tt h ed i f f e r e n c ei st h a t ，t h i se x p e r ts y s t e mc a l lc a r r yo nr e a lt i m e m a l f u n c t i o nb a s e do nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e s i g n a l s w h i c hh a s a l r e a d yb e e n c o l l e c t e d f i r s t ，i tc o l l e c t st h es i g n a l s ，i n c l u d i n gi m i t a t i n gs i g n a l s ，n u m b e rs i g n a l sa n d o t h e rv a r i o u s s i g n a l s t h e n ，e x p e r ts y s t e mr e c e i v e t h e s e s i g n a l s ，a n db e g i nt o d i a g n o s e w h e nf i n d i n gm a l f u n c t i o np h e n o m e n o n ，s y s t e mw i l lg i v et h ec l u eo n e x p e r tl a n g u a g e m o t o r m a nc a ns o l v et h ep r o b l e ma c c o r d i n gt oi t t h et h e s i sd i s c u s s e dh o wt ow r i t em a l f u n c t i o nd i a g n o s i sl o g i cs e n t e n c e ，a n dg a v e t h ep a r t i m p o r t a n ts u b - p r o g r a m m ed e s i g nf r a m ea b o u tm a l f u n c t i o nd i a g n o s i s i n t r o d u c e dt r a i nc a r r y i n gh a r d w a r ed e s i g nw i t ht h ep 8 7 c 5 9 1 s i n g l ec h i pc o m p u t e rf o r c o r ea n d g r o u n dm a lf u n c t i o nd i a g n o s i s e x p e r ts y s t e m s o f t w a r ed e s i g nw i t h l a b w i n d o w s c v ia sd e s i g n e n v i r o n m e n t s y s t e mc a na t t a i nt ot h er e q u e s tt h a t m a l f u n c t i o nd i a g n o s i sc a nc a r r yo nb o t ho nt r a i na n dg r o u n d k e y w ord ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s ，e x p e r ts y s t e m ，l a b w i n d o w s c v i 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 聃：膨) 缓厂 去叫 轹垆 签 班 师 老 ： 导期 指日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文所研究的专家系统能够实时地检测所有机车上的故障信 号，能够基于已检测的故障信号来进行实时的故障诊断，并可将 诊断结果给出专家语言提示，司机可以根据提示的语言进行故障 的排除和处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 机车故障诊断的研究意义 随着我国经济的快速发展，我国的铁路事业也正在进行着日新月异的变化， 其发展速度是前所未有的。从十五期间和铁路提速范围的不断扩大，和更多更 新的铁路的修建，说明我国的铁路事业正在进行着迅速的发展。在快速发展的 同时，如何保证机车在高速运行和越来越来复杂的路况中正常的运行己经成为 目前铁路部门的工作重点。机车的运行情况不但关系到乘客的安全，而且也对 国民经济有很大的影响，作为我国运输行业中的主要运输方式，机车一直扮演 着一个很重要的角色，一旦机车出现故障而造成的经济损失是巨大的，后果是 严重的。因此，机车的行车速度和行车安全已经成为铁路部门工作中的重中之 重。 目前，我国铁路的高速运输已处于初步阶段，但与世界先进水平相比尚有 相当距离，其表现之就是列车操纵目前仍基本依赖于司机的技术水平和操纵 经验，这种状况已不能适应铁路运输现代化的要求。因此，机车安全系统的研 究与故障监测己成为我国铁路运输安全监控领域内尚待解决的重要课题。在我 国铁路实施大面积提速的今天，对于该问题的研究具有重要的理论和实际意义。 国内近年来在列车安全监控技术领域的研究已有了较大的进步，缩短了与 国外先进水平的差距。但严格地讲，这方面的研究在理论上和系统结构上并没 有实现实质性的重大突破。目前司机操纵列车安全运行的控制方式在很大程度 上仍然是经验型的，司机根据观察到的大量外界信息和自己对线路情况及机车 车辆设备情况的熟悉了解，应用丰富的行车经验做出判断，制订策略来操纵列 车运行。但培养优秀司机需要多年时间，且人的效率比较低，机车工作条件差， 受精神紧张、振动和噪音等因素的影响，司机容易疲劳，会出现观察错误和判 断错误。 因此，为了降低由于人为产生的错误或者各种原因造成的失误，提高机车 运行的安全性，有必要研究一种新型的基于计算机辅助的，可以脱离人为因素 的机车故障诊断系统。这种故障诊断系统应该能达到人工检测的能力，同时由 于基于计算机辅助，所以不易出现错误，能大大提高机车监测的效率，减小观 察错误或判断错误，同时可以将司乘人员解放出来。所以对机车故障诊断系统 的研究是十分必要，也是十分紧迫的，意义十分重大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外机车故障诊断研究现状 利用现代技术手段开展设备状态监测和故障诊断，始于2 0 世纪6 0 年代。 最早开展诊断技术研究的是美国，英国和日本紧随其后。由于经济和社会效益 好，发展前景广阔，遂迅速波及到世界许多国家和地区。故障诊断的方法、手 段和内容不断丰富，至2 0 世纪9 0 年代初形成了高潮，成为多种学科的重要应 用领域，正在发展成为- 1 7 新的综合性交叉学科。 我国铁路自2 0 世纪8 0 年代起，积极开展了诊断技术在机车车辆上的应用 工作，在铁路部运输局装备部( 包括原机务局和车辆局) 的宏观指导与积极推动 下，铁道科学研究院、北京交通大学与西南交通大等院校、一些铁路局科研所、 铁路外科研所机构等在铁路局、机务段和车辆段的配合下，进行了内容广泛的 诊断技术研究、开发和应用，技术上取得了很大的进展，并获得了明显的经济 效益。所采用的故障诊断方法主要有温度探测、光普分析、电气参数检测、动 态压力检测及振动诊断等，新的理论、方法和技术的探索与应用包括模式识别、 灰色系统、模糊数学、专家系统、小波变换、神经网络，遗传算法等。 1 3 基于知识的故障诊断方法 按照德国的p m f r a n k 教授的观点，现有的各种故障诊断方法可分为基 于信号处理的方法和基于知识的方法。本文主要介绍基于知识的方法。基于知 识的方法无需系统的定量数学模型，充分利用了专家诊断知识和诊断对象的信 息，特别适合于非线性系统和复杂的大型系统。该方法的内容最为丰富，也最 有生命力。 ( 1 ) 基于专家系统的故障诊断方法 专家系统主要指的是一个智能的计算机程序系统，其内部含有大量的某个 领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法 来处理该领域的高水平难题。专家系统是人工智能领域中最活跃的一个分支， 它已广泛地应用于过程监控系统。它不依赖于系统的数学模型，而是以人们长 期的实践经验和大量的故障信息知识，设计出一套智能计算机程序，以此来解 决复杂系统的故障诊断问题。专家系统诊断利用了专家积累的丰富实践经验， 能模仿专家分析问题和解决问题的思路，而且能够解释自己的推理过程，解释 结论是如何获得的，无论是在理论上还是在工程上应用都很广泛。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 基于神经网络的故障诊断方法 人工神经元网络由于具有大规模并行处理、自适应学习能力和分布式信息 存储的特点受到了控制界的高度重视。由于它具有处理复杂多模式及进行联想、 推测和记忆功能，它非常适合于故障诊断系统。它具有自组织学习能力，能克 服传统专家系统当启发式规则未考虑时无法工作的缺陷。 ( 3 ) 基于模糊推理的诊断方法 由于故障征兆是界限不分明的模糊集合，用传统的二值逻辑方法明显不合 适，可选用确定隶属函数，用相应的隶属度来描述这些症状存在的倾向性。模 糊诊断方法就是通过某些症状的隶属度来求出各种故障原因的隶属度，以表征 各故障存在的倾向性。在故障诊断中，模糊诊断矩阵的构造需要以大量现场实 际运行数据为基础，其精度的高低直接取决于所依据的观测数据的准确性及丰 富程度。 ( 4 ) 图论的模型推理诊断方法 其实质是根据一个实际系统中各个元件之间所存在的非常普遍的故障传播 关系，构成故障诊断网络，利用搜索和测试技术进行故障定位。这种方法已在 大型工业生产过程和空间飞行器等领域中得到了应用。 ( 5 ) 故障树诊断法 首先是分析出系统的故障事件，再将导致该事件发生的直接原因，包括硬 件故障，环境因素，人为因素等，用适当的符号表示之，用适当的逻辑门把他 们与故障事件联系起来。其次，逐级展开故障事件发生的原因，直至把最基本 的原因分析出来为止，构成一棵故障树。当系统发生故障后，通过对故障树的 分析寻找故障源。 1 4 我国机车故障诊断中目前存在的问题 近年来我国在机车安全监控技术领域的研究已经有了较大的进步，缩短了 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 与国外先进水平的差距。但严格地讲，这方面的研究在理论上和系统结构上并 没有实现实质性的重大突破，主要表现在： ( 1 ) 系统采用的信息量不够。列车安全监控系统要有效工作，必须依赖于 大量的机车、车辆、行车线路距离和地形坡度、地面信号等各种信息。 ( 2 ) 尚未形成比较完整的列车安全监控的理论体系。我国铁路运营条件复 杂，机车种类和性能各异，线路情况差别很大。 ( 3 ) 没有充分应用人工智能的理论和方法，采用更加科学的机车安全运行 状态评价方法和更加完善的人机交流手段( 如采用文字、图象、语音等多媒体技 术) ，提示司机安全驾驶行车。 1 5 本论文研究故障诊断专家系统原因 通过本章前面所叙述和分析可以看出，基于专家系统的故障诊断方法是目 前被国际上广泛采用的一种诊断方法。专家系统采用模拟专家思维的方法，利 用专家的知识对影响列车安全的各个因素进行综合分析，将基于机车电路的研 究、司机安全操纵经验的总结、专家分析推理思维的模拟，对影响机车运行安 全的诸因素采用客观分析计算、主观综合评价的方法进行逐步融合，尽可能对 机车运行安全状态做出全面和客观的评价。 我国铁路机务部门在长期的机车运用实践中，不仅制定了比较完善的安全 行车规程，研制开发了保障行车安全的技术装备，研究完善了机车牵引计算理 论、数据，同时也培养了大批具有丰富实践经验的优秀司机。在我国铁路不断 向高速、重载方向发展的今天，对这些理论、数据、经验进行研究总结，应用 人工智能的方法建立机车安全运行专家系统，利用先进的车载计算机辅助司机 对机车进行安全操纵，不仅是必要的，也是完全可行的。 机车安全监测系统采取专家系统方法，可以储存大量的数据、参数，并在 行车过程中实时采集列车运行各种数据、行车信号，综合应用专家的知识和经 验进行推理和判断，且专家系统高速运行，且工作不受时间、空间和环境的影 响。机车安全监测系统如能获得正确的知识，综合专家知识并制订正确的推理 策略，利用先进的车载计算机专家系统辅助司机进行行车安全监控是可以实现 的。 铁路机车设备的故障直接关系到机车乃至铁路系统的安全运行。故障诊断 是一项复杂的、经验性很强的技术工作，机车设备故障的原因很多，要求快速、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有效、准确地识别故障并采取有效措施及时排除故障。利用专家系统进行故障 诊断并给出处理措施，辅助维修人员进行事故处理，提高机车的安全经济运行 水平，是专家系统在铁路机车故障诊断系统中的个具体应用。 在我国铁路运输中，主要采用的牵引动力为韶山系列的电力机车。电力机 车以其卓越的动力性能、良好的环保性、运行成本低而成为我国目前主要的牵 引车头。对电力机车的故障诊断目前用的方法主要为：在机车进途中根据故障 现象，由现场的机车乘务人员分析、判断，然后采取相应的故障处理措施。由 于机车乘务员机车业务水平有高有低，机车乘务员出乘采用的是派班制，既人 和车不固定。造成故障判断困难。再者电力机车上的电力电气设备越来越复杂， 因此对机车的故障判断越来越困难。目前一旦机车中途故障停车无法修复时， 采用的措施为救援机车带着维修技术人员前往救援。故障如不能及时处理对铁 路运输以及安全生产带来的损失是巨大的。 本文主要针对s s 4 改型电力机车建立基于故障树的故障诊断专家系统，充 分利用技术专家丰富的机车维护经验，为铁路运输以及行车安全提供方便、快 捷的故障诊断方案，提高机车的使用效率。首先根据s s 4 改型电力机车常见故 障建立专家系统诊断知识库和推理机，论文最后介绍了电力机车故障诊断专家 系统的设计思想和实现方法，对以后系统的深入研究进行了铺垫。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章专家系统的原理 2 1 专家系统的基本概念 2 1 1 专家系统的定义 专家系统主要指的是一个智能的计算机程序系统，其内部含有大量的某个 领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法 来处理该领域的高水平难题。也就是说专家系统是一个具有大量的专门知识与 经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某个领域一个或多个 专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决 那些需要人类专家人才处理好的复杂问题。 专家系统强调系统所拥有的知识对系统的性能水平有重要的影响。专门知 识是专家系统的焦点，由专门知识的特点可以归纳出专家系统的三个主要特点 是：启发性、透明性和灵活性。 2 1 2 专家系统的组成 为了完成专家系统的功能，专家系统应包括以下组成部分：知识库、推理 机、人机接口、全局数据库、知识获取部分和解释部分。 知识库是领域知识及该专家系统工作时所需一般常识性知识的集合，这些 知识可以用一种或几种表示方法来表示，通过程序来提取和管理。 推理机是专家系统的组织控制机构，要根据当前的输入数据、运用知识库 中的知识，按一定的策略进行推理，以达到要求的目标。 全局数据库又称为工作存储器或动态数据库，是用于储存所诊断问题领域 内原始特征数据的信息，推理过程中得到的各种中间信息和解决问题后输出结 果信息的储存器。 知识获取系统是专家系统和领域专家、知识工程师的接口。通过它与领域 专家和知识工程师的交互，使知识库不仅可获得知识，而且可使知识库中的知 识得到不断的改善。 解释系统能够对推理过程作出解释，可以解释推理的路线和为什么需要询 问那些特征信息数据，而且还可以解释推理得到的确定性结论。在专家系统中 设置解释系统是专家系统与传统的计算机系统不同的一个重要特色，其目的是 使用户更容易接受系统的整个推理过程和所得出的结论，同时也为系统的维护 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 和专家经验知识的传授提供方便。 人机接口有时又称为用户界面，是专家系统和用户之间进行信息交换的媒 介。它常常以用户熟悉的手段( 如自然语言、图形、表格等) 与用户进行交互， 把用户输入的信息转换成系统的内部表示形式，然后由相应的部件去处理，把 系统内部的信息显示给用户，友善的用户界面是专家系统的重要组成部分。 2 1 3 专家系统具有的特点 一般应用程序把问题求解的知识隐含地编入程序，而专家系统则把其应用 领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。知识库的处理是通过与 知识库分开的控制策略进行的，将知识组织成三级：数据、知识库和控制。 由 于专家系统中的知识库和推理机是相对独立的，知识库内的知识的表示是明显 的，因此专家系统的知识库的修正和扩充比较灵活、方便。 1 专家系统汇集了众多领域专家的知识精华，使其具有丰富的知识储备， 是专家中的权威，且无人为因素的影响，能加倍有利于解决问题。能在特定领 域内模仿专家工作，处理非常复杂的情况，包括异常情况。 2 专家提供的经验知识都是自然语言，都适用符号表示，难于用数据和公 式表示，而符号处理正是专家系统的特长，能表达接近于自然语言的知识和规 则，而一般的软件无此能力。可以清晰可读的人类自然语言方式表达无法用数 学模型表达的专家知识，便于理解及知识库维护。 3 靠划定阀值的办法测故障，很难解决虚警和漏警问题。而用专家系统的 模糊知识推理就能解决。 4 专家系统带有解释功能，说明推理的过程，解释使用每一条推理规则的 原因，使用户更加信服，易于交流，易于接受，有利与产品的推广，这点很重 要。同时，体统的提问咨询能输入补充信息，帮助处理问题，这也是一般软件 不能做到的。 5 在已知其基本规则的情况下，无需输入大量细节数据，即可运行。 2 2 知识库 2 2 1 知识表示 众所周知，计算机的计算，历来以数据作为处理对象，但只有当数据用二 进制来表示时才得以在计算机中进行存储和运算。任何需要进行交流、处理的 对象都需要用适当的形式表示出来才能被应用，对于知识当然也是这样。人工 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 智能研究的目的是要建立一个能模拟人类智能行为的系统。为达到这个目的， 就必须研究人类智能行为在计算机上的表示形式，只有这样才能把知识存储到 计算机中去，供求解实际问题使用。所以知识的表示就是一种描述，一种计算 机可接受的对人类智能行为的描述。当前知识表示的方式多种多样，但由于对 人类的知识结构及机制尚不完全清楚，因此关于知识表示的理论及规范尚未系 统建立起来。 2 2 2 产生式表示法 产生式表示法又称为规则表示法。产生式通常用于表示具有因果关系的知 识，其基本形式是 p q 或者 i fpt h e nq 其中，p 代表条件，如前提、状态、原因等；q 代表结果，如结论、动作、后果 等。其含意是：如果前提p 被满足，则可推出结论q 或执行q 所规定的动作。 典型的产生式的表示模式是： i f p r e m i s e r s 】t h e n 【a c t i o n ( s ) 】e l s e 【a c t i o n ( s ) ( 如果 前提 则 结果 否则 结果 ) 把一组产生式放在一起，让它们互相配合，协同作用，一个产生式生成的 结论可以供另一个产生式作为前提使用，以这种方式求得问题的解决，这样的 系统就称为产生式系统，也称之为基于规则的系统。 2 2 3 知识库的结构 数据库技术是计算机数据管理技术，具备数据结构化、低冗余度、高独立 性、易扩充性、数据使用的非过程性以及数据共享等特点，能够高效地管理和 维护信息。数据库是对数据进行存储和管理，而知识库的主要功能是针对知识 进行存储和管理。因此，它们既有明显的区别又有必然的联系。 首先，二者的应用对象、组成和工作方式不同。数据库用于数据信息管理， 而知识库面向智能信息处理。数据库的研究目标主要是如何有效地存储和检索 大量数据。对数据库的操作有：数据的输入和输出、数据编辑、按属性和关系 名进行查询、更新数据库等。知识库的主要任务则是如何有效地实现知识的表 示和推理机制，它的基本元素是领域知识，这些知识是为推理服务的。 其次，数据库和知识库在实现上有相通之处，知识库的规则和事实都可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 做成数据库的表的形式，很方便地进行添加、修改、删除、查询等操作。因此， 可以用数据库技术来实现知识库。 2 3 知识的获取 专家系统是一种典型的知识处理系统，它面向现实世界中那些需要由专家 来分析、求解的复杂问题或不良结构问题，强调利用专家的专门知识和推理方 法来实现专家水平上的问题求解。专家系统的设计有两个显著特点：一是专家 系统对专家的依赖性，一个实际专家系统的设计一般自始至终都离不开一个或 多个领域专家的合作，设计出来的专家系统的性台月匕v , ，t e k l 大程度上决定于专家的水 平和合作效果；二是专家系统的设计有不同于传统程序设计的一套技术，如知 识获取、知识表示、基于知识的推理等。 专家系统强调利用领域专家的专门知识来求解那些需要专家才能有效解决 的现实问题。所以，一个专家系统的两个核心组成部分是存放专门知识的知识 库和利用知识库实现实际问题求解的推理机。 专门知识包括问题领域内与问题求解有关的定义、事实( 这里指与具体问 题无关的共性事实，如机车正常运行的电流、电压) 和各种领域技术人员所共 同同意和一致接受的理论、方法，这样的知识一般可以在教科书或其它文献中 查询到，称为共性切识，也包括那些在已发表的文字材料中难以找到、是专家 凭经验和直觉获得的经验知识或称启发式知识。这种启发式知识是专家所特有 的个性知识，它们是专家赖以进行高水平问题求解的关键所在。知识的采集和 知识库的建立往往是建造一个实际专家系统的中心任务。这涉及到选择合适的 知识表示方法组织知识库和运用合适的知识获取手段来获取知识两大问题。许 多专家系统建造中的知识获取是通过被称为知识工程师的专家系统设计者与专 家的直接接触进行的，但不少专家系统中也开发有专门设置的知识获取模块， 以使得专家或用户能够以非编程方式与专家系统直接打交道实现对知识库中己 存贮的知识进行交互式修改、扩充。少数专家系统中的知识获取模块还能够把 系统进行实际问题求解过程中的一些有用的中间结论记录下来、归纳成知识追 加到知识库中或者对知识库进行自动调节、完善，这是我们通常所称的自动知 识获取能力或自学习能力。而交互式实现的知识修改、扩充则称之为交互式知 识获取。 在诊断专家系统中，诊断知识来源于两个方面： ( 1 ) 自然语言文献。包括专业书籍、期刊、产品出厂文件、设计施工总结、 安装调试记录以及设备运行理事资料等； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 2 ) 领域专家的经验。包括领域专家在问题求解过程中所利用的结构知识、 因果知识、行为知识等。 通常，获取知识有三种方法： ( 1 ) 通过知识工程师获取知识 通过知识工程师获取知识是最直接、最简单的获取知识方法。知识工程师 通过与领域专家接触、对话，并在专家的指导下通过对必要的书本知识和实例 知识的提取，然后以一种合适的计算机内部表示方式把专家的经验知识存入知 识库。知识工程师提取规则特点工作量大、周期长、效率低。 ( 2 ) 通过知识编辑器获取知识 在这种方法中，领域专家通过与知识编辑程序进行对话，把经验知识输入 知识库，系统按照约定获取知识。 知识编辑器是采用交互方式用于知识输入的工具软件，它是在建造专家系 统时根据需要编制的。一般说来，它应具有如下功能：把知识工程师用某种语言 表示的知识转换成计算机可以表示的内部形式并输入到知识库中：检查输入知 识的语法是否正确，发现错误应报告，以使及时进行修改：检查知识的一致性 和完整性，报告产生错误的原因和部位，以便进行更正。 ( 3 ) 通过学习程序获取知识 这是一种由学习系统从数据库、已有知识和实例中获取知识的方法，也是 目前专家系统研制者研究的热点，近几年发展较快。 后两种获取知识的方法就是所谓的自动知识获取，尽管人们在努力寻找实 现知识获取自动化的方法的技术，但在一段时间内，还难以期待这方面的突破 性进展。因此，非自动知识获取仍是建立知识库的基本方法。 2 4 推理机 数据驱动搜索，有时也称为正向推理。这种问题求解法是从问题给出的条 件，一个用于状态转换的合法移动或规则的集合出发的。搜索的过程即应用规 则从给定条件产生新条件，再用规则从新条件产生更多的新条件。这个过程一 直持续到有一条满足目标要求的路径产生为止。另一种求解方法是：先从令人欲 想达到的目标入手，看哪些规则或合法移动能产生该目标以及应用这些规则在 产生目标时需要哪些条件。这些，条件就成为我们要达到的新目标，即子目标。 搜索就通过反向的，连续的子目标不断地进行，一直到找到问题给定的条件为 此。这样就找到了一条从数据到目标的移动或规则组成的链，尽管搜索方向和 它正好相反。这种方法称为目标驱动的推理或反向推理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 数据驱动推理是运用问题给出的条件及规则或合法移动，产生新的条件， 向目标靠近；目标驱动推理着眼于目标，寻找产生目标的规则，通过反向连续 的规则和子目标进行反向推理直至找到问题给出的条件。 数据驱动和目标驱动的问题求解器在最终分析时搜索的是同一个状态空 间；但它们搜索状态的次序和实际的数目会有不同。具体运用哪种策略取决于 问题本身的性质，诸如规则的复杂性，状态空间的形状，问题数据的种类、可 用性等等。对不同的问题这些内容变化很大。 2 5 专家系统的发展 众所周知，诞生于二十世纪7 0 年代的专家系统是人工智能领域最为活跃的 分支，尤其在2 0 世纪8 0 年代世界范围内更是得到迅速发展和广泛应用。进入 2 0 世纪9 0 年代，模糊技术、神经网络和面向对象等新技术迅速崛起，为专家 系统注入了新的活力。另一方面，计算机应用越来越普及，而且对智能化的要 求也越来越高。现在的发展趋势是： 传统专家系统与面向对象、神经网络以及模糊技术相融合，将是专家系统 技术发展的总趋势。 专家系统与传统的计算机应用系统相结合，将是专家系统应用形式和应用 领域发展的总趋势。 1 9 9 4 年初，第二届世界专家系统大会在葡萄牙召开。大会的主题是“专家 系统向2 1 世纪全面推进 。会上，专家系统的创始人以费根鲍姆为首的专家组 作了题为“知识前景一研究课题及应用的主题报告。这次大会显示了专家系 统的一些新的发展动向： ( 1 ) 功能集成一大型化，即从单学科、单功能、专门性的小型专家系统， 向多学科、多功能、综合性的大型知识系统发展。 ( 2 ) 技术集成集成化，即除了传统的知识获取方法、知识表达方法、 知识推理技术之外，在问题描述模型、问题求解方法、程序设计方法、软件实 现技术等方面引进其他先进的技术，如：人工神经网络、面向对象方法、遗传 算法、模糊数学等等，进行模型、方法、技术集成，设计和建造集成化、混合 型的专家系统。 ( 3 ) 智能集成拟人化，即将己开发出来的由知识库、推理机和神经网 络所具有的高智能，同当前的多媒体、超媒体等新技术相结合，实现具有自学 习、自组织、自适应、多媒体人机智能接口、声图并茂的专家系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 6 小结 机车运用过程中，其故障的产生是必然的。对机车进行检修，是保证机车 安全运行以及保证机车发挥最高效能的先决条件。当前世界上最先进的状态检 修制度的实施，离不开故障诊断技术的应用。目前，我国机车行业的故障诊断 技术，基本上还局限在对设备、部件、组件和零件等方面的诊断。这些诊断方 法，都没有涉及到整个机车大综合的检测，对整个机车大系统的综合诊断，现 在还主要是依靠技术人员，凭经验，经过综合分析后确定。但是，随着老专家 的退休，青年专家经验不足，使得各机务段的人类专家数量显得严重不足。使 用专家系统，则可以克服上述不足，而且，丰富的人类专家经验，为专家系统 的建立，提供了必要的保证。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 第3 章机车故障诊断专家系统检测信号分析 机车设备状态诊断专家系统是整个诊断装置的一部分，也是最重要的部分， 状态诊断专家系统实际上是一个故障实时分析与诊断系统，需要在积累了大量 的原始数据的前提下与现场操作人员、行内专家进行交流，找出原始数据与故 障的关系，再将其规则化，逐步实现机车故障分析诊断的计算机实现。 本课题研究基于s s 4 改型的故障诊断专家系统，与大多数已经建立的专家 系统相同，都是基于专家系统的总体思路，也是基于专家的知识，结合专家的 经验给于指出机车故障原因。但不同的是，本专家系统是基于机车己检测信号 来进行实时的故障诊断。首先将机车上的信号包括开关量，模拟量及其它能反 应机车故障现象的信号取出，信号检测装置实时地检测所有信号，然后将信号 送给专家系统检测程序。专家系统得到检测的程序后，开始诊断，当发现故障 现象时，系统给出专家语言提示，司机可以根据提示的语言进行故障的排除和 处理。相当一个专家不停的对机车的信号进行判断、诊断，及时地发现机车运 行所存在的隐患，并可将故障原因等记录下来，以备检修机车时让检修工程师 迅速，准确地找出故障地点。 3 1 采样规则 根据电路原理，通过端子柜、高压柜、低压柜等接线处接出采样点。当该 采样点有电流通过，即有电压时，将电压采出，并传送给采样电路。在这里系 统主要是关心电路通断状态，因此对采样点的实际电压值并不关心，而只是期 望判断出有电或无电即可，或电压或电流的阈值有没有超过特定的界限。经过 采样电路处理后，各个采样点当有电时采样值为0 ，当无电时采样值为1 ，对于 阈值情况，可通过将检测信号的传感器引出信号加信号阈值过或没过的开关调 节电路，当没超过阈值时为0 ，超过阈值时为1 ，并最终传给计算机。因此，这 里的传感器实际上就是一种把信号转换成1 或0 的数字i 0 接1 2 1 ，只不过这里 的电压有5 0 0 - 9 0 0va c ，1 l o vd c ，2 4 vd c 等。 通过研究，我们发现尽管电路不同部分中的电压和电流有大有小，但每个 电器和导线却并无任何的第三状态，即只存在通和断两种情况。另外，对该系 统的故障诊断主要是针对电路中的短路和断路进行定位的。根据这个特点，还 可将所有电气设备分为两大类：即能够控制本电器两端电路通断的各类开关和 不能够控制本电器两端电路通断的其它电器，而后者甚至都可看作是电阻处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 这样，如图3 1 所示的原始电气线路图，采用以上的方法简化后可变为图3 2 所示的简化电路图，再进一步便可转化为可由计算机直接处理的逻辑推理语句。 这样，经过以上简化，该电路就简化为只考虑通断的电路系统，即电路中 电位值存在0 和1 ( 或高电平和低电平) ，来进行处理了。 xr - t l k 2 芦卜0 一 k 3t 一， i l 一一厂、一j 置l ， t i l 一， t 2 r 。 r 3 蓦_ 叫睡缱拄- e 1 k ? 鼍 一开关5 r i 一电识：7 2 - 空一t 3 - - - - 电珀 图3 2 简化电路图 3 2 判断逻辑的基本种类 经过简化，使复杂的电气线路抽象为数字电路或逻辑电路。而所有的电路 关系也可随之简化为逻辑关系，因此很自然的就可用逻辑语句来描述该电气线 路了。由上可知，经过电路简化系统的元件分为了两大类，即不可控制通断和 可控制通断的元件( 或称为普通元件和开关) 。前者是不能控制逻辑关系的元件， 其自身逻辑状态还要受其它元件的控制。后者一方面其自身逻辑状态可受其它 元件的控制，另外其自身逻辑状态，还会影响到其它相关元件的状态，即可以 控制逻辑关系。 1 普通元件状态判断 对于普通元件其状态分高电位和低电位两种。其逻辑较简单，若它对应的 实际采样点电位高，则此状态为高电位状态；反之为低电位。例如电机，电炉 2 配 一 一 一 厂；。 一 一 一 x t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 等均属于此。此类元件仅需一个采样点即可得到其状态。 2 开关元件分类及状态判断 在实际电路中元件种类较多，但按照其逻辑功能不外乎分为以下情况： ( 1 ) 普通开关k ( 如图3 3 ) ： k 蒹孵点暑l 采栉点砭 图3 。3 普通开关 此类开关的断开和闭合只受外部人为控制，不受电路自身内部线圈控制。 若描述此类开关需两个采样点：s l 和s 2 。根据电路基本原理且只考虑实际情况， 有意义的三种状态有： 状态一：s l = l ，s 2 = l 则认为开关闭合且开关两端电路皆为高电平； 状态二：s l = l ，s 2 = o 则认为开关断开且只有开关前端电路为高电平； 状态三：s l = o ，s 2 = o 则认为开关断开且开关两端电路皆为低电平( 虽然此 情况下可能开关为闭合状态，但在这里不加考虑) ； 计算机故障判断逻辑语句为： i fs la n d ( n o ts 2 ) a n d ( k 按下) t h e n开关k 故障 e l s e i fs la n d ( k 没按下) a n ds 2t h e n开关k 故障 e l s e 退出诊断程序 利用此判断结果，如果信号是从一端走向另一端，比如从s 1 走向s 2 ，若 s 1 有电，且此时k 对应的继电器也得电，且s 2 无电，说明k 接触不良，出现 故障。由此可以来诊断相应故障。 ( 2 ) 线圈控制的常开开关k c k ( 如图3 4 ) ： k c k 一一l e 妥样点s l 紧徉a s 乏 控制 线圈 妥摊虞量3 图3 4 线圈控制的常开开关 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 此类开关直接受到控制线圈控制，即控制线圈不带电时开关处于断开：控 制线圈带电时受到线圈的电磁作用触点吸合，使开关处于闭合状态。根据电路 基本原理并仅考虑实际有意义的状态，需要三个采样点s l ，s 2 和s 3 。 如在采样点s 3 为高电位情况下s 1 为高电位，则在正常情况下开关闭合且 两端电路皆为高电平，若s 2 为低电平，则说明k c k 出现故障；s l 为低电位则 开关闭合且两端电路皆为低电平。 如在采样点s 3 为低电位情况下s 1 ，s 2 均为高电位，则开关断开且两端电 路皆为高电平，说明k c k 故障；s l 为高，s 2 为低电位则开关断开且仅前端电路 为低电平，说明k c k 正常；s l ，s 2 均为低电位则开关断开且两端电路皆为低电 平。 转化为计算机逻辑语句为： i fs la n d ( n o ts 2 ) a n ds 3t h e nk c k 故障 e l s e i fs 1a n ds 2a n d ( n o ts 3 ) t h e nk c k 故障 e l s et h e nk c k 正常或无法诊断，退出诊断程序 ( 3 ) 线圈控制的常闭开关k c b ( 如图3 5 ) ： k c b 一峥。1 一 浜薛考】采样点拳2 控制 线圈 一卜一 条释点s 3 图3 5 线圈控制的常闭开关 此类开关也直接受到控制线圈控制，只不过控制情况正好和常开开关相反 即，控制线圈不带电时开关处于闭合；控制线圈带电时受到线圈的电磁作用触 点断开，使开关处于断开状态。根据电路基本原理，如采样点s 1 ，s 2 均为高 电位，s 3 为高电位，则应显示该开关出现故障；如采样点s 1 高电位，s 2 和s 3 均为低电位，则应显示k c b 故障。所以其逻辑仅仅将常开开关的值取反即可。 在这里就不加赘述。 转化为计算机逻辑语句为： i fs la n ds 2a n ds 3t h e nk c b 故障 e l s e i fs 1a n d ( n o ts 2 ) a n d ( n o ts 3 ) t h e nk c k 故障 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 e l s et h e nk c k 正常或无法诊断，退出诊断程序 ( 4 ) 在实际电路中这些开关以各种状态的连接，因而形成了很多嵌套，如 图3 6 所示。 判断逻辑语句应遵循从左到右的逻辑判断顺序，逻辑语句为： i fs la n d ( k 继电器得电) a n d ( n o ts 2 ) t h e n 显示k 故障 e l s e i f s 2 i f ( k 1 继电器失电) a n d ( k 2 继电器失电) a n d ( k 3 继电器失电) a n d ( s 3o rs 4o rs 5 ) t h e n 显示k 1 或k 2 或k 3 出现故障 e l s e i f ( k 1 继电器得电) o r ( k 2 继电器得电) o r ( k 3 继电器得 电) a n d ( ( n o ts 1 ) a n d ( n o ts 2 ) a n d ( n o ts 3 ) ) t h e n 显示k l 或k 2 或k 3 故障 ) k l t i i 一擐线硅：k9 1 i c 2 k 3 一尼天： t l - 一屯哦；t 2 - “中谭：t 3 电阻 蓦1 s 2 。3 则s 弓一条姆点 图3 6 开关的嵌套 当然在实际线路中，各种电路关系极为复杂，还有很多的实际情况需要加 以考虑，以上通过根据实际采样情况进行逻辑判断，完成了对电气线路的描述。 这样采样值输入计算机后，经过以上处理就可完成对电气线路的动作及