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摘要 摘要 为保证电力系统安全、经济、稳定运行，电力设备的故障诊断越来越重要。 电力变压器作为主要的电力设备贯穿于整个运行过程，起着至关重要的作用。本 文采用面向对象技术丌发专家系统来解决变压器故障的智能诊断问题。 专家系统关键是知识库和推理机制的设计，本文介绍了基于产生式规则的知 识表示形式和产生式的数据库表示方法，设计并实现了变压器故障诊断的知识库， 给出了该数据库的表图。推理机方面，根据变压器故障诊断的特点，提出一种并 行推理机制，包括基于规则的精确推理和基于模糊评判矩阵的模糊推理。 在理论创新方面，本文提出了用有限自动机来研究产生式推理过程的方法， 将产生式正向推理的与或树的相关概念和结构映射到了有限状态自动机的概念和 结构上，得到产生式推理的数学模型有限状态自动机的状态转化图。从而可 以通过分析状态转化图的一些性质，来描述和分析产生式推理。 关键词：故障诊断专家系统产生式规则推理机有限状态自动机 a b s t r a c t f a u l td i a g n o s i sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt op r o t e c tt h es a f e ，e c o n o m y a n ds t a b l eo p e r m i o no ft h ep o w e rs y s t e m a st h ec o r ei n s t r u m e n ti np o w e rs y s t e m ，t n e n j n n i n 2r e l i a b i l i t yo ft r a n s f o r m e rd i r e c t l yi n f l u e n c e st h es a f e t yo ft h ew h o l es y s t e m t o s 0 1 v et h ep r o b l e mo fi n t e l l i g e n td i a g n o s i so ft r a n s f o r m e rf a u l t s ，t h ea u t h o rd e v e l o p s e x p e r ts y s t e mw i t ho b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d t h ek e vo fe x p e r ts y s t e mi st od e s i g nk n o w l e d g eb a s ea n di n f e r e n c ee n g i n e t h e a u t h o ri n t r o d u c e dt h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n b a s e do np r o d u c t i o n r u l e sa n d e x p r e s s e dt h ep r o d u c t i o n r u l eb yr e l a t i o n a ld a t a b a s e s ，d e s i g n e da n dr e a l i z e d t h e k n o w l e d g eb a s es y s t e mo ft r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i s ，g a v et h et a b l ed i g r a p ho f d a t a b a s e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i s ，ap a r a l l e l i n f e r e n c em e c h a n i s mi n c l u d i n gf u z z yi n f e r e n c ea n de x a c ti n f e r e n c ei sa d v a n c e d t h ea u t h o rp r o m o t e dt or e s e a r c hp r o d u c t i o ni n f e r e n c eb yf i n i t es t a t ea u t o m a t o n ， m a p p e dt h ec o n c e p ta n ds t r u c t u r eo fp r o d u c t i o nf o r w a r di n f e r e n c ea n d 。o rt r e e t ot h e c o n c e p ta n ds t m c t u r eo ff i n i t es t a t ea u t o m a t o n ，g o tt h em a t h e m a t i cm o d e l o fp r o d u c t i o n i n f e r e n c e 一s t a t ec o n v e r s i o nc h a r to ff i n i t es t a t ea u t o m a t o n t h u sp r o d u c t i o ni n f e r e n c e c o u l db ed e s c r i b e da n da n a l y z e db yf o r m a l l yd e s c r i p t i o nu s i n gf i n i t es t a t ea u t o m a t o n k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m p r o d u c t i o nr u l ei n f e r e n c ee n g i n e f i n i t es t a t ea u t o m a t o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：三篓址 日期一q 2 二生! ! 一 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于偎密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：蕉咝日期霞：! ! 导师签名：鼋瞥 日期j 龌l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变压器故障诊断的意义 随着科学技术的大力发展和现代生产规模的扩大，对电力的需求与日俱增， 对电力设备的可靠性和稳定性也提出了更高的要求。随着电力的大规模生产，电 力设备的功能越来越完善，自动化程度也越来越高，为保证电力系统安全、经济、 稳定运行，电力设备的故障诊断和设备的寿命预测也越来越莺要。电力变压器作 为主要的电力设备贯穿于这些环节之间，起着至关重要的枢纽作用。因而其运行 的可靠性受到电力工业部门的高度重视。用常规的预防性试验发现不了，实际也 没有发现的一些先天缺陷，普遍存在于症状正在运行的和即将投运的电力变压器 之中，有些并不一定立即能引起事故，但随着一些故障隐患的逐渐积累，故障和 事故的发生就成为必然的事情。变压器的检修和维护是确保设备安全可靠运行的 重要环节，但由于客观的和人为的诸多不确定性因素，电力变压器的故障客观上 是不可避免的i2 | 。 由于电力变压器故障不可完全避免，对故障的j 下确诊断和及早预测，就具有 更迫切的实用性和重要性。但是，变压器的故障诊断是个非常复杂的问题，许多 因素如变压器容量、电压等级、绝缘性能、工作环境、运行历史甚至不同厂家的 产品等均会对诊断结果产生影响。各种试验方法和测试仪器只是起到获得变压器 运行状态信息的作用，而且许多情况下，为了不停电，状态测试的环境和条件都 受到了限制，反映运行状态的数据常常不够全面，并经常混杂着干扰信息。所以 要从这些信息中做出正确判断是富有挑战性的，需要工作人员具有非常丰富的运 行维护经验。 随着电力设备长时间的运行，由于受到电磁振动、机械磨损、化学作用、大 气腐蚀、电腐蚀等影响，它们的健康状态逐渐变坏，在不同程度上影响了该设备 安全可靠的运行。因此，电力设备在经过一定时间运行以后，必须进行检修，修 复缺陷，更换不合格部件，使设备恢复到健康状态1 2 j 。 因此，研究和应用大型变压器的状态监测与故障诊断技术，保证变压器安全 可靠运行，保障送变电的安全，这不仅仅是局部的经济问题，也是社会公共利益 问题【3 】。因此世界各国都投入大量的资金开展故障诊断技术的研究，并在故障诊断 技术上取得了一定的进展。 目前，世界各国每年用于设备检修的费用相当惊人。据美国统计局公布的数 字，美国1 9 8 0 年全年的税收7 5 0 0 亿美元，用于工业设备检修的费用约2 5 0 0 亿美 基丁产生式规则的变压器故障诊断专家系统 元，其中至少7 5 0 亿检修费用属于浪费性质，主要是修理了不该修理的设备。同 时国内外许多资料表明，开展故障诊断的经济效益是明显的。据日本统计，在采 用诊断技术后，事故率减少7 5 ，维修费降低2 5 ，英国调查表明，采用诊断技术 后每年节省维修费3 亿英镑，用于诊断技术的费用仅为o 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑1 5j 。我国设备年检修费用约为8 0 0 多亿元，约占资产总额的7 - - 9 ，由 于设备检修体制与检修手段相对落后，检修过程中的浪费严重，总的检修效益低 下。如果在我国全面推广故障诊断技术，每年预计可减少事故5 0 - 一7 0 ，节约 维修费用1 0 3 0 ，效益将相当可观【6 j 。 1 2 专家系统以及在电力设备故障诊断中应用 专家系统( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 是一种智能的算机程序，它能借助源自于人类 的专家知识采取一定的搜索策略，并通过推理的手段去解决某一特定领域的相关 问题1 7 j 。专家系统实质上就是一个智能计算机程序，其内部含有大量的某个领域专 家水平的知识与经验，能够利用这些相关知识经验并采取解决问题的方法来处理 该领域问题。也就是说，专家系统是一个以大量的专门知识与经验为基础的程序 系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知 识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的处理决策过程，以便解决那些需要 人类专家处理的相应问题1 8 】。简而言之，专家系统就是一个或一组能在某特定领域 内以人类专家水平去解决领域中困难问题的计算机程序系统。 图1 1 是专家系统的一般结构。大多数基于规则的专家系统如m y c i n 等都采 用了这种结构。这种结构在目前专家系统的构造中比较流行，包括六个部分：知 图1 1 专家系统结构 第一章绪论 识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释机构及知识获取机构。其中，知识 库、推理机和综合数据库是目前大多数专家系统的主要内容，而知识获取机构， 解释机构和人机接口是所有的专家系统都期望具有的三个模块。一般结构中各个 部分的作用如下： 1 、知识库( k n o w l e d g eb a s e ) ：用以存放领域专家提供的领域相关的知识，如 书本知识、常识性知识以及专家凭经验得到的试探性知识。专家系统的问题求解 是运用专家提供的专门知识模拟专家的思维方式进行的，知识库的成功建立，对 专家系统能够成功推理得到相应领域专家的解决问题的能力有着重要决定意义， 因而知识库中拥有的知识的数量和质量是e s 的性能和求解问题能力的关键因素。 所以知识库是建造专家系统的中心任务。 2 、综合数据库：用于存放问题求解的初始数据、中间结果、求解状态及最终 结果等的工作存储器。 3 、推理机( i n f e r e n c ee n g i n e ) ：根据当前已知的事实或针对综合数据库中的当 前信息，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和搜索策略进行推理，求得问 题的答案或证明某个结论的正确性。 4 、知识获取机构：进行专门的知识的自动获取，实现专家系统的自学习，不 断完善知识库。 5 、解释程序：根据用户的提问，对系统得出的结论，求解过程以及系统当前 的求解状态提供说明，便于用户理解问题的求解，增加用户对求解结果的信任程 度。在知识库的完善过程中便于专家或知识工程师发现或定位知识库中的错误， 便于领域的专业人员或初学者能够从问题的求解过程中得到直观的学习。 6 、人机接口：是专家和一般用户与系统间的界面，领域专家或知识工程师通 过它输入知识、更新和完善知识库：用户通过它输入初始数据及向系统提出问题； 系统用它输出运行结果，回答用户的询问或者向用户索取进一步的证据。 专家系统经过将近4 0 年的发展，己经在数学、化学、医学等诸多领域取得了 许多可喜的成果。自从7 0 年代后期开始应用于电力工业中以来，在电力系统许多 研究方向上取得了突飞猛进的发展。1 9 8 8 年8 月在瑞典的斯德哥尔摩和芬兰的赫 尔辛基召开了专家系统在电力工业中应用的首次学术会议，发表了近8 0 篇反映最 新动态的论文，1 9 8 9 年1 0 月在美国的西雅图又召开了第二届会议，发表论文近 9 0 篇，1 9 9 1 年4 月在日本东京召开了第三届会议，共发表论文近1 2 0 蒯9 1 。这几 次大型会议的举行，有力地推动了专家系统在电力系统中的应用。 目前，专家系统在电力系统中的应用涵盖了电力系统的许多方面，如：电力系 统规划、故障诊断、电力系统控制、系统分析、教育和仿真。电力系统的故障诊 断是其中比重很大的一个分支，目前在国内也有许多院校、生产单位在从事这方 面的工作。较成熟的专家诊断系统多集中于气轮机、发电机、大型电力变压器等 4 基丁产生式规则的变压器故障诊断专家系统 电力系统主要设备，如由原华中理工大学研制的2 0 0 3 0 0 m w 气轮机状态监测、能 损分析、故障诊断专家系统，电力变压器故障诊断专家系统等1 0 】。 1 3 变压器常见故障和诊断方法 对于大型油浸式电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与 油中的固体有机绝缘材料( 纸和纸板等) 在运行电压下，随运行时间的增加，因 放电和热的作用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及一氧化碳，二 氧化碳气体，而变压器的内部绝缘故障却伴随着局部过热和局部放电现象，使油 或纸或油和纸分解产生h 2 ( 氢气) 、c i - h ( 甲烷) 、c 2 h 2 ( 乙炔) 、c 2 i - h ( 乙烯) 、 c 2 h 6 ( 乙烷) 、c o ( 一氧化碳) 和c 0 2 ( 二氧化碳) 等气体1 1 2 j 。当故障不太严重， 产气量较少时，所产生的气体形成的气泡在油里经对流、扩散，不断地溶解于绝 缘油中，当设备内部存在潜伏性过热，或放电故障时，就会加快这些气体的产生 速度。当产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。 此外，发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、 各种气体的比例关系也不相同，而与绝缘油的种类与牌号无关。因此，油中溶解 气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，通过对油 中溶解气体进行气相色谱分析，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。 1 3 1 变压器故障原因和类型 致使变压器发生故障的原因很多，总的来说可以归结为以下这些原因： 1 、设计制造方面 设计上的缺陷：为了节省成本，制造时采用了低质量的材料( 如低质量纸板， 硅钢片等；制造工艺不过关，致使线圈受潮、铁心损耗大等；质量把关不严等。 2 、运行维护方面 安装不良和保护设备选用不当；检修致使变压器受潮；过负荷；与外部导体 连接松动；对各种附件、继电器等维护、检修不当等。 3 、正常老化及突发事故 绝缘材料正常老化；异常过电压影响；外部短路引起故障；自然灾害及外界 因素影响等。 变压器由于结构复杂，运行的环境多种多样，故障类型众多，大体上有如下 几种分类方式： 1 、按故障发生部位分类 ( 1 ) 变压器外部故障 油箱：焊接质量不好，密封填圈不好；电压分接开关传动装置：机械操动部 第一章绪论 分，控制部分等问题；冷却装置：风扇、输油泵、控制设备等问题；附件：绝缘 套管、温度计、油位计、各种继电器等问题。 ( 2 ) 变压器内部故障 绕组：绝缘击穿、断线、变形：铁心：铁心叠片之间绝缘不好、接地不好、 铁心两点或多点接地及铁心螺栓绝缘击穿；内部的装配金具问题：电压分节开关 控制不到位，引线绝缘薄弱；绝缘油老化。 2 、按故障发生过程分类 ( 1 ) 突发性故障 由异常电压下( 操作过电压，雷电过电压及谐波过电压) 引起的绝缘击穿，外部 短路事故引起的绕组变形，层问短路；自然灾害；辅机的电源停电。 ( 2 ) 由潜伏性故障发展而形成的故障 铁心绝缘不良，铁心叠片之间绝缘不良，铁心穿心螺栓的绝缘不良，由外界 反复短路引起的绕组变形；过负荷引起的绝缘老化；由于受潮游离放电引起绝缘 材料、绝缘油老化。 3 、按故障性质分类 ( 1 ) 电路故障 线圈的绝缘老化、受潮；分接开关接触不良；材质及制作工艺不良；过电压 冲击或负荷侧短路引起的故障等。 ( 2 ) 磁路故障 硅钢片短路；铁轭央件与铁芯间的绝缘损坏以及铁芯接地不良引起放电。 1 3 2 变压器故障诊断气相色谱分析法 在正常情况下，变压器油在热和电的作用下，逐渐老化和分解，会缓慢地产 生少量的低分子烃类，在故障处有纤维材料时，还会产生c o 和c 0 2 。当变压器内 部存在潜伏性的局部过热和局部放电故障时，就会加快产气的速度【1 2 】。一般来说， 对于不同性质的故障，绝缘物产生的气体不同。所以，根据油中气体的组分和含 量，可以判断故障的性质及其严重程度。不同故障情况下产生的气体组分如表1 1 所示。 表1 1 不同故障情况下产生的气体组分 故障类型主要气体组分其他气体组分 油和纸过热c h 4 ，c 2 h 4 ，c o ，c 0 2h 2 ，c 2 h 6 油纸绝缘中局部放电 h 2 ，c h 4 ，c o ，c 0 2 c 2 h 4 油中火花放电 c 2 h 4 ，h 2c 2 h 2 油和纸中电弧放电h 2 ，c 2 h 2 ，c o ，c 0 2c h 4 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 油过热c h 4 ，c 2 h 2h 2 ，c 2 h 6 6 基丁产生式规则的变爪器故障诊断争家系统 绝缘油气相色谱分析法，是目前检测变压器内部故障的常用方法，有助于管 理人员发现早期的潜伏性故障。 基于油中溶解气体类型与变压器内部故障性质的对应关系，人们提出了多种 以油中特征气体或其比值作为依据来判断故障性质的方法。 在实际应用中，油中特征气体的成分、含量与故障性质之间的关系常用特征 气体法、三比值法来表示。经过广大电力人员不断积累经验和改进，这两种方法 对变压器的安全运行发挥了重要作用。 1 、特征气体与故障性质的关系【2 圳 根据长期的实践和对统计数据的分析，人们总结出一整套利用特征气体进行 故障分析的方法，叫做特征气体法，特征气体可反映故障点引起的周围油、纸绝 缘的热分解本质。故障性质与特征气体密度之间的关系，如表1 2 所示。 表1 2 故障性质与特征气体密度关裂 序号故障性质特征气体情况 1 一般过热性故障 总烃较高，c 2 h 2 1 0 p p m ，h 2 较高 5i 乜弧放电 总烃高，c 2 h 2 高并构成总烃的主要成分，h 2 含量高 2 、特征气体三比值的范围 i e c 三比值法是我国国家标准中推荐使用的判断充油电气设备故障性质的主 要方法之一。它的编码规则和判断方法分别如表1 3 、表1 4 。 表1 3i e c 三比值法的编码规则【1 3 】 比值编码范同 特征气体的比值 c 2 h 2c h 4c 2 h 4 c 2 h 4 h c 2 h 6 3222 表1 4 判断故障性质的l e c 三比值法【1 3 】 比值编码范围 序 故障性质 c 2 h 2c h 4c 2 h 4 号 c 2 h 4 h ， c 2 h 6 1 无故障000 2 低能局部放电01o 3 高能局部放电 ll0 第一章绪论 4 低能放电 l 20 1 2 5 高能放电 l0 2 6 7 0 0 高温过热故障 o2 2 1 4 本文所做的工作 本文研究内容包括： 1 、简介了变压器常见故障和故障诊断方法，介绍了产生式专家系统。 2 、介绍了基于产生式规则的知识表示形式和产生式的数据库表示方法，设计 并实现了变压器故障诊断的知识库，给出了该数据库的e r 图和字段说明。 3 、根据变压器故障诊断的特点，提出了精确推理和模糊推理的并行推理机制。 精确推理方面，在分析常见推理机推理方式的基础上，根据分析变压器专家的故 障诊断思维方式，本文对正向推理机进行了改进，提出了基于与或规则的正向推 理机。在模糊推理方面，本文采用模糊评判矩阵的推理方式，对变压器故障进行 模糊诊断。 4 、在理论创新方面，本文提出了用有限自动机来研究产生式推理过程的方法， 将产生式推理过程用有限状态自动机的理论进行阐述，并将产生式正向推理的与 或树的相关概念和结构映射到了有限状态自动机的概念和结构上，得到产生式推 理的数学模型有限状态自动机的状态转化图。从而可以通过有限状态自动机 语义的形式化描述，分析状态转化图的一些性质，来描述和分析产生式推理。 5 、系统的总体设计实现。 第二- ：章变压器故障知识库设计 第二章变压器故障知识库设计 2 1 知识表示方式 知识( k n o w l e d g e ) 是专家系统的核心。专家系统的性能取决于它拥有的知识 的数量和质量。因此知识的表示成为专家系统的基本问题之一，也是人工智能领 域的一个研究热点。知识的恰当表示方式能够适当的将问题领域的经验和知识转 换为计算机专家系统能够处理和解决的表达方式。知识表示的质量好坏与否，是 专家系统能够推理得出有效结论的关键，所以知识库的设计是专家系统设计的重 要组成部分。设计知识库的首要问题就是根据领域要求确定适当的知识表示方法， 从而保证知识的可扩充性、简洁性和清晰性【i4 i 。 2 1 1 常见知识表示方式 知识表示( k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ) 就是知识的符号化和形式化的过程5 | 。 知识表示方法研究各种数据结构的设计，通过这种数据结构把问题领域的各种知 识结合到计算机系统的程序设计过程。目前知识的表示方法有很多种，例如： 一阶谓词逻辑表示法；产生式表示法；框架表示法；语义网络表示法；脚本 表示法；过程表示法；p e t r i 网表示法；神经网络表示法；面向对象表示法；x m l 表示法。 知识的表示、获取及运用一起称为知识处理学的三大课题i l 。而且一般认为， 知识表示处于其中心地位。所以，知识表示问题向来就是知识处理中最热门的研 究课题之一。而且往往把知识表示与知识的运用结合起来研究，以求知识处理的 最佳效果。在本系统中，根据变压器故障类型和故障诊断需求分析，采用的是产 生式规则的知识表示，下面我们将对产生式规则进行详细的说明。 2 1 2 产生式的表示形式 产生式规则( p r o d u c t i o nr u l e s ) 常用于表示具有因果关系的知识，其基本形式 是： i f pt h e n o 其中，p 代表一组前提或状态，o 代表若干结论或动作，其含义是如果前提p 得以 满足，即为“真”，则可得出结论q 或q 所规定的动作。 产生式规则可用以下公式表示： l o 基丁二产生式规则的变压器故障诊断专家系统 r k ：鬯( a n d 勘) 专c k ( 2 1 ) ，= j i = 1 其中m ，n l ，k = l ，2 ，r 。 r k 表示第k 条规则，c k 表示第k 条规则的结论。 在产生式规则中，存在前提的复用和结论与前提关联的情况，即： e 涨= e l 咖( i 1 ) 当k = n 时，也可以满足： e i j k = c m ( k r n ) 2 1 3 产生式规则的与或树表示 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 产生式规则还可形象地用一棵“与或树”( a n d o rt r e e ) 表示，如图2 1 所示： 以下产生式组： 图2 1 产生式与或树 b 八c 入d _ 彳 e 八fjb gjc h 八ijd j d ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 可以用图2 1 表示。在图中，带圆弧的分支表示逻辑合取( 与) 关系，不带圆弧的 分支表示逻辑析取( 或) 关系。利用这样一种“与或树”就可以把一个问题证明过 第二章变压器故障知识库设计 程或问题求解过程表示为在树上的一个搜索过程。 2 1 4 产生式规则的优点和缺点 产生式表示法有其内在优势：简单直观，领域专家常常可以起到知识工程师 的作用，直接把其知识编码为规则形式，这可以减少在知识翻译过程中发生错误 的可能性。 产生式规则的表示方式还具有以下的优点： 1 、自然性 产生式表示法用“如果，则”的形式表示知识，这种表示形式与人类的 判断性知识基本一致，既直观自然，又便于进行推理。 2 、模块性 产生式规则是规则库中最基本的知识单元，各规则之间只能通过综合数据库 发生联系，而不能相互调用，从而增加了规则的模块性，有利于知识的增加、删 除、修改和扩充。 3 、有效性 产生式知识表示法既可以表示确定性知识，又可以表示不确定知识，既有利 于表示启发性知识，又有利于表示过程性知识。 4 、一致性 产生式系统中所有的规则都具有相同的格式，并且综合数据库可被所有的规 则访问，不存在只属于某些规则的局部数据库，因此规则库中的规则可以统一处 理。 产生式规则的主要缺点： l 、效率较低 在产生式表示中，各规则之间的联系必须以综合数据库为媒介，并且其求解 过程是一种反复进行的“匹配一冲突消解一执行”的过程。即：先用规则前提与 综合数据库中的己知事实进行匹配，再从规则中选择可用规则，当可用规则是多 条时还需要按一定策略进行“冲突消解”，然后才能执行选中的规则。这样的执行 方式将导致执行的低效率。 2 、不能表示结构性知识 由于产生式表示中知识具有一致格式，且规则之间不能相互调用，因此那种 具有结构关系或层次关系的知识用产生式是很难将其以自然的方式来表示的。实 际上，产生式系统除了作为一种独立的知识表示方式以外，还常常需要和其它方 法配合起来使用。 基。j 正生式规则的变压器故障诊断专家系统 2 2 知识获取 知识是专家系统的核心，知识获取( k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n ) 是人工智能和知 识工程的基本技术之一。知识获取是建立知识库的前提条件，是解决机器的知识 拥有量的问题，所以它直接影响着专家系统的求解水平【1 7 】。知识获取是指从一个 或多个知识源发现、吸取、构造和组织知识，使之形成系统知识库的过程。 知识获取的知识源主要有3 种：专家、书本和数据库，其中，专家是知识获 取的主要来源，一般来讲知识获取的途径分为两种：一是先由知识工程师通过和 领域专家交谈，以及阅读、分析各种资料得到关于领域的各种知识，然后把知识 输入到计算机中，称为知识获取；另一种途径是通过机器自己学习，从处理问题 的过程中获得。 本系统的知识获取通过与变电站的专家交流，同时阅读分析专业文献，综合 得到变压器故障相关的大量知识。取部分简介如下： 1 、电气检测试验标准 若d g a 结果为过热，且三相绕组直流电阻不平衡，则为线饼断股。 若接头焊接不好，或导电面积小。则为线圈故障。 若d g a 结果为过热，且单相空载实验异常，则为铁芯联接不足，硅钢片填充 量不足。 若铁芯接地线电流超标，或铁芯对地绝缘下降，则铁芯对地故障。 若d g a 结果为过热，且铁芯对地故障，则为铁芯局部短路。 若铁芯局部短路，且漏磁过热，则为铁芯故障。 若本体油微水含量增大，且介质损耗实验异常，则受潮。 若d g a 结果为高能量放电，且直流泄漏超标，且单相空载试验异常，则绝缘 老化。 若绝缘老化，则为引线故障。 若d g a 结果为过热，且绕组直流电阻超标，则为接头焊接不好，导电面积小。 若接头焊接不好，或导电面积小。则为线圈故障。 2 、绝缘参数判断标准 ( 1 ) 介质损耗角正切值判断标准( t 锄6n 0 8 ) t a n6n 一6x 0 8 时为不合格。 t a n6x 增加3 0 时应引起注意。 ( 2 ) 电容量判断标准( a c 5 ) 被试品电容量差值a c = ( c x c n ) c n 2 5 时应引起注意。 被试品电容量差值c = ( c x c n ) c n 5 时为不合格。 3 、局部放电判断标准 被试品局部放电量q 5 0 0 p c 时应引起注意。 被试品局部放电量q 5 0 0 p c 时为不合格。 4 、铁芯接地电流判断标准 铁芯接地电流 2 5 0 m a 时为不合格。 5 、色谱分析判断标准 ( 1 ) 合格( 总氢= c h 4 + c 2 h 4 + c 2 h 6 + c 2 h 2 ) 被试品总氢 5 时为不合格。 2 3 知识库一致性检测 专家系统在部署后，随着系统的运行，知识库管理系统不停的加入新的规则知 识，系统知识库不断的增加，产生式规则的数量逐步扩大，这也会给知识库带来 各种各样的问题，影响系统的正确判断，甚至会推出与正确结果完全相反的结论， 这都是由于知识库的不一致性和不完整性带来的问题。 2 3 1 循环规则检查 循环规则：当一组规则形成循环链时，称这组规则是循环的规则链。如a b ， b c ，c a 就是一条循环规则链，从任意一条规则进入推理，推理都会进入循环， 从而可能使推理程序陷入死循环。 在本专家系统中，循环规则采用以下方法检查： 1 4 基丁产生式规则的变压器故障诊断专家系统 根据规则建立一张规n - 维表，如表2 1 所示 表2 1 规n - - 维表 l f abcdef e l s e 、 a- b-t ct d e - f 表2 1 表示以下几条规则：a b ，a d ，b c ，c a ，d e ，f b 。 将规则的条件和结论表示到该表中，检测时，取出该表中结论是其他规则的 条件的规则，它可能就是环路中的规则。从该规则开始，根据规n - 维表，沿规 则链进行查找，可能有以下两种情况： 1 、在规则链中找到这样一条规则，它的结论与该规则链上方某条规则的结论 相同，说明环路被找到。 2 、沿着规则链没有找到上述的规则，并且规则链结束，说明该规则链没有环 路。 根据以上方法，由上图可以检测出a b ，b c ，c a 是一条循环规则链。 2 3 2 矛盾规则检查 矛盾规则：相同的结论推理出完全相反的结论。例如a 推出b ，a 推出非b ， 如果相同的前提条件在相同的条件下得出相互矛盾的结论，则称这两条规则矛盾。 矛盾规则的检测与冗余规则的检测方法类似。首先根据规则二维表找出两条 其条件部分等价的规则，并分别为它们建立一个规则链，然后遍历这两个规则链， 如果发现有一对节点的结论部分是矛盾的，则从这一对节点分别到其根节点所形 成的两条规则链是矛盾的。至于矛盾规则，它只是矛盾规则链的一种简单情况， 即每条规则链中只有一条规则。 2 4 知识存储 2 4 1 产生式规则数学模型 本章第节给出了产生式的公式化描述： 第二章变乐器故障知识痒设计 尺七：9 尽( a n ，de 冰) 一c k( 2 9 ) f = 1，= j 若将产生式规则中的e 眺视为结点，考虑前提复用情况，则一条产生式规则的 数据结构拓扑图如图2 2 所示： e 1 j , j 2 1 ，2 ，一，f 1 1 e a j j 2 1 ，2 ，t 1 2 e , , j j 2 1 ，2 ，f l i 图2 2 一种产生式规则的拓扑结构 图2 2 中，每个结点表示公式中的e i j k ，每一行中结点之间为“a n d ”关系， 表示公式( 2 一1 ) 中的 卅 a n de u k j = 1 各行之间为“o r ”关系，表示公式中的 o r ( a n de f j k ) ，= 1i = l ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 结点c k 代表规则的结论，也就是公式( 2 1 ) 中的c k 。 若将产生式规则映射为有向图的形式，考虑规则间前提复用和结论与前提关 联情况，产生式规则库中规则集的数据结构拓扑图如图2 3 所示： 图2 3 产生式的有向图表示 在上图中，结点r 既是前提又是结论，可以看出，产生式规则的数据模型是 一种不规范的有向图的图形结构。其不规范性表现在：其拓扑结构中，除各结点 1 6 基丁产生式规则的变压器故障诊断专家系统 之间具有连接关系外，其结点内部也存在连接关系，结点之间的连接关系表示规 则与规则之f u j 的相互关系，结点内部的连接关系表示条规则中前提与前提之间 的相互关系。这两点关系层次不尽相同，前一种关系反映了规则成立的先后顺序， 后一种关系反映了前提问的血缘关系，即：哪些前提属于同一规则形结构，具有 同一父结点。因此，产生式规则的数据结构是一种不规范图。 2 4 2 用关系数据库表示产生式规则 关系数据库的数据结构是一个二维表，它是以二维表结构来描述客观世界的 实体及其联系【l 引。表的每一行对应一个元组，每一列对应一个属性数据按属性分 解，按元组存储，因此关系数据库对处理结构型数据是非常有效的。 如前所述，产生式规则的数据结构是一种不规范性图形结构，要利用关系数 据库表示这种非规范性图型结构，必须对其进行一些处理。在仔细研究了产生式 规则的数据模型后，结合关系数据库的特点，具体思路如下： l 、利用逻辑关系“或”的等价转换关系将一条规则中前提问的混合逻辑关系 转换为只含逻辑关系“与”的单纯关系。逻辑关系“或”的等价转换关系如下面 的公式： 以肘 r k ：o r ( a n d ) 专g i = 1 ，= 1 a n d e l j c j = l m a n d e 2 j 、j c j = l m a n d e n j ) 哼c j = l 2 、结合结点分离法对结点分离，结点分离法如图2 4 所示： 、m ) 一瑚 ( 2 - 1 2 ) 图2 4 结点分离原理图 经过以上两步，原来的非规范性图形数据结构被转换为线性表结构，线性表 结构易于在关系数据库中存储。 第二章变压器故障知识库设计 2 5 1 知识数据库模块划分 2 5 知识数据库设计 本知识库将变压器故障诊断知识抽象成规则，生成若干知 叭1 1 库模块，各模块 相对独立并具有一定联系，每个模块存储相应的规则。为了在以后专家系统完成 以后方便的进行对规则的维护、扩充，采用的策略是将条件部分和结论部分拆解 开来，在数据库中的表现形式就是每一条件和每一结论都分别占据一条记录。 根据故障诊断的模型的特点，采用了“模块+ 产生式规则+ 分解的产生式规 则”的知识表达方式( 见图2 5 ) 。 图2 5 知识库的模块化设计 本专家系统在综合变压器专家的意见下，分为以下几个模块： 1 、电气检测试验模块 本模块分为绝缘参数、局部放电、铁芯接地电流、色谱分析等4 个知识单元， 各个单元有其具体的规则。规则由基本规则和复合规则组成，作为相应试验项目 的规则库。 2 、油中气体分析模块 此模块是本知识库中非常重要的一部分，主要由以氢气、甲烷、乙烷、乙烯、 乙炔、一氧化碳和二氧化碳等气体含量为线索的分析和判断变压器故障性质的专 基丁产生式规则的变压器故障诊断专家系统 家知识与经验组成。据本章第一节中进行的总结分析，本系统按照变压器内部故 障类型与油中溶解气体含量的对应关系选取了有代表性的一些诊断方法。 3 、变压器历史故障模块 此模块对变压器历史典型故障的纪录。 2 5 2 变压器知识库表图及字段说明 下面以电气检测试验模块为例，详细介绍本系统知识库的设计。 该模块包括的规则分解为c o n d i t i o n s ( 前提条件表) 、c o n c l u s i o n s ( 结论表) 、 f a c t s ( 事实数据表) 、e x p l a i n ( 解释数据表) 、c o n d c o n c l u s i o n ( 规则表) 。数据库 的e r 图如图2 6 所示： 图2 6 数据库表图 该图中各表字段说明如下： 1 、c o n d i t i o n s ( 前提条件表) 各个字段说明如表2 2 所示： 表2 2c o n d i t i o n s 各字段说明 字段名称字段说明字段类型 是否可以为空 c o n di d 前提编码 v a r c h a r ( 2 0 ) 否 c o n d i t i o n前提名称 v a r c h a r ( 2 0 )否 p r o p e r l y前提属性 v a r c h a r ( 2 0 ) 是 v a l u eo f 属性的取值 f l o a t ( 4 ) 是 第二章变压器故障知识库没计 t h r e s h o l d 阈值f l o a t ( 4 )是 d e g r e e c o n f i d 可信度 f l o a t ( 4 ) 是 r e m a r k附加说明 v a r c h a r ( 2 0 0 ) 是 r e s e r v e保留字段 v a r c h a r ( 2 0 ) 是 其中，条件编码是条件唯一标识，不能为空，条件名称是不为空的文本。可以来 源于“征兆”、“试验结果”、“现象等。其中“征兆”表示变压器的故障征兆是在 运行或者大修，无须试验即可发现的，“试验结果”是表示变压器的故障原因是通 过试验发现的，而“现象”可以是前面二者的结合。p r o p e r t y 表示前提属性，t h r e s h o l d 表示阈值，r e m a r k 表示附加说明，r e s e r v e 为系统保留字段，为系统功能拓展预留。 例如“d g a 结果得到三比值编码是1 0 0 ”，可信度为0 8 。那么c o n d i t i o n = “d g a 结果”，p r o p e r t y = “三比值编码”，v a l u e o f = 0 1 0 ，d e g r e e _ c o n f i d = 0 8 。 2 、c o n c l u s i o n s ( 结论表) 各字段说明如表2 3 所示： 表2 3c o n c l u s i o n s 各字段说明 字段名称字段说明字段类型是否可以为空 c o n c l u s i o n i d 前提编码 v a r c h a r ( 2 0 ) 否 c o n c l u s i o n 前提名称 v a r c h a r ( 2 0 ) 否 p r o p e r t y 前提属性 v a r c h a r ( 2 0 ) 是 v a l u eo f 属性的取值 f l o a t ( 4 ) 是 t h r e s h o l d阂值 f l o a t ( 4 ) 是 d e g r e e _ c o n f i d 可信度 f l o a t ( 4 ) 是 r e m a r k 附加说明v a r c h a r ( 2 0 0 ) 是 r e s e r v e 保留字段v a r c h a r ( 2 0 ) 是 在上表中，结论编码是结论唯一标识，不能为空，结论名称是不为空的文本。可 以来源于判断结果。p r o p e r t y 表示结论属性，t h r e s h o l d 表示阈值，r e m a r k 表示附加 说明。都可以为空，在结论是简单结论的时候，上述几个字段都为空。r e s e r v e 为 系统保留字段，为系统功能拓展预留。 例如变压器铁芯过热，可信度为0 6 。那么c o n c l u s i o n = “变压器铁芯过热”， p r o p e r t y = n u l l ，v a l u e o f = n u l l ，d e g r e e _ c o n f i d - - 0 8 。 3 、表f a c t s ( 事实数据表) 保存当前各个设备的故障事实，如表2 4 所示，具 体说明如下： 表2 4f a c t s 各字段说明 字段名称字段说明字段类型是否可以为空 u n i ti d 设备编码 v a r c h a r ( 2 0 ) 否 u n i t n a m e 设备名称 v a r c h a r ( 2 0 ) 是 基丁产生式规则的变压器故障诊断专家系统 c o n di d事实编码 v a r c h a r ( 2 0 ) 否 c o n d i t i o n 事实名称v a r c h a r ( 2 0 ) 否 p r o p e r t y 事实属性v a r c h a r ( 2 0 ) 是 v a l u eo f 属性的取值f l o a t ( 4 )是 d e g r e