（仪器科学与技术专业论文）摩托车噪声检测及分析新技术的研究.pdf

中文摘要 i 摘要 本文介绍了摩托车噪声检测与分析新技术的研究，虚拟仪器系统软件开发工 具的设计方法，采用面向对象的程序设计思想，在 windows 环境下用 vc+语言 进行了虚拟仪器软件开发平台的研究与设计，研制出一种用于摩托车噪声分析和 诊断的可视化虚拟仪器系统。利用该虚拟仪器系统可方便地组合成各种类型的噪 声信号分析虚拟仪器， 其最大特点是 “按需构造,随做随用” ， 用户不仅是仪器的 “使 用者” ，还是仪器的“设计者” ，而且，用户的所有操作都可以在虚拟仪器上进行， 具备诸如“采购组件” 、 “装配组件”和“调试整机”等操作功能；还提供了旋钮、 开关、滑块、指针、显示器等功能庞杂、内容丰富的“虚拟组件库” ，整个系统被 划分为主控框架和“虚拟组件库”两大部分，它们之间相互独立，通过最小化的 纽带模块进行联系。主控框架视图隶属于人机界面，是人机界面的支撑核心。事 实上,对于每个实例(即 1 个组件)都对应着 1 种特定的功能， 所有的功能组件集合起 来就构成了组件库。从控制器件库中选择示波器面板所需的控件和显示屏幕，并 调整好大小、颜色及位置，按规则将所有虚拟组件连线，虚拟仪器内部组件互连， 再配上瞬态信号测试 daq 板，就构成了一台“虚拟示波器” 。采用同样方式，可 以生成虚拟频谱仪等不同的虚拟仪器。 作者在第 2 章对噪声信号分析的基础理论进行了论述，编写了相应的分析软 件，并结合虚拟仪器系统实现了摩托车噪声分析虚拟频谱分析仪、虚拟相关分析 仪、虚拟功率谱分析仪。第 3 章对小波理论进行了论述，并结合摩托车噪声分析， 编写了相应的分析软件。第 4 章对硅微阵列理论进行了论述，提出了摩托车噪声 检测硅微阵列滤波传声器的新思想，并且进行了设计；对噪声检测声级计的理论 进行了论述，而且结合虚拟仪器系统，提出了噪声信号检测虚拟声级计的概念。 第 5 章介绍了摩托车噪声检测及分析虚拟仪器系统的控制面板及常用控件， 并结合 2- 3 两章的理论，实现了噪声分析的常用功能。第 6 章介绍了对摩托车的实 验验证并得出了结论。 作者介绍的噪声分析虚拟仪器有以下几个特点: 功能由用户自己定义； 面向应用的系统结构,可方便地与网络外设、应用等连接； 展开全汉化图形界面、计算机直接读数、分析处理； 数据可编辑、存储、打印； 基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器； 技术更新快（在使用过程中不断完善和改进） ； 重庆大学博士学位论文 ii 基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用。 本文介绍的虚拟仪器系统创新之处在于： 对摩托车的噪声信号分析和诊断；除了具有一般虚拟仪器的特征外，本文 还提出了硅微阵列滤波传声器的新思想； 噪声的主观及客观检测； 主、客观虚拟声级计的概念。 关键词：摩托车噪声，虚拟仪器，微机械，滤波传声器 英文摘要 iii abstract design method of system software develop tool of virtual apparatus used in motorcycle noise analyze is introduced in this paper. use the object- oriented program design thinking, researching and designing the software develop platform of virtual apparatus with vc+ language in windows operating system, under these work, a visual “ virtual apparatus software develop platform”used in motorcycle noise analyze and diagnose is developed. using this software develop platform, all kinds of noise analyzing virtual apparatus can be created expediently. “ created base on required , usable immediately after created”is the most characteristic of this system, user is no only the “ user”of the apparatus, but also the deviser, an then, all operation of user can process on the virtual apparatus software develop platform, system can provide the functions such as “ component stocking” , “ component assembling” , “ macro- system adjusting”etc; provide full- function, abundance- content “ virtual component library” involving knob, switch, slide, pointer, display etc, the system can divide into two main part: main-control frame and “ virtual component library” , witch independent and contacted by minimize tache module. main-control frame view belong to man- machine interface, it is the core of man- machine interface. actually there are one specifically function corresponding to one instance(namely one component), component library are composed by means of aggregating all component. select component needed by oscillograph panel and display screen from component library , adjusting it size, color and position, linking all virtual component according to rule, linking inner component of virtual apparatus, add instantaneous signal test dao panel, a virtual oscillograph can be created. by the same means different virtual apparatus such as virtual frequency spectrum apparatus can be created. in chapter 2, foundational theories of noise signal analyze are discussed, corresponding analyze software is written, combine to virtual apparatus system, motorcycle noise analyze virtual frequency spectrum apparatus, virtual correlation analyze apparatus and virtual power spectrum apparatus are created. in chapter 3, wavelet theories are discussed, combine to motorcycle noise analyze, corresponding analyze software is written. in chapter 4,si micro- array theories are discussed, new ideals about si micro- array sound- passed filter used in motorcycle noise analyze is presented, primary design are 重庆大学博士学位论文 iv achieved; theories of sound- class meter used in noise test are discussed, combine to virtual apparatus system, concept of virtual sound- class meter used in noise signal test is presented. in chapter 5,6, control panel and control component in common use of virtual apparatus system used in motorcycle noise analyze and test are introduced, combine to theories in in chapter2,3,functions in common use of noise analyze are realized. in chapter 6, experiments research of motorcycle noise are introduced, primary conclusions are gained. the noise analyze virtual apparatus introduced in this paper have the following characteristic. functions can be self defining by user; application oriented system structure, linkable to internet out- device easily; expanding full- chinese graphical interfaces; editable, storageable and printable data; functional module developed base on computer technique can created multiform apparatus; technique- update fast;(can perfecting and improving in using); structure base on software system, develop and maintenance cost can be saved considerable. the virtual apparatus system introduced in this paper have the following innovation. noise signal analyze and diagnose aim to motorcycle;beside the characteristic of usual virtual apparatus, new ideal of si micro- array sound- passed filter is presented; subjective and impersonal detect to noise; concept of subjective and impersonal virtualsound level meter. keywords: noise of motorcycle，virtual device，mems ,filter microphone 1绪论 1 1绪论 1.1 引言 近年来我国摩托车工业迅猛发展，国产化率不断提高，自行设计的车型也不 断涌现。与此同时，市场竞争也十分激烈。优质、高产低耗是发展生产增强市场 竞争力的主要研究任务。其中降低噪声是新产品开发中的重要任务之一。引起摩 托车噪声的因素十分复杂，所以在新车型的设计开发阶段应对可能产生的噪声进 行分析和控制。但由于摩托车结构的复杂性，所以用有限元、边界元等方法对摩 托车噪声进行分析计算后指导设计的结果往往还不能达到十分理想的效果。因此 在产品开发定型过程中，根据实车的噪声实际状况对设计进行改进，是开发低噪 声摩托车不可缺少的环节。对实车的噪声状态进行调查分析，噪声声源的识别是 其中最为重要的一环。噪声源识别有许多方法，但近年来随着数字计算机的高速 发展，基于电子计算技术的现代信号分析技术为噪声源识别提供了强有力的工具。 20 世纪后半叶，噪声作为环境污染的第三大公害，一直困扰着人们。在长期与噪 声作斗争的过程中，作为声学领域的一个重要分支学科环境声学逐步发展起来。 它研究的内容实质是声波的辐射、传播、接收，以及对人体的危害。我国的噪声 研究始于 1985 年，噪声控制研究也是环境保护产业的重要组成部分。然而随着改 革开放，国民经济的飞速发展，噪声污染越来越严重，仍然占各种环境污染投诉 的首位，尤其是交通噪声有发展的趋势，而其中摩托车噪声又是其中重要的一部 分。在新世纪到来之际，环境噪声控制如何发展，这是一个大家普遍关注的战略 性课题，欧洲共同体委员会于 1996 年一月 4 日发表了题为“未来噪声政策”的绿 皮书，就 21 世纪欧洲在噪声控制方面如何开展，作了有意义的探索，指出未来环 境噪声控制的对策是进一步开展噪声暴露评价的研究，降低道路交通、铁路、飞 机和户外机械噪声，提高全民意识。20 世纪 80 年代，由于采取了一系列措施，我 国主要城市的交通噪声大都控制在 70db 以下，而目前大都超过 70db。交通噪声 不仅影响城市，而且会影响到郊区和广大农村地区，解决道路交通噪声问题的主 要途径之一是不断采用新技术，从声源入手，降低交通车辆的噪声。欧共体历年 来不断修改交通车辆的噪声标准。 过去的 20 年，对交通噪声预测作了大量的工作。环境噪声的实际评价方法已 经提出了六十多个评价指数，如 leq、ldn、sel、lnp、ln 等等。这些评价大致 可以分为 2 类。一类与噪声平均量有关，如 leq；一类是与噪声变化类型或概率分 布有关，如 ln。近年来，国际上不少人对以能量为基础的评价指数如 ldn 和 leq 提出了异议，认为等效声级 leq 和昼夜等效声级与噪声对人的影响的相关性并不 重庆大学博士学位论文 2 那么好。噪声的实验室试验表明，等能力概念并不适应于评价白天噪声的烦恼度。 有源噪声控制技术俗称反声技术，即用噪声去控制噪声。过去 20 年来，有源噪声 和振动控制的研究有了很大发展，由有源噪声控制（anc）逐步转向有源结构声 控制（asac） 。由于有源控制理论的发展和数字处理技术的发展，目前重点转向 了应用领域，涉及到管道、飞机、汽车、建筑等各个方面，申请了不少专利。作 为有源控制的换能器元件，包括压电陶瓷、电动激励器、磁致伸缩换能器以及扬 声器等问题，也都有了很大发展，为有源噪声控制的实现提供了保证。但目前有 源噪声控制主要停留在实验室和专利阶段，我国到目前为止还没有真正的有源控 制产品。 1.2 摩托车噪声故障诊断专家系统的国内外研究现状 1.2.1 噪声检测控制研究现状 传统的噪声测量常用声压级来描述其噪声的散射程度。但是，声压级不是一 个令人满意的量，因为它取决于噪声源与接受点之间的距离，也取决于测量环境。 例如用声压级法测量发动机的声功率，一般需要在消声室或混响室中进行，要建 立这样的声学环境，往往需要花费大量的资金，而有些大型的难以移动的机器放 入消声室或混响室中进行测量则几乎是不可能的，这就是用声压级法测量的局限 性。而采用声强法就可以弥补声压级法测量的不足，因为声强法的最大优点在于 测量时几乎不受环境的限制。1992 年以来，国际标准化组织公布了国际标准 iso96141 和 iso96142， 正式把声强法定为可用于测量机器声功率的国际标准 方法，使噪声测试技术发展进入一个崭新的历史时期4- 7。 噪声与振动控制技术在五十年代初已引起学者们的注意并开展了研究，我国 起步较晚，但进展较快。近二十年来，我国对摩托车噪声与振动控制技术进行了 较为系统的研究，取得了可喜的成果，某些方面还有突破性的进展。摩托车噪声 与振动测量技术，是控制技术的重要组成部分1- 3，是编制控制设计方案的前提， 通过测量了解噪声源或振动源的特性及传播规律，有针对性地采取治理措施。八 十年代以来，计算机和信号处理技术有了很大的发展，从而使噪声与振动测量技 术出现了一个崭新的局面，具体表现在以下几个方面： 声强测量技术，始于七十年代末，到九十年代已出现了手提式声强测量系 统。这使得过去只能在特定的试验室(例如消声室、混响室、隔声室等)内进行的声 学测量，现在可以在一般环境中进行。声强测量可以在现场快速而准确地进行声 源识别。我国声强测量技术的研究与应用，目前还只局限于少数科研设计单位和 大专院校，国产声强测量仪器还未商品化，与发达国家相比差距较大。随着便携 式声强仪的普及和应用，将在更大的范围内取代传统的测量方法，使用领域将更 1绪论 3 加广泛。 智能化、小型化测试仪器以及噪声与振动测试工作站。目前，很多声振测 量仪器已具备了自动采集数据、数据存储和数据处理等功能，有的可进行实时分 析，呈现出智能化的特点；为便于现场测量，很多仪器朝小型化袖珍化方向发展； 有的仪器集多种功能于一体，将噪声与振动的常规测量和信号处理分析系统组合 于一个仪器内，由于其功能多，故称为工作站。这种工作站有的是便携式，十分 适用于现场测量和数据处理。目前我国已能生产满足环境噪声测量和环境振动测 量所需的智能化、小型化测量仪器。而声振测量工作站正在建立之中。 故障诊断技术，近年来故障诊断技术发展很快，它是利用声振信号处理技 术和专家系统相结合，对机械设备以及埋于地下的管道泄漏进行故障诊断。这门 技术的研究和应用已取得了较大的成果，今后一段时间仍是研究的热门课题之一。 我国在故障诊断方面的研究和应用还处在起步阶段，与发达国家的差距还比较大。 无源噪声与振动控制技术，包括隔声、吸声、消声、隔振和阻尼减振，也称 为常规控制技术或传统的控制技术。无源控制技术日趋成熟，是目前对噪声源和 振动源进行控制的最主要的也是最有效的手段，其发展状况概述如下： 采用 cad 进行优化设计，可以做到针对性强、多方案比较，以最简单的结 构和最少的费用，达到比较满意的效果。例如消声器的设计采用 cad，其结构形 式更加简化，消声效果得到提高。 低频吸声、隔声、消声等难题有所突破。 新开发材料应用于噪声控制工程。 某些结构向元件化、拼装化、装饰化方向发展。 无纤维吸声材料、洁净吸声材料已有应用并在深入研究。 根据著名声学专家中科院院士马大猷教授的微穿孔板理论而设计的具有许 多优越性的微穿孔板吸声、消声结构，应用范围已由室内扩展到室外。 大型设备隔振技术应用更为广泛。 阻尼减振技术已从军用转为民用，与发达国家相比，在原理方面来讲没有 什么差距，发展方向也大体是以上八个方面。某些控制技术，例如微穿孔板吸声 技术，我国已处于国际领先地位。但在无源控制技术的制造工艺方面差距较大， cad 在无源控制方面的应用和深入研究的差距也很大。 有源噪声与振动控制技术(anvc)在本世纪三十年代就有人提出，但发展缓 慢。直到七十年代，由于计算机和信号处理技术的发展，有源控制才得到了迅速 发展。 进入八十年代， 对有源控制的原理和方法有了更深入的研究， 同时与 anvc 配套的高恒定功率扬声器、次级声源、换能器以及相关信号处理装置有了很大发 展，致使 anvc 进入了实用阶段。与无源噪声与振动控制技术相比，anvc 的优 重庆大学博士学位论文 4 点在于能解决无源控制中难以解决的低频问题，针对性强，装置体积小，灵活方 便，可减少被控制对象的结构改动。目前 anvc 已投入应用的领域有： 管道有源消声，例如在中央空调的送排风管道，各种空气动力设备的进出 口管上加装有源消声器等。 有源护耳器、有源抗噪声送、受话器等，在局部空间有源降噪，有利于个 人防护和语言通讯。 简单的分离谱噪声(例如变压器噪声等)的有源控制。 机械设备基础传递中有源阻尼器的控制。 低频强噪声自由或半自由空间的有源控制。 目前 anvc 的研究与开发呈现的趋势是： 深入进行理论研究，如对二维系统，如何选定最佳次级声源位置和控制点， 还有很多理论问题有待研究； 开拓新的应用领域，例如薄板弯曲振动的有源控制，应用于建筑和其他结 构构件的有源噪声，流体力学中的非稳定性有源控制，分布声场的有源控制等； 进一步将比较成熟的成果商品化、实用化，提高其运行可靠性。我国研究 anvc 技术始于七十年代末，目前有十多个科研单位和大专院校在从事这方面的 研究，并取得了一定成果，但与发达国家相比，无论是研究成果还是实际应用差 距还很大。 声源控制技术研究，声源控制技术最主要的就是要研制出低噪声产品和装置， 替代高噪声设备。从八十年代开始，国际上就提出从声源和振动源上进行控制是 最积极最有效的方法，是治本技术，同时噪声和振动的降低往往也意味着制造精 度的提高或结构的改变或运行效率的提高。声源控制技术首先要找出发声部位， 分析其发声机理，了解各个环节对声源声功率的贡献大小，声源特性是属于哪一 类(空气动力性噪声、机械噪声、电磁噪声或燃烧噪声等等)。在研究发声机理的基 础上，再从结构上、材料上和加工工艺上采取相应的对策，研制出低噪声产品和 设备。目前各国都正在采取相关学科专家相结合共同协作的办法，对量大面广的 机电产品和载客运输工具的低噪声化进行研究，攻关。我国在声源控制技术的研 究方面进展较快，目前可提供的低噪声产品种类有 20 余个。例如低噪声风机、低 噪声冷却塔、低噪声空压机、低噪声电机、低噪声木工机械等。但由于产品的低 噪声化涉及多个学科，与整个工业技术水平有关，因此在声源控制技术方面与国 外的差距还是比较大的。 工程化技术对于噪声和振动控制工程，尤其是大型的综合性的噪声与振动控 制工程，实际上是一个系统工程。首先应了解噪声源或振动源声级的高低、频谱 特性及其对周围环境的影响。发达国家是利用声源或振源特性数据库以及声源或 1绪论 5 振源的传播规律的数据库，用计算机快捷而准确地进行计算，用 cad 进行优化设 计，同时充分考虑了降噪技术与建筑结构等专业的关系，与设备安装、维修、调 试的关系，可以做到采用最简单最实用最有效的技术措施和最经济最合理的费用 支出，取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。目前工程化技术的发展方向 是：继续建立和完善声源和振源的数据库，根据声源或振源的特性变化以及与 相关建筑物、构筑物的格局变化，完善声传播软件的编制，进一步开发工程应用 计算软件；成套技术的研究，综合治理技术的完善。我国目前完全能够独立承 担各类大中型噪声与振动控制工程的设计研究、加工制作，并能达到满意的达标 效果。与发达国家的主要差距是缺少数据库和计算机软件。不过，这方面的工作， 我国正在努力并有一定成果。 1.2.2 专家系统研究现状 什么是专家系统？对此，目前并没有统一的定义。目前一般认为，专家系统 是指一种计算机智能程序，用于从事某种特定的、难度较高的专业工作。已有不 少专家认为，专家系统的专业水平的专业水平能够达到、甚至超过人类专家的水 平。由于专家系统主要是依靠知识来发挥其功能，因此有时也将它称为“知识库 系统” 。专家系统常被用于帮助专家工作，因此又称为智能助手。目前计算机应用 程序也用到一些专门知识，有的水平与难度也较高。那么专家系统与这种应用程 序之间的区别在哪里呢？主要区别在于：一般应用程序是把问题求解的知识隐含 地编在程序中，而专家系统则将其应用领域的问题求解知识、单独分开组成一个 叫知识库的实体。知识库的处理是独立于知识库的易识别的控制策略来进行的。 也就是说，一般的应用程序将其知识组织成两级数据级和程序级，而大多数 专家系统则将知识组织成三级数据级、知识库级和控制级。专家系统的主要 特征是有一个巨大的知识库，存储的某个专门领域（如医学、化学、机械设计等） 的知识。而系统的控制级，通常表达成某种推理规则。整个系统的工作过程是从 知识库出发，通过控制推理，得到所需的结论。对一般的应用程序来讲，系统的 工作过程是在程序（或数据）的控制下，按规定的步骤逐条执行程序指令的过程。 专家系统有所不同，它是在环境控制下的推理过程它比前者能更及时、更灵活地 反映环境的变化。因为专家系统的工作过程是一种推理的过程，因此它理解自己 的行为目的， “知道”为什么自己采取某个步骤的缘由，所以它比传统的系统具有 更高的智能水平。专家系统以丰富的知识作为自己程序的基础，着重解决某个待 定领域的专门问题。这一点同求解通用问题的程序也有重大差别。 专家系统的历史是从两个具体系统的研究开始的。一个是美国斯坦福大学的 dendral 系统关于化合物分子结构的识别程序（e.a.feigenbaum，1965） ，另 一个是美国麻省理工学院的 macsyma 系统。从那时起至今二十年来，专家系统 重庆大学博士学位论文 6 的研制已遍及各个领域：从医学到化学，从农业到工业，从自然科学到社会科学， 从试验研究到科学发现，应有尽有。从发展趋势看还在不断扩大。值得注意的是。 一方面专家系统的研究工作不断深入，人们对其发展前景越来越有信心，研究队 伍也越来越大；另一方面尽管建立的专家系统已经很多，但真正被采用的却不多。 这两方面看起来互相矛盾。但反映了比较深刻的道理。 第一，专家系统的发展历史虽然不长，但已有的成果足以显示它的功能强大。 例如，美国斯坦福的 dendral 系统，可通过质谱数据对化合物的分子结构进行 识别；美国匹兹堡大学的内科医疗诊断用计算机专家咨询系统 internist，可诊 断 500 种内科疾病；斯坦福大学人工智能研究中心（sri）的地质勘探咨询系统 prospector，可根据岩石标本及其它勘探数据，对可能的矿藏进行预测。以上 事实表明，不管是什么领域，只要能够通过某种知识获取的手段，把人类专家的 某个专门领域的知识“转移”到计算机中去，依靠它的推理程序，计算机就有可 能作出接近专家的工作水平。 第二，实际被采用的专家系统远比要研制的专家系统要少。如美国斯坦福大 学研制的 mycin 系统，是用于诊断血液病和脑膜炎，然后就如用抗菌素治疗向内 科医生提出医疗方案，它虽然是最早的专家系统，无论从系统的原理、结构以及 性能看都是很成功的，但长期没有临床应用。一个系统是否能在实际中应用，不 但取决于技术、性能外，而且还受制于经济效益、社会效果、用户信任感等重要 因素。所以建立一个实际的专家系统，它的选题、方案和人机对话方式等，都 要一一周密考虑，保证系统在建成后能够发挥作用。专家系统的研究开辟了个崭 新的领域，它使人工智能的研究从“玩具”时代进入到现实世界，把人工智能同 工程实际结合起来，带动人工智能各分支的研究，越来越受到广泛的重视。 自 80 年代后期以来，以微机为中心的现代故障诊断技术得到了迅速发展，这 主要是因为相关学科的研究如系统工程、信息理论、优化理论、决策论、模式识 别与模糊理论、人工智能与专家系统等取得了较大的进展，特别是专家系统与人 工神经网络的迅速发展，为故障诊断技术注入了新的活力，也相继出现了一些故 障诊断程序，目前正向智能化方向发展8- 14。从专家系统的角度而言，诊断型专家 系统的特点是在解析空间中，解是唯一的，也就是说所研究的对象的有关状态是 已经确定了的。这使得已有的故障诊断专家系统通常是针对某一特定设备或某种 具体结构来进行故障诊断的。通常的做法是深入研究诊断对象，得到故障诊断模 型：故障树或层次诊断模型，然后运用各种推理技术在诊断模型中搜索以将故障 定位，其中的推理过程大多是基于规则的推理。对于摩托车故障诊断来说，用这 个思路来建造专家系统会遇到极大的困难。这种困难表现在以下两个方面：其一， 摩托车结构复杂，种类繁多，不同品牌的摩托车在结构上有差别，很难找到一个 1绪论 7 通用的诊断模型来满足不同型号在诊断上的要求，这种通用的方法充其量也只能 将故障定位于摩托车的功能模块级上，而不太可能定位于具体的故障零件上。其 二，有关摩托车故障诊断的领域专家的知识量很大，要整理这些知识形成某种通 用性知识或诊断规则，工作量十分巨大，且不易成功，特别是大量的有关维修的 经验知识，往往表现为某种“直觉” ，能很快将故障定位，但却很难将其转换成由 计算机所能识别的形式，即遇到专家系统中知识获取的“瓶颈”问题，且无法回 避。要解决这些问题，就必须从实际情况来考查。最宝贵的财富莫过于不断被专 业人员总结出来的大量的维修经验，这些经验能有效地指导维修工作，能为一般 的维修人员所利用。因此设计专家系统时不应忽视这一现象。这些总结出来的经 验通常表现为某个维修事例，以文字表述的方式来表述。事例的描述一般形式为: 故障现象原因分析故障结论，强烈地体现一种因果推理过程。而一般维 修人员的修理过程是:检查故障现象搜索维修经验查阅资料推理作出 判断验证并解决问题。显而易见，适应这种推理维修过程的专家系统才是最 有效的。正是基于这样的考虑，我们将基于事例的推理机制应用到摩托车故障诊 断专家系统中来，使得这个专家系统具有较高的效率和很强的适用性。 1.2.3 基于事例的推理在摩托车故障诊断中的应用 基于事例的推理(case- basedreasoning:cbr)是人工智能新兴的一种重要的推理 技术，它是一种基于过去求解类似问题的经验而获得当前问题求解结果的一种推 理模式，其特点是推理方式直接了当，跳过了依赖问题求解知识进行规则抽象这 一间接层次，推理效率高；每个新事例的输入都是对知识库的丰富，方便地实现 了机器学习功能，而学习功能历来是人工智能中的难点。由于 cbr 将知识的获取 任务简化为建立事例描述方法和从领域专家处收集事例，杜绝了知识获取中知识 畸变的一些环节，有利于克服专家系统构造中的瓶颈问题，系统容易建立和维护。 表达与事例库组织对于每一个实际的维修事例，都可以分解在四个问题描述空间 中，即故障描述空间、机械结构知识空间、测试数据空间及分析(或解释)和结论空 间。这意味着大量的经验性知识可以利用关系数据库的方法来组织与管理，用关 系数据库来构成知识库有别于传统的专家系统中知识的表达与组织，是专家系统 的一个发展方向。在故障现象数据库和机械结构数据库的组织上，根据故障诊断 理论中复杂问题求解的层次诊断模型，将摩托车故障作分层处理，按功能模块划 分，以利于推理检索，这种组织方式将给推理机制带来极大的益处。 系统的推理过程首先是用户利用系统提供的查询界面，输入诊断对象的故障 现象及相应的背景知识系统将在故障现象库与知识库中检索是否有匹配的事例， 若有匹配事例，则逐条输出或者采用人机交互方式，指导用户测量关键点参数， 通过系统的测试数据空间来搜索最匹配的事例。这种情况与同一故障现象由不同 重庆大学博士学位论文 8 的故障元件所引起相适应。若找不到匹配事例，则转入相近事例匹配。逐步弱化 匹配条件，如故障现象相同，但属同一系列的事例，或者摩托车型号不同，但具 有一些相同的结构的事例，甚至仅有故障现象相同等，找到相近事例对于摩托车 维修来说具有重大意义。诊断成功后，对输出的相近事例作适当修改，就能成为 一个新的事例保存在事例库中，以备下次使用。尽管摩托车种类繁多，但常见的 典型故障却只有那么几类，当事例输入数量达到一定程度后，完全找不到相近事 例的现象将是极少的。 1.2.4 知识的获取 问题由于使用关系 数据库来表达与组织知 识库，使得在 cbr 中知 识的获取问题变得很简 单， 只需将文本形式的专 家经验进行适当的规范 化或一致性编辑， 就能将 专家经验进行有效地切 割， 分别导入到相应的数 据库表格中去就能解决 问题， 而推理过程实际上 是运行一组程序， 对知识 库中的数据进行管理或 控制。 专家系统的结构与功能 一个专家系统的基本原理结构如框图 1.1 所示。 “专家系统”是人工智能（al）的一项重要分支，它是一种能够在专家的水 平上工作的计算机程序。专家系统具有领域专家的知识和能力，可以在摩托车发 动机异响范围内，运用领域专家的专门知识和推理能力，解决在通常情况下难以 处理的问题，它模拟人类专家的思维决策过程，运用系统内存储的某一领域的大 量知识和经验，对提出的该领域范畴的问题进行推理和判断。给出相当于专家水 平的答案。 专家系统的建立 摩托车发动机异响的故障诊断系统以征兆的组合来映射和识别摩托车的不同 状态。数据和信息并不直接参与推理诊断过程，而是经过加工处理抽象成征兆。 专家系统设计为数据库，知识库、诊断三个功能模块。根据各个功能模块的性质 数据采集 格式转换 特征瞬态信号 分析抽取 自动 稳态信号分析 特征抽取 自动 瞬态 特征抽取 交互 稳态 特征抽取 交互 数据库知识库 推理机解释器 结论与诊断建议翻译器 人机界面 交互 交互 调用 调用 接 口 管理 模块 图形与报表 联机打印 存 档 图 1.1 专家系统软件结构框图 fig.1.1 stucture schematic of expert system software 1绪论 9 特点和内在联系，系统软件又分为若干软件模块，其结构如图 1.1 所示。 数据库的建立 数据库用来存储和处理摩托车发动机异响的各种信息，并具有管理和检索功 能。数据库中不仅包括摩托车发动机的机械结构参数，固有动特性参数，运行中 的快变参数、慢快参数和过程参数等当前数据直接表示发动机当前的状态，还记 录发动机的各类历史趋势数据，用来表明发动机状态变化的过程。数据库中的数 据不是简单的堆积，而是经过预处理、归类、信号压缩和特征提取再存储起来。 数据库用特征数据报告发动机状态，便于现场技术人员了解发动机的异常状态及 发动机的动态质量水平。 诊断知识库 知识库用来存储专家知识和经验。建立知识库的关键是准确地获取和表达专 家的知识。诊断知识的获取任务是实现知识源到知识库的转移，历来是专家系统 建造的关键问题。专家系统的知识获取方式主要是通过研究人员将领域专家的经 验以形式化的方式整理出来，建立专家知识库。知识库获取过程分两步： 第一步收集整理知识，把知识用形式化的语言表达出来，产生知识库的源文 件； 第二步用高级语言（如 c 语言）编制的知识库开发程序对该文件进行编译和 相容性检查、生成知识库。 由于影响发动机异响的因素众多（燃烧噪声、进、排气噪声、机械噪声等） 仅用时域分析是不够的，可用付氏变换作初步分析。在发动机异响的故障诊断中， 一方面因机器运行转速的不稳定（有波动） ，负荷的变化以及因机器故障产生大量 的冲击、摩擦导致非平稳信号的产生，传统信号处理则难以发挥作用。另一方面， 当发动机发生故障而产生异响时，由于机器各部件的结构不同，致使振动及噪声 信号所包含不同，零部件的故障频 率分布在不同的频率范围内。特别 是当机器隐藏有某一另部件的早期 微弱缺陷时，它的缺陷信息被其它 另一部件的运行信号和随机噪声所 淹没。为了有效地提取弱故障信息 实现诊断。由小波变换（wt）得到 的小波包（wp）技术能够把任何信 号（平稳的或非平稳）映射到一个 小波伸缩而成的一组基函数上，信 息量完整无缺，在通频范围内得到 启动 初始化堆栈 s1、s2 故障树根节点压入 s1 s1 为空？s2 为空？无故障 s1 的各叶节点压入 s2 s1 进入下一层次诊断 s1 排序并截枝 输出诊断结论 诊断结束 图 1.2 诊断推理搜索流程图 fig.1.2 flowchart of diagnosis inference hunting 重庆大学博士学位论文 10 分布在不同频道内的分解序列。具有对非平稳信号进行局部化分析的功能。借此 可根据诊断目的选择包含所需另部件故障信息的频道序列，进行深层信息处理以 查找机器故障源。 1.2.5 推理机的设计15- 17 知识库和推理机构成了专家系统的“智能单元” ，知识库的知识水平决定了专 家系统的最终性能水平，推理机则决定了诊断推理的效率和对知识处理水平的高 低，推理机是一组智能程序，包括推理机制和控制策略。 诊断中的不确定性推理 诊断推理的特点是复杂性和不确定性。复杂性是指系统所处理的多种数据和 知识的信息是十分丰富，不确定性是指征兆和知识都有不确定因素，因此推理机 的设计要能够处理好不确定性并保证较高的推理效率。采用模糊识别和证据理论 作为确定性处理的理论基础之一。 模块化诊断推理搜索机制 对摩托车发动机异响这类复杂系统进行故障诊断，在诊断过程中所采用的推 理搜索方法非常重要，它将直接影响着系统的诊断效率，按图 1.2 所示的树形知识 结构，采用模块化诊断推理的搜索机制。 将神经网络技术引入到摩托车故障诊断专家系统中，是近几年来的一个重要 开发方向。从理论研究和实践应用来看，基于神经网络的故障诊断系统在知识的 获取，存贮，推理机制，学习能力及容错性等方面都具有独特的优势。但是，作 为一种新的理论和新的方法，还有其不足之处。因此，给摩托车故障诊断专家系 统的推广应用带来了困难。结合摩托车故障诊断专家系统开发中的实际问题，进 行研究，为系统的开发应用创造了条件。摩托车故障诊断专家系统的传感器、执 行器的工作波形带有摩托车工作的大量的信息，因此可以通过波形判断故障，很 多实践也证明了用波形诊断摩托车故障的可行性。摩托车故障诊断专家系统的识 别系统是一个多输入、多输出系统。此系统对某个特定波形反映的所有的故障样 本一起进行训练，这样就弥补了多输入、单输出系统的缺陷，可以避免对同一波 形调用不同故障原因的测试样本，使检测过程更加简单、明朗。利用检测到的波 形，通过提取特征值，根据特征值的变化量，应用神经网络技术识别摩托车故障。 摩托车的每一个传感器、执行器都对应着一种标准的工作波形。当该传感器或执 行器出现故障或受其它因素影响时，波形都会产生相应的变化。波形诊断的设计 基础正是捕捉这种变化，通过这种变化来判断摩托车故障的。 1.3 本论文研究的意义 摩托车是一种小型轻便的机动车，机动灵活，价格便宜，市场广阔，前景光 1绪论 11 明。但随着社会需要和技术发展，不断追求高性能，低消耗和低污染，厂家之间 竞争十分激烈，必须不断提高技术含量，日益完善，增强竞争力。提高摩托车的 安全性，舒适性是摩托车发展的主要研究课题。摩托车的振动与噪声降低了摩托 车的安全性和舒适性，给周围环境带来了危害。摩托车噪声有加速噪声、匀速噪 声、原地噪声，其中加速噪声是实际出现的最大噪声。因此，世界各地区规定了 摩托车加速噪声的限值（见表 1.1） ，显然，中国的噪声偏高，与先进国家还有一 定的差距。摩托车的噪声源包括进、排气噪声、发动机燃烧噪声及机械噪声和车 体振动噪声等，各噪声源的噪声频率比较接近，降低噪声还有一定难度，必须分 级分期降低噪声。发动机是摩托车的心脏，因此摩托车发动机的降噪，特别是消 除异响是当前迫切需要解决的问题。为了降噪，准确无误地寻找噪声源是关键， 为此分级多层次的检测和诊断是必要的，摩托车发动机异响专家诊断系统就是跨 出的重要一步。 表 1.1 摩托车加速噪声限值（db） table1.1 the limits of the motolycle accelerating noise in several countries 排量（ml） 地区 5080125170175350500 日 本7275 联合国欧洲经济委员会 （ece） 778082 欧洲经济共同体（eec）80838586 瑞士798183 公路车80美国 (epa)越野车8082 中 国7684 实际上，我国是摩托车生产的大国，尤其重庆是摩托车生产的重要城市，其 中很多关键技术来源于日本，但是其质量与日本相比还有一定差距，这可以从市 场上的性价比可以看出。而其中最明显的差距之一就是摩托车的噪声和振动，这 可以从公路上行驶的国产和日产摩托车上明显感觉到。因此，摩托车发动机的降 噪，特别是消除异响具有重大的经济意义。但是传统的噪声分析电子仪器是自封 闭的系统，它具有信号输入、输出的能力并有固定的用户界面，比如:输入、输出 信号接插件、旋钮、按钮、显示仪表、显示面板等。一台仪器包括传感器、信号 处理器、a/d 转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路。通过这些 电路来转换、测量、分析实际信号，并将结果以各种方式显示。然而，有时为了 构成具有一定功能的系统，配置了一套仪器，对其中的某些仪器，只用到了其中 重庆大学博士学位论文 12 一部分功能，而将它作其他功能使用时，却不具备或达不到所需指标。如另配置 一套仪器，效率不高且价格高。但是传统的仪器功能是由制造商决定的，用户不 能任意更改，用户如按自己的要求定制仪器需要昂贵的价格。而且，传统仪器设 计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的模式，整个测试过程几乎仅 限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使 用起来很不方便.计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年 来发展相对缓慢的仪器技术.目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于 核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的 结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念虚拟仪 器 vi(virtualinstrument).由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数 据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被 计算机软件所代替.因此，从某种意义上可以说:软件就是仪器。vi(虚拟仪器)是由 用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系统，它的功能是 可由用户自己定义的，自从引进了 vi 的技术，这就使用户可以随心所欲地根据自 己的意愿，设计自己的仪器系统。国际上从 1988 年开始陆续有虚拟产品面市，当 时有 5 家制造商推出 30 种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到 1994 年底， 虚拟仪器制造厂已达 95 家