（轮机工程专业论文）基于access数据库的船舶动力装置故障诊断专家系统.pdf

摘要 目前，船舶的轮机管理人员通常仅能解决一些普通的问题，大多数疑难、综 合故障仍得靠船舶维修专家来处理。特别是现代化的船舶，机舱设备种类众多， 结构复杂，自动化程度高，对轮机人员的专业水平要求更高，一旦出现故障，轮 机人员往往束手无策，这将会影响航行安全和航期，船舶公司每年要为此花费大 量的成本。因此开发故障诊断专家系统并装船使用显得非常必要。 本文共分三大部分对基于a c c e s s 数据库得船舶动力装置故障诊断专家系 统进行了介绍。 首先，阐述了船舶故障诊断的定义和基本方法，介绍了目前国内外故障诊断 专家系统的现状和发展趋势，并给出了本课题的研究内客和实际意义。随后介绍 了故障诊断专家系统的原理以及开发船舶动力装置故障诊断专家系统的开发工具 及其设计方法。 其次，详细叙述了船舶动力装置故障诊断专家系统的设计过程。将成熟的数 据库技术引入到系统中，即以a c c e s s2 0 0 0 数据库为平台，构建系统知识库。 它包括规则前件表，规则后件表和字典表。知识库搜索更加高效，管理更加方便。 推理机是以基于可信度的不确定推理模型设计的。这样，系统的运行更加接近专 家的思维，系统也更能反映实际的设备故障环境。采用回溯和启发式搜索策略， 可求出问题的多个解，减少了搜索的路径，并考虑了求解问题本身的特点。在规 则库中增加了与字段，解决了多故障、多原因同时发生的问题。船舶动力装置还 能向用户提供维修建议。专家系统在得出故障原因后，能够象人类诊断专家那样 给出相应的维修方法。甚至在复杂的机舱设备系统中，能准确给出故障的位置。 本软件的用户界面友好，大多数文本框采用下拉式菜单，勿需手工输入中文。 在专家系统实现方面，选用v b 5 0 程序设计语言对系统进行编程。 最后，经对船舶动力装置故障诊断专家系统软件的反复调试，给出了通过调 试的部分程序代码。介绍了系统软件的使用注意事项，并以实例详细说明了软件 的使用方法和具体步骤。 关键词：船舶动力装置，故障诊断，专家系统，a c c e s s 数据库 2 a b s t r a c t n o w a d a y s t h em a r i n ee n g i n e e r so nb o a r ds h i p c a no n l ys o l v e s o m eo r d i n a r yp r o b l e m s ，m o s to fs e r i o u sa n da l lr o u n dt r o u b l e sa r e r e m e d i e db ys h i p sm a i n t a i n i n ge x p e r t so ns h o r e ，t h ep o w e rp l a n t s y s t e m i n e n g i n e r o o mo fm o d e r nv e s s e l si sm o r ev a r i a b l e 。m o r e c o m p l i c a t e da n dh i g h l ya u t o m a t e dd e m a n d i n gf o rh i g h e rm a i n t e n a n c e s k i l l s ，w h i c hi sb e y o n dt h ea b i l i t yo fo r d i n a r ye n g i n e e r s o n c eat r o u b l e o c c u r s ，t h ee n g i n e e r sg e n e r a l l yc a nn o th a n d l ei tt i m e l y t h i sw i l le f f e c t s h i p p i n gs a f e t ya n ds c h e d u l e da r r i v i n g s h i p p i n gc o m p a n i e sp a yf o rb i g e x p e n s ef o rt h i sm a i n t e n a n c e i nt h i sw a y af a u i td i a g n o s i se x p e r t s y s t e mi sv e r yn e c e s s a r yt ob ed e v e l o p e da n di n s t a l l e do nb o a r ds h i p t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o rs h i p p o w e rp l a n ti nt h r e ep a r t s f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o na n db a s i cm e t h o d so ff a u l t d i a g n o s i s ，w h i c hc a rb e u s e do nb o a r ds h i p t h ea c t u a l i t i e sa n d r e s e a r c hd e v e l o p m e n to ft h ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi nc h i n aa n d o t h e rc o u n t r i e si si n t r o d u c e d ，t o g e t h e rw i t ht h er e s e a r c hw o r ka n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo fp r o j e c t a f t e rt h a tt h ep r i n c i p l e o ft h ef a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e ma n di t sd e v e l o p i n gt o o l sa n dd e s i g nm e t h o d w e r ea l s oi n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h ed e s i g no ft h ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o rs h i p p o w e rp l a n ts y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l s t h ea d v a n c e dd a t ab a s e t e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e di n t ot h ee x p e r ts y s t e m o nt h eb a s i so f a c c e s s2 0 0 0d a t ab a s ei nt h es y s t e m ，k n o w l e d g eb a s eo ft h ee x p e r t s y s t e mw a sb u i l tu p w h i c hi n c l u d e st h er u l ep r e c o n d i t i o nt a b l e t h er u l e c o n c l u s i o nt a b l ea n dd i c t i o n a r yt a b l e t h er e a s o n i n go fk n o w l e d g eb a s e i sm o r ee f f e c t i v ea n dm o r ec o n v e n i e n tf o rp r a c t i c a lu s e t h er e a s o n i n g i m a c h i n ew a sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h eu n c e r t a i ni n f e r e n t i a im o d a l w i t hr e l i a b i l i t y t h i ss y s t e mi sv e r ys i m i l a rt oe x p e r t w h i c ha l s or e f l e c t s a c t u a lf a u l t ye n v i r o n m e n to fe q u i p m e n tm o r ec o m p l e t e l y t h i ss y s t e m c a na l s os o l v es i m u l t a n e o u sp r o b l e mw i t hm u l t i t r o u b l ea n dm u l t i - s y m p t o ms i t u a t i o n s t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e sa r eb e t t e rf r i e n d l y w h i c hw a sp r o g r a m m e dw i t hv b 5 0 ， l a s t l y t h es o f t w a r eo ft h ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o rs h i p p o w e rp l a n ts y s t e mw a ss u c c e s s f u l l yd e b u g g e d ，s o m ep r o g r a m m i n g c o d e sa r eg i v e no u ti nt h i sp a p er p r a c t i c a le x a m p l eo ft h i ss o f t w a r ei s i n t r o d u c e dt o g e t h e rw i t hu t i l i z a t i o nm e t h o da n dp r o c e d u r e s c a id o n g l i n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yq q ! q h 女y l b 丛互l k e y w o r d s ：s h i pp o w e rp l a n ts y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s 。e x p e r ts y s t e m a c c e s sd a t ab a s e 4 论文独创性声明 本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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的 作 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 上海廊事大学顾士学位沧史基于a c c 弹：竹的船舶动力坯胃故障跨断孥家系统 1 1 船舶故障诊断技术 第一章绪论 1 1 1 引言 船舶故障诊断是诊断技术从应用范围角度划分的一个分支，它是根 据船舶领域特定需要面形成的一门学科技术。船舶诊断的历史和人类对 船舶设备的维修方式是紧紧相连的。2 0 世纪以前，由于那时的船舶结 构简单，维修费用也低，因此船舶诊断完全没有引起人们的重视，人类 对船舶的维修方式基本上是事后维修，即某部分运行出现问题后再进行 故障分析和维护2 0 世纪以后，随着船上设备本身技术水平和复杂程 度的提高，设备故障对船舶产生了显著影响。因此，出现了定期维修， 以便在事故发生之前加以处理。6 0 年代以后，海难事故的频发，人类 开始意识到定期维修的弊端，开始变定期维修为预知维修，即在船舶正 常工作中就开始进行监测，预先发现潜在的故障因素，及早采取措施， 防止突发性故障的发生。这种主动维修方式，不仅大大避免了灾难的发 生，而且避免了失修和过剩维修，经济效益也十分可观。这种维修方式 很快被大多数船舶公司所认同。船舶故障诊断技术开始很快发展起来。 船舶故障诊断的定义是指船舶系统在一定工作环境下查明导致系统 某种功能失调的原因或性质，判断劣化状态的部件或部件，以及预测状 态劣化的发展趋势等它可分为三个阶段，第一是船舶状态监测 ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ) ；第二是船舶状态监测与故障诊断( c o n d i t i o n m o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i s ) l 第三是现代船舶管理( m o d e r n m a n a g e m e n t ) ，即把监测和诊断融入现代企业的m i s 系统中去，这是船 舶故障诊断技术发展的最高阶段，预示着该领域的发展方向。目前，船 舶诊断技术大致处于第二阶段的完善和向第三阶段的过渡时期。船舶故 障诊断技术是一门交叉性很强的应用技术，它的发展和其它许多学科的 发展密切相关近年来，随着计算机技术、人工智能技术和小波理论的 发展，船舶诊断技术也得到了很大的发展 1 9 1 。 上海海事大学硕士学位论史 基于a c c e s s 敷据库的船舶动力装嚣故障诊断0 字系统 1 1 2 船舶动力装置的构成 1 ，基本组成 本文以柴油机作为推进设备所组成的船舶动力装置为研究对象来开 发故障诊断专家系统，整个船舶动力装置可分为以下几个部分： ( 1 ) 推进装置 推进船舶航行的装置。它包括主机、传动设备、轴系和推进器。主 机发出动力，通过传动设备及轴系驱动推进器产生推力，使船舶克服阻 力以某一航速航行。 ( 2 ) 辅助装置 在动力装置产生能量的诸装置中，除推进装置以外的其他产生能 量的装置包括船舶电站、辅锅炉、液压泵站和压缩空气系统，它们分 别产生电能，蒸汽热能、液压能和压缩空气供全船使用。 ( 3 ) 管路系统 用以输送流体的管系。由各种阀件、管路、滤器、热交换器等组 成。 ( 4 ) 甲板机械 保证船舶航向、停泊、装卸货物及起落重物所设置的机械设备。 包括舵机、锚机、绞缆机、起货机等 ( 5 ) 防污染设备 用来处理船上污油、油泥，生活污水及各种垃圾的设备。其中有油 水分离装置、生活污水处理装置等。 ( 6 ) 自动化设备 为改善船员工作条件，减轻劳动强度和维护工作量，提高工作效率 以及减少人为操作错误所设置的设备，主要由遥控、自动调节，监视、 报警和打印等设备组成。 2 故障概念 故障指的是系统( 如船舶动力装置) 、机械( 如主机) 或部件的功 能失效。可从不同的角度对系统、机械或部件的功能进行观察。因此， 故障可按下述分类： ( 1 ) 按故障所引起的后果分类 一1 ) 船舶未停航的局部故障 2 、船舶短时停航的故障 3 ) 船舶长时间停航的重大故障 2 兰海癣事大学顾主字何i ，基于a c c 髂s 数据库纳船舶动力址评故障i 套断专家系统 ( 2 ) 按故障发生的特点分类 1 ) 渐进性 因性能逐渐恶化而发生的故障。是一种可通过早期试验或测试来 预测的故障。它与材料的磨损、腐蚀、疲劳和老化等密切相关。 2 ) 突发性 突然发生且不能靠早期试验和测验来预测的故障。 3 ) 波及性或二次故障 导源于其他部分的故障而产生的故障。 4 ) 断续性 在某一时间呈现故障状态，但其功能可自然恢复，有时反复进行 的故障。 ( 3 ) 按故障发生的规律分类 1 ) 初期故障 在使用开始后的比较早期内，因设计，制造的缺陷或者由于使用环 境的不合适而发生的故障。此时处在磨合阶段，故障较多。 2 ) 偶然故障 在通过初期故障期后到达磨损故障期以前的时间内偶然发生的故 障。此时处在正常使用阶级，故障极少。 3 ) 磨损故障 由于材料的磨损、腐蚀、疲劳，蠕变和老化等原因，故障增多此 时处在快速磨损阶段，接近大修期限阶段。故障次数增加。 ( 4 ) 按引起故障的原因分类 1 ) 结构性 机器或零部件在结构上有缺陷，指设计和材料选择不当等。 2 ) 工艺性 机器在制造过程、安装过程中的工艺不良，引起的问题。 3 ) 管理性 由船员违反船舶技术设备管理规则及船员职务章则操作所引起。 4 ) 磨损性 由于疲劳，磨损和老化现象等原因。 ( 5 ) 按故障的程度分类 ， 1 ) 致命故障 有可能伤害人身或损坏机器的故障 上海海事大学硕士学位论文 基于a c c e s s 教据库的船舶动力装胃放船论断手，家系统 2 1 严重故障 为完成规定的功能有可能使机器原来动力性能降低的故障。 3 ) 轻度故障 不会变为严重故障的轻度故障。 3 研制系统的必要性 在实际生产运营过程中出现异常现象时，面对复杂而错综的现场信 息，仅仅依靠现场机舱管理人员去迅速分析故障原因、采取正确的处理 方法正变得越来越困难。此外，要求机舱管理人员对不同型号的设备都 具有丰富的知识和充分的实际管理经验也是不现实的。这就促使人们去 努力把具有丰富的系统理论知识和长期实际机舱管理经验的专家、研究 人员集中在一起来参与现场的故障分析、诊断与处理，并向现场管理人 员讲解与故障相关联的知识，提高他们的管理水平。船舶动力装置故障 诊断专家系统正是为满足这一要求而研制开发的。该系统向用户提供了 具有丰富机舱管理知识和经验的人工专家，而且能根据主要症状和关联 症状作出迅速的故障诊断及相应的处理与解释 2 3 l 。 1 1 3 船舶故障诊断的几种方法肿1 ( 1 ) 直接测量的方法 顾名思义，该诊断方法是通过普通仪表、仪器、化验等手段，并借 助看、听，摸、嗅等方法直接测量被诊断对象有关的输出量，如果输出 超出正常变化范围，则认为对象已经或将要发生故障。这种方法简单， 但容易出现故障的误判和漏判。初期的船舶故障采用这种诊断方法。 ( 2 ) 基于数学模型的方法 如：状态估计法和过程参数估计法都是这类诊断的代表方法。通过 估计出系统的状态并结合适当模型进行诊断或者根据过程参数的变化特 性结合适当模型进行诊断。这两种方法的前提条件都是需要建立精确的 数学模型。当船结构模型已知或动态可建模时，这种方法还是有优点的， 因为它能深入地反映船舶运动的动态特性和实现实时诊断。 ( 3 ) 故障树分析法 船舶系统的故障诊断常常可以归结为几个大的顶级故障事件针对 每个顶级故障事件，逐级去查找故障位置，经逐一排除后最终确定故障 原因。故障树分析法就是这样一种诊断方法，它从系统的顶级故障开始， 沿着故障树不断提问为什么出现这种现象? ”而逐级构成一个递阶故 4 上海拇事大学硕t 学位论文 基于a c c e s s 敬1 9 c 阵的船舶动力装嚣故障汾断孥家系统 障树，通过对此故障树的启发式搜索，最终找到故障的根本原因。目前， 在许多船舶主机遥控系统和机舱监控系统中应用的都是这种诊断方法。 基于故障树的诊断方法类似于人类的思维方式，易于彼接受和理解。 ( 4 ) 神经网络诊断法 神经网络是近年来发展起来的一个十分热门的学科。将神经网络用 于故障诊断以至船舶故障诊断领域目前也取得了一些成功。由于神经网 络具有很强的输入输出非线性映射性、自组织、自学习能力，使它很 适合于解决故障诊断类问题，特别是为船舶系统这样复杂系统的故障诊 断问题提供了一条新的、具有很强生命力的技术路线。目前，在船舶主 柴油机故障诊断，船舶舵桨装置故障诊断的实际系统中都取得了良好的 应用。 1 1 4 船舶故障诊断的新技术 ( 1 ) 以人工智能技术为核心的智能化船舶诊断 传统的基于检测数据处理的诊断方法，虽然也可以通过检测信号的 处理，实现船舶工况监视与故障诊断。但当故障类型比较复杂时，为了 能把故障比较细致的区分出来，一方面需要增加检测手段，另一方面需 大大增加计算量，从而使诊断时闻延长。另外对于一些难以通过数据测 得的事实，它就显得无能为力以专家系统、人工神经网络、模糊逻辑、 进化算法为代表的人工智能技术代表了一种新的方法体系，它的应用为 解决船舶故障诊断问题开辟了一条新的途径。尤其船舶结构复杂，导致 故障原因种类繁多，该领域专家缺乏。应用专家系统，可以直接从知识 库中搜索专家经验，凭借专家知识很快找到故障源；应用人工神经网络， 可以训练网络从定量的历史故障信息中进行学习，- u i l 练过的网络就具备 了分辨故障原因与故障类型的能力。随着船舶的日益现代化，基于人工 智能的船舶诊断将是船舶故障诊断的发展方向。 ( 2 ) 信号处理技术用于船舶故障诊断 2 2 j 船舶故障往往是由于船舶运行中发生冲击、振荡、碰撞，转速突变 等引起的，这种突变往往又引起信号峰值的突变，这种突变点称为奇异 点。同平稳信号相比，奇异点上包含了丰富的故障信息因此，通过分 析信号的奇异点，我们就可以诊断出船舶哪里出了故障及故障发生的时一 间等小波分析是目前进行信号处理最有效的工具，它多分辨率的特点， 良好的时频域局部刻画特性，使其非常善于探测正常信号中夹带的瞬态 t 海1 事丈学硕上学位i 仑丈 基于a c c e s s 数据库的船斯i 三f 幻棱茳战障房晰0 轻系统 反映，被誉为分析信号的显微镜。利用小波变换进行船舶故障信号检测 是种直接的方法。 ( 3 ) 多种技术融合的综合船舶诊断技术 任何一种技术的存在均有其特定的性质和应用范围，这就决定了其 应用的有限性。例如：专家系统善于知识表达和解释推理，但却不具备 学习能力，而神经网络恰恰具有学习能力因此，把二者结合起来可以 更好地发挥各自的特长，以实现单独专家系统或神经网络无法达到的诊 断效果。采用这种多技术融合方法进行船舶故障诊断，可以充分发挥它 们的优势，达到意想不到的诊断效果目前应用的融合诊断技术有：专 家系统与神经网络的结合；神经、模糊与专家系统的结合；神经网络与 小波技术的结合，遗传算法与神经网络的结合等。基于信息融合的综合 诊断技术是船舶故障诊断领域一个新的发展方向。 1 2 故障诊断专家系统 1 2 1 国内外的发展现状c 机电设各的故障诊断专家系统一直受到研究人员的关注，出现的智 能诊断系统也比较多如日本日立公司研究了用于核反应堆的故障诊断 系统；法国c c e 研究中心研制的旋转机械故障诊断专家系统d i v a ；美 国通用电气公司研究的用于内燃电气机车故障诊断的专家系统c a t s - l ；华中理工大学研制的用于汽轮机组工况监测和故障诊断的智能系统 d e s t ；哈尔滨工业大学和上海发电设备成套设计研究所联合研制的汽 轮发电机组故障诊断专家系统m m m d 2 ；清华大学研制的用于锅炉设 备故障诊断的专家系统，等等专家系统在船舶上也有应用，1 9 8 9 年7 月在伦敦召开的船舶技术的现在与未来刊物创办百年纪念大会上。 劳埃德船舶年鉴总验船师、董事c y r i la r c h e r 在。主机推进系统的发展” 的论文中着重提出动力装置监控，运行状况评估，提供维修计划、优化 运行指导、故障诊断、警报处理等专家系统是我们未来研究和发展的目 标之一目前已在这方面作了很多工作国外的一些厂家为了提高竞争 能力，研制开发了适合于该厂家设备的专家系统。丹表生产的m a n b & w 二冲程柴油机已安装了该厂研制的c a p a ( c o m p u t e ra i d e dp e r f o r m a n c e a n a l y s i ss o f t w a r ep r o g r a m e ) 专家系统，c a p a 的发展是集于许多这一机 6 上海廊市人学颇 学位论文 基f a c c e s s 数据库的船舶动力装嚣放障诠断专家系统 型的专家经验和大量该机型装船实用过程中所碰到问题基础上发展起来 的，是一个不断完善的系统，其功能是对m a nb & w 二冲程柴油机的 工况进行自动监测、故障的判断与故障的维修，通过实测运行参数变化 趋势进行故障的预测。c a p a 系统打破了传统的统计学所得到的日常傈 养和定期维修的时间计划，而是通过在线的专家系统，根据所检测的参 数进行高级别的专家判断，提出较佳的航修和迸坞维修计划，保证了最 少的停机时间和最少的维护修理费用，提高了船舶的营运效率。 我国在船舶故障诊断、维修及工况优化等方面研究起步较慢。近年 来，我国航海界许多院校，研究所的专家进行了这方面的工作，取得了 一定的成绩。由于设计思维与实际不尽符合，轮机人员无法满意，致使 难以应用。到目前为止，尚未见到过一个功能完备的故障诊断专家系统 在实船上应用的报告。世界上虽有许多这方面的专家系统，但也只适合 于某一机型，真正适用的还很少，难以适合我国船舶发展的需要。 与传统的故障诊断方法相比，故障诊断专家系统具有以下优点： ( 1 ) 能够模拟人脑的逻辑思维过程，可解决需要进行复杂推理的复杂 诊断问题。 ( 2 ) 可以储存和推广领域专家宝贵的经验和知识，更有效地发挥各种 专门人才的作用，使一般的维修人员也能掌握复杂设备的故障诊断知 识。 ( 3 ) 故障诊断专家系统在某些方面比人类专家更可靠，更灵活，可以 在任何时候、任何条件下提供高质量服务，不受外界的干扰。 ( 4 ) 故障诊断专家系统具有人机合作完成诊断任务的功能，它可以在 诊断过程中实现人机交互，通过人的参与使得诊断的结果更加准确。 ( 5 ) 故障诊断专家系统便于用户对知识库的修改和完善。先进的故障 诊断专家系统还具有学习的功能，能够在诊断过程中自动完善知识库， 提高系统的诊断能力。 1 2 2 发展前景和展望 随着知识工程的发展以及神经网络、计算机网络等技术的日新月 异，必然引起船舶故障诊断专家系统在各个方面的不断发展。 ( 1 ) 经验知识与原理知识的紧密结合 为了使故障诊断专家系统具备与人类专家能力相近的知识，研制者 在建造智能诊断系统时，越来越强调不仅要重视领域专家的经验知识( 浅 7 上海海事大学顾 。学位论文 基于a c c c 嚣数据库的船舶动力装霄故障诊断号+ 费系 知识) ，更要注重诊断对象的结构、功能，原理等知识( 深知识) ，忽视 任何一方面都会严重影响系统的诊断能力。关于深浅知识的结合问题， 目前较普遍的作法是，这两类知识可以各自使用不同的表示方法，从而 构成两种不同类型的知识库，每个知识库有各自的推理栅，它们在各自 的权力范围内形成子系统，两个子系统再经过一个执行器综合起来构成 一个特定诊断问题的专家系统。这个执行器记录诊断过程的中间结果和 数据，并且还负责经验与原理知识之间的“切换”。这样在诊断过程中， 通过两种类型知识的相互作用，使得整个系统更加完善，功能更强，可 以解决那些无经验知识可用情况下的问题，即使遇到知识表示范围以外 的问题，系统的性能也不至于显著下降。 ( 2 ) 多种知识表示方法的结合 在一个实际的诊断系统中，往往需要多种方式的组合才能表达清楚 诊断知识，这就存在着多种表达方式之间的信息传递、信息转换、知识 组织的维护与理解等问题，这些问题曾经一直影响着对诊断对象的描述 与表达。近几年在面向对象程序设计技术的基础上，发展起来了一种称 为面向对象的知识表示方法，为这一问题的解决提供了一条很有价值的 途径。 ( 3 ) 诊断系统与神经网络的结合 神经网络理论为故障诊断专家系统的发展开辟了崭新的途径。用神 经网络技术建立诊断系统，不需要组织大规模的生产式规则，也不需要 进行树搜索，系统可以自组织、自学习，并可进行模糊推理，这对用传 统人工智能方法建立专家系统最感困难的知识获取和推理等问题提供了 新的解决办法。 ( 4 ) 远程故障诊断 2 1 1 随着计算机网络技术快速发展，远程故障诊断技术在陆上工业中 发展迅速并日趋成熟，例如很多大型电厂开始或即将安装基于i n t e r n e t 的远程故障诊断系统但是，远程故障诊断技术在船舶上的应用尚是 一个空白。建立船舶远程故障诊断系统就是通过卫星通信和计算机网 络技术将船舶设备的参数实时地传回公司总部的远程故障诊断中心， 利用远程故障诊断中心的人类专家和专家系统软件作出故障判断和排 除对策，并及时传回船舶供轮机员参考f 许多专家正在这方面进行积 极的探索 上海癣事大学硕士学位沧文 肇于a c c e s s 敷据f 乍的船舶动力拔冒故障诊断专京系统 i 3 课题的研究内容和意义 1 3 课题的研究内容 本课题的主要任务是搜集机舱各类设备的征兆和故障，通过计算 机编程，开发出界面友好、功能完备、运行可靠的船舶动力装置故障诊 断专家系统。具体内容包括： ( 1 ) 知识库的建立 专家系统的核心是知识，知识库中拥有知识的多少及知识的质量决 定了一个专家系统所具有解决问题的能力。因此，建造一个专家系统首 先便是要获取专业领域中的大量概念、事实、关系和方法，包括人类专 家处理实际问题时各种启发性知识，以构造一个内容丰富的知识库。知 识表示方法也决定着知识库的组织结构并直接影响整个专家系统的工作 效率和质量，需选择合适的知识表示方法来表示知识。 ( 2 ) 推理机设计 推理机作为专家系统的组织控制机构，能通过运用由用户提供的 征兆数据，从知识库中选取相关的知识并按照一定的推理策略进行推 理，直到得出相应的结论。在设计推理机时应考虑推理方法、推理方向、 搜索策略三个方面。 ( 3 ) 解释机设计 对推理的整个过程，要有尽可能详细的说明，让用户对推理的结 果信服。说明的内容，尽可能通俗易懂，用户易于接受，达到教育的功 能。 ( 4 ) 用户界面设计 用户界面是专家系统与用户进行信息交换的窗口，设计时应首先考 虑到如何最大限度地方便用户，使用户易于操作，即为用户提供友善的 人机接口。比如说设计出各种各样的菜单，使用户在选择系统功能时只 要敲入数字键或用箭头甚至鼠标就可以选择系统所具有的各项功能 1 3 2 课题研究的实际意义 随着远洋船舶向专业化，大型化，高速化、智能化和减少船员配置 的方向发展，船舶设备运行的安全性越来越显得重要。开发船舶机舱故 障诊断专家系统对于降低修理费用。减少突发事故，提高远洋船舶营运 率和准时率，保证运输效益和货运质量，提高机舱的科学管理水平都是 9 上癣侮喜大学硕士学位论文基于a c c e s s 数据库的船舶动力杖胃战障谚断；( 最统 有很大的促进作用。 船舶动力装置故障诊断专家系统的实际应用价值有： s l ( 1 ) 根据所输入发生的故障现象，给出几种可能引起故障的原因，并 对最有可能的原因加以显示，对几种可能的并行级的故障原因提出检查 顺序的建议 ( 2 根据故障的原因，屏幕上显示出故障的部位在机舱中的位置，以 避免找到故障原因而找不到故障的部件所在地方而无法进行下去。 ( 3 根据推理得到的故障结论，提供解决故障的建议方法，帮助轮机 员及时可靠地修复故障。 ( 4 ) 在线式专家系统，对于直接或间接影响系统输出的过程参数、过 程状态或特征量发生变化并超过预定的范围时，诊断系统应及时检查出 来根据检测到的故障信息，寻找故障源，并确定故障类型及大小再 根据故障源的部位，信息及结构，将故障对于系统的性能指标、功能的 影响等作出判断或估计，给出故障的等级。根据故障评价的等级，对系 统作出早期报警、紧急报警、停机等待修理等相应的决定。 ( 5 ) 借助于适当的数据测量，利用专家系统透明化的解释功能，并 通过数字模拟或物理模拟故障诊断对船员进行技能培训。 1 4 论文的章节安排 本论文共分七章来阐述船舶动力装置的开发经过。第一章绪论引出 了船舶故障诊断的方法，并介绍了故障诊断专家系统的现状和发展趋 势，并给出了本课题的研究内容和实际意义第二章介绍了专家系统的 原理，包括专家系统的定义、组成，知识表示，推理算法等。第三章介 绍船舶动力装置故障诊断专家系统的开发工具及其设计方法。第四章是 船舶动力装置故障诊断专家系统知识库的设计，详细地叙述了知识库的 构造、维护等。第五章是船舶动力装置故障诊断专家系统推理计的设计， 详细叙述了推理机的推理过程，并用v b 5 0 语言编程。第六章用典型的 故障实例演示了船舶动力装景故障诊断专家系统的效果和功能。第七章 是总结与展望。 i o 上海岛事大学硕士学位论文 基f a c c e s s 数据库f r j 船舶动力装黄故障诊断专窜系统 本章首先介绍了船舶故障诊断技术发展的概况及本论文研制对象船 舶动力装置的组成。比较了各种诊断方法和优缺点，提出了开发船舶动 力装置专家系统的必要性。然后叙述了研制船舶动力装置专家系统的具 体内容及其应用价值。最后给出了本论文的章节安排。 上海癣事大学“兜士学位论文基于a c c e s s 数据庳的船舶动力装r 1 障诊断享最统 第二章专家系统的原理 2 1 专家系统的基本摄念 2 1 1 专家系统的定义 专家系统是一种智能的计算机程序，这种计算机程序使用知识和推 理过程、求解那些需要杰出人物的专家知识才能求解的高难度问题。它 的知识处理所模拟的是人的逻辑思维机制【6 l 。 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( 如图 i 1 ) 。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。 专家系统具有如下特点：可以清晰可读的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；能在特定领 冉廊蕾大学硕上学付论文毖r - a c c e s s 数据j 中的j f ；舶功力装符故障睡斯争象系统 域内模仿专家工作，处理j i 常复杂的情况。包括异常情况；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；能对系统的 结论作出解释。 2 2 知识库 图1 1 专家系统的组成部分 痧 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。人工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 谓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。 一般来说，在选择知识表示模式时，应从以下几方面进行考虑： ( 1 ) 充分表示领域知识 确定一个知识表示模式时，首先应该考虑的是它能否充分地表示领 上海海事大学硕士学位论文基于a c c 铭s 数据库的船舶动力鹱跫敞障诊断争袈系统 域知识。为此，需要深入地了解领域知识的特点以及每一种表示模式的 特征，以便做到。对症下药”例如，在故障诊断领域中，其浅知识一 般具有经验性、因果性的特点，适用于产生式表示模式；而深知识是对 诊断对象的结构与功能关系进行描述，此时用产生式表示就不能反映出 知识间的结构关系，而需要用框架表示。 ( 2 ) 有利于对知识的利用 把知识表示出来并存储到计算机中去的目的是为了利用这些知识进 行推理，以便求解现实问题。所谓推理是指根据闯题的已知事实，利用 存储在计算机中的知识推出新的事实或者执行某个操作过程。推理与知 识表示有着密切的关系，如果一种表示模式的数据结构过于复杂或者难 以理解及实现，则必然会影响到系统的推理效率。从而降低系统求解问 题的能力。 ( 3 ) 具有合适的数据结构 一种知识表示模式应符合人们的思维习惯，便于人们理解。另外， 在一个诊断系统初步建成后，经过对一定数量实例的运行可能会发现其 知识在质量或性能方面存在某些问题，此时或者需要增补一些新知识， 或者需要修改甚至删除某些已有的知识。在确定知识的表示模式时，应 充分考虑维护与管理的方便性。 目前用得较多的表示方法主要有以下几种：例 1 ) 传统的知识表示法，包括逻辑表示法，语义网络表示法，产生式 表示法，框架表示法等； 2 ) 面向对象的知识表示法； 3 ) 神经网络的知识表示法； 4 ) 不确定性知识的表示法。 2 2 2 产生式表示法。j 产生式( p r o d u c t i o nr u l e s ) 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 1 4 上海麻喜大学硕上学位论文毖于a c c e s s 敷据库的船舶动力装覆故障诊断专絮系统 所规定的动作。典型的产生式的表示模式是： i p 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 我们有时候在考虑知识表示都假定表示的事实、前提等不是真就是 假，但在现实世界中并非如此。在诊断环境中，不确定的问题占多数。 因此，需要建立一些模型对各种不精确知识进行全面准确的表示。常用 的基于产生式的不确性知识表示方法有三类：可信度方法、概率方法和 模糊逻辑方法。下面对基于产生式的不精确知识表示法一一可信度法进 行介绍。 一 人们在长期的实践活动中，对客观世界的认识积累了大量的经验。 当面临一个新情况时，可用这些经验对问题的真假或为真的程度作出判 断。人们对一个事物或现象为真的相信程度称为可信度。 显然，可信度带有较大的主观性及经验性，其准确性难以把握，但 由于机器故障的信息环境多是一个不确定性的环境，不能像数学那样具 有严密性和精确性，因此，用可信度来表示不精确知识不失为一种可行 的方法。另外，领域专家都是所在领域的行家里手，有丰富的专业知识 及实践经验，对领域内的知识也不难给出其可信度 规则的一般形式是 i fet h e n h ( c f ( h ，e ) ) 其中，z 为前提，它既可以是一个简单条件，也可以是由多个简单 条件构成的逻辑组合，例如e = e la n de 2a n de 3 ，h 是结论，它也 可以是一个或多个结论：c f ( h ，e ) 是该规则的可信度，称为规则强度， 它表示当条件为真时，则结论h 有c f ( h ，e ) 大小的可信度。c f 在【一l ， 1 1 上取值，值越大表示相应的知识越为真。当c f 的值为l 时，表示相 应的知识为真；当c f 值为一l 时，表示 相应的知识为假。例如有这样一条产生式： 规则r l ： i f ( 如果) ：( 气缸上下温差超过允许值3 0 ( 2 ) 和 ( 机组处于热态启动过程中) t h e n ( 贝0 ) ；( 气缸工况处于热态不平衡) c f 0 9 5 上海海事大学硕士学位论文 基于二a c c e s s 数据库的船舶曲力装踅故障诊断0 挈系绕 它表示当列出的各个前提都得到满足时，结论有0 9 5 的可信度 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。下面以产生式表示法和关系型数据库技术为基础建立知识 库。知识库由三部分组成，分别是规则前提表、规则结论表、字典库。 字典库是用来存放规则库中的前提条件和结论及其编码；规则前提表用 来存放各规则对应的前提条件；规则结论表是用来存放各条件的结果。 建表后将在各表之