（车辆工程专业论文）汽车故障诊断专家系统研究.pdf

摘要 摘要 故障诊断专家系统早在六十年代就开始研究，到八十年代得到了飞速的发 展。由于专家系统的实用价值，其研究与开发已成为国际研究的热点。我国也在 很多领域已经丌始从事专家系统的歼发。在众多有关专家系统的技术中，知识库 的建立和知识的维护、推理机的设计和选择是专家系统的两大关键技术。本文针 对这些问题进行了理论与应用研究，特别是应用于汽车故障诊断专家系统的研 究。 在w i n d o w s9 8 操作系统下，用高级数掘库管理语言v i s u a lf o x p r o 6 0 实现汽车故障诊断专家系统的建立和维护是本课题总的任务，这是本汽车故 障诊断专家系统与以| j i 的专家系统不同之处，以前的专家系统丌发用的是表处理 语言l i s t 语言和逻辑程序语占p r o l o n g 语言编程的。本文研究了汽车故障诊 断专家系统的全局规划设计，根据本专家系统的特点，建立了包括人机接口、推 理机、知识库、动态数掘库、知识获取子系统和解释子系统六大子系统。在系统 丌发过程中，运用面向对象程序设计技术以及事件驱动模型，减少了程序的编写 量，最大限度地提高了程序的设计效率；本文重点研究了知识库的建立、知识的 来源、知识获取的方式、知识的表示方法、知识的学习以及知识库的维护等过程 对于从专家那罩或通过学习获得的知识，经过知识工程师的加工，采用谓词逻辑 或产生式知识表示方法，存入知识库中，为推理做准备。深入探讨了推理机设计 的理论和实现方法，采用适合于本专家系统的推理机机制：演绎推理和摸糊推理 的设计思想。演绎推理是从一般到个别的推理，本系统大多数故障的诊断采用浚 摘璺 种推理方式；模糊，推理是借助模糊数学的方法，把模糊现象与因素之的关系用 数学方式进行描边，采用多现象、多因素综合推理，得到比较确切的结果。 本系统设计了故障诊断解释子系统、帮助信息子系统、数据库的绅护和查询 子系统等，完成了系统应该具备的一些辅助功能。 关键词：汽车，故障诊断，专家系统，知识库，推理机 摘要 a b s t r a c t n ef a i l u r ed i a g n o s i se x p e r ts y s t e ms t a r t s s t u d y i n gi n6 0 s g e t t i n gt h ef a s t d e v e l o p m e n ti n8 0 s b e c a u s eo ft h ep r a c t i c a lv a l u eo ft h ee x p e r ts y s t e m ，i t sr e s e a r c h h a sb e c o m eah e a ts u b j e c to ft h ei n t e r n a t i o n a li n v e s t i g a t i v ed e v e l o p m e n t o u rc o u n t r y a l s oh a v es t a r t e dt h ed e v e l o p m e n tt h a tb ee n g a g e di nt h ee x p e r ts y s t e mi nal o to f r e a l m s i nn u m e r o u se x p e r ts y s t e m s t e c h n i q u ec o n c e r n i n g ，t h ek n o w l e d g eb a s e e s t a b l i s h e sa n dt h em a i n t e n a n c eo ft h ek n o w l e d g eb a s e ，t h ed e s i g na n dc h o i c eo f i n f e r e n c ee n g i n ei st w ok e yt e c h n i q u e so f a ne x p e r ts y s t e m t h i st h e s i sh a sp r o c e e d e d t h et h e o r i e sa n da p p l i c a t i o ns t u d yt oa i ma tt h e s ep r o b l e m s ，a p p l y i n ge s p e c i a l l yi nt h e a u t o m o b i l er e s e a r c ho f f a i l u r ed i a g n o s i se x p e r ts y s t e m u n d e rt h ew i n d o w s9 8o p e r a t i o ns y s t e m ，u s i n gt h eh i 曲c l a s sd a t a b a s em a n a g e m e n t l a n g u a g ev i s u a lf o x p r o6 0 r e a l i z et h ea u t o m o b i l ef a i l u r ed i a g n o s i se x p e r ts y s t e mt o e s t a b l i s ha n dm a i n t e n a n c ei sat o t a lm i s s i o no f t h i ss u b j e c t ，i ti sd i f f e r e n tw i t ht h e s ef o r m e re x p e r t s y s t e m s , t h ef o r m e re x p e r ts y s t e mi sd e v e l o p e dt ou s eaf o r mh a n d i n gl a n g u a g el i s tl a n g u a g e a n dl o g i cp r o c e d u r el a n g u a g ep r o l o n gl a n g u a g e t h i st e x ts t u d i e dt h eo v e r a l lp r o j e c ta n d d e s i g no f a u t o m o b i l ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m ，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 so f t h i se x p e r t s y s t e m ，e s t a b l i s h i n gt oi n c l u d em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，i n f e r e n c ee n g i n e , k n o w l e d g eb a s e 。 d y n a m i cd a t a b a s e ，k n o w l e d g eo b t a i n i n gt h es u b - s y s t e ma n dr e l e a s es u b - s y s t e ms i xg r e a t e s ts u b - s y s t e m s i ns y s t e md e v e l o pp r o c e s s ，t h ea p p l i c a t i o nf a c e st oo b j e c tp r o c e d u r ed e s i g nt e c h n i q u ea n d a f f a i r sd r i v em o d e l ，r e d u c i n gt h eq u a n t i t yo ft h ew r i t i n gp r o g r a m ，p r o m o t i n gg r e a t l ye f f i c i e n c yo f p r o c e d u r ed e s i g n ；s m d y i n gt h ek n o w l e d g eb a s ee s t a b l i s h m e n t ，t h es o u r c eo fk n o w l e d g e ，t h e k n o w l e d g eo b t a i n i n gm e t h o d s 。t h ee x p r e s s i o nm e t h o do fk n o w l e d g e ，t h es t u d yo fk n o w l e d g ea n d t h em a i n t e n a n c ep r o c e s so ft h ek n o w l e d g eb a s e sa r ek e y , f o rt h eo b t a i n i n gk n o w l e d g ef r o mt h e e x p e r to rt h ea c q u i r i n gk n o w l e d g eb ys t u d y i n ga r ep a c k e du pb yt h ek n o w l e d g ee n g i n e e r s ， a d o p t i n gt h ep r e d i c a t ep h r a s el o g i co rt h eb r i n g i n gt y p ek n o w l e d g ee x p r e s s i o nm e t h o d ，d e p o s i t i n g i n t ot h ek n o w l e d g eb a s e ，f o rp r e p a r i n gt or e a s o n s t u d y i n gd e e p l yt h et h e o r ya n dr e a l i z a t i o n m e t h o do fi n f e r e n c ee n g i n ed e s i g n ，a d o p t i n gt h es u i t a b l et e c h n i q u ef o rt h i se x p e r ts y s t e m 捅整 r e a s o n i n g ：t h ed e s i g nt h o u g h to fd e d u c i n gi n f e r e n c ea n df a i n t n e s si n f e r e n c e d e d u c i n gi n f e r e n c e i sf r o mg e n e r a lt oi n d i v i d u a l ，t h ee x p e r ts y s t e ma d o p t si tt od i a g n o s et h em o s tf a i l u r e s ；f a i n t n e s s i n f e r e n c ei si nv i r t u eo ff a i n t n e s sm a t h e m a t i cm e t h o dt oc a r r yo u t , t h er e l a t i o no ff a i n t n e s s p h e n o m e n o na n df a c t o ri sd e s c r i b e dw i t ht h em a t h e m a t i c sm e t h o d ，a d o p t i n gm o r ep h e n o m e n o n ， m a n yf a c t o r ss y n t h e s i z et ni n f e r e n c e ，g e t t i n gt h ea c c u r a t er e s u l t t h i ss y s t e md e s i g n e dt h ef a i l u r ed i a g n o s i se x p l a n a t i o ns u b s y s t e m ，h e l p i n f o r m a t i o n s u b - s y s t e m ，d a t a b a s e m a i n t e n a n c ea n d i n q u i r i n gs u b s y s t e m e t c c o m p l e t i n gs o m ea s s i s t a n c ef u n c t i o n st h a ts y s t e ms h o u l dh a v e k e yp h r a s e ：a u t o m o b i l e ，f a u l td i a g n o s i s ，e x p e r ts y s t e m ，k n o w l e d g eb a s e ，i n f e r e n c e e n g i n e 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。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年后解密后使用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 躲 绅 严厂月彭兀 指导老师签 夕卯睁年 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。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已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已居文中以明确方式注明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：垆j 江嚣夫学硕l 。聊 究生论文 第一章绪论 1 1 故障诊断技术的现状 故障诊断技术已有3 0 多年的发展历史，但作为一门综合性新学科，故障诊 断学还是近些年发展起来的，并形成了多种故障诊断方法它们分别是：基于机 理研究的诊断理论和方法；基于信号处理及特征提取的故障诊断方法：模糊诊断 理论和方法；振动信号诊断方法：故障树分析诊断方法；故障诊断灰色系统理论 和方法；故障模式识别方法：故障诊断神经网络理论和方法：基于数学模型的故 障诊断理论和方法。 故障诊断理论和方法虽然很多，但可p 均q 为两类：一类是基于非模型的故障 诊断理论和方法：如信号空u j 特征、 = ! 态莉h 占息处理方法的诊断理论与方法，堆 于知识推理、人工智能、专家系统的诊断方法，鹅f 摸式识 ；i j 和神纤m 络珍断 方法。另类基于系统数学换掣车l l 现代控： “翘! 论、疗江的放障诊断一! 沦和方i 上， 也包括相互问的结合和集成。 现代故障诊断包括三方面的主要内容：救障硷测、故障分离诊断以及故障修 复，统称为故障的检测、分离和修复( f d i a ) 。现代故障诊断的发展方向足与容错 控制、冗余控制、监控控i b 9 和余瞍管那苫- ，r 靠f l ：系统设计舸j 结台的，足实现 ：功 维修策略、监测控制、容错控制，自治控：列。可信性系统等凌i 中的一个关键。 进入7 0 年代，随着计算机技术及其计舅能力、可靠性的提t 葛，现代控制理 论的产生和发展，出现了以分析冗余( a n a l 3 1 i c a lr e d u n d a n c y ) 取代物理冗余的余度 可靠性设计和余度管理思想。分析余度方式足一利用状态估计、参数估计、自适 应滤波、变量阔值逻辑、统； 决策理论和综合逻辑晌信号处删于上术，l - ，以4 也f 电路或计算机上实现。1 9 7 1 年b e a r d 首次提出了敞障榆测_ ；：l s 波器( 1 7 d f ) 概念，标 志着基于分析冗余故障诊断技术的诞生。 现代故障诊断是由于实旋主动维修策略和建立盟控系统的需要而发展起来 的。山于现代机电自动化及控制系统的规谈坷i 断扩丈、复杂住f 盏挺高，以及系 统投资的巨大，人们迫切需嗄提高机f l ! 门功化及控制系统n 0 ”“，r i 。i k lj f j j 自必要 建立。个监控系统柬监仔憋个f j 动化系统的运i j 状态，f ：断柃洲系统的变化和敞 汽卞敞障诊断专客系统研究 障信息，进而采取必要的措施来防止故障的传播和灾难性事故的发生而其前提 条件是具有在线实时可靠检测和诊断故障的能力。因此故障诊断是实现可信性系 统设计的关键环节。可信性系统是指集可靠性、有效性、可维修性和安全性为一 体的系统。提高系统可信性的方法，即设计可信性系统的方法：提高元部件本身 的可靠性；采用余度系统，如硬件、软件和复合冗余结构；采用基于f d i a 的容 错和监控等控制系统。 故障诊断的鲁捧性是所有故障诊断理论、方法和系统所面临的重要问题。鲁 棒故障诊断( r f d ) 概念首次在基于模型的故障诊断方法中提出。基于模型的鲁棒 故障诊断研究始于8 0 年代初。经过十几年的研究和发展，提出了不少方法，也 进行了一些应用研究。 基于人工神经网络的故障诊断，国内外已经在这方面做了许多研究。虽然人 工神经网络在网络拓扑结构上具有原则鲁棒性，但其b p 学习算法是非鲁棒性的。 r f d 是解决故障诊断实际应用的有效途径，是提高故障诊断系统性能指标的有 效方式，同时将产生新颖有效的故障诊断理论和方法。 目前和今后的主要研究可归纳为以下几个方面：在线实时故障检测算法：本 质非线性动态系统的故障诊断( f d ) 方法，主要研究获取其状态、参数的有效 方法；对模型误差及不确定因素具有鲁棒性的f d 算法；鲁棒残差发生器和鲁棒 阂值的设计理论和方法：对无先验知识时被监控系统结构变化的检测及识别：实 时f d 故障诊断的丌发及与基于人工智能方法、模型方法的f d 方法的综合：智 能故障检测和诊断系统理论和方法的研究；自学习检测系统；以f d i a 为核心的 容错控制、监控系统和可信性系统。 对故障检测、诊断来说，以下方面需大力研究：反馈系统( 闭环系统) 中的故 障诊断：小幅值故障、软性故障和早期故障的检测；执行器、过程和传感器中故 障的诊断：除突变性故障外的故障的早期预报，即预报诊断；动态系统中的在线 实时故障检测：系统过渡过程检测和过渡过程中的故障检测；动态系统启动和结 束过程中的故障检测；( 鲁棒、自适应) 阂值选择和确定。 1 2 专家系统的发展及研究现状 专家系统是一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能稃廖系统，它能 2 江界夫学顾i l 开究生论文 应用某领域内专家多年所积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程，求 解需要专家彳能解决的问题。 专家系统强调人类的智能活动是以知识为中心，以研究人类思维活动规律为 主要内容。j 下是它的研究，促进了人工智能基本理论与技术的发展。专家系统作 为一种实用工具，提供了保存、传播、使用和评价知识的有效手段。它综合了许 多人的知识和经验，博采众长，将知识形式化后，存入计算机，加快了知识的复 制和转移。在运用专家系统时，专家的知识得到了很好的评价。专家系统是一种 计算机系统，继承了计算机快速、准确等特点，在某些方面比人类专家更可靠、 更灵活，可以不受时间、地域及人为因素的影响。 与传统的计算机程序相比，专家系统具有丰富的知识和高水平的技术；能进 行推理；具有自我学习；知识与推理机明显分离：专家系统也会出错等特点。 专家系统的发展经历了三代：第一代专家系统d e n d r a l 诞生于2 0 世纪6 0 年代后期。d e n d r a l 系统是用来确定化合物的分子结构的，该系统是采用产生 式规则来表示专家的知识。7 0 年代是专家系统迅速发展的时期，各种各样的不 同领域的专家系统如雨后春笋般地诞生，有代表性有m y c i n 、a m 、 p r o s p e c t o r 、h e a r s a y 等系统，这些为第二代专家系统。m y c i n 是斯坦福 大学7 0 年代建立的对细菌感染疾病的诊断和治疗的专家系统：p r o s p e c t o r 是 斯坦福大学7 0 年代中期丌发的地质勘探专家系统。这些系统与第一代相比使用 了自然语言与用户对话，增加了解释模块，使用了不精确推理机制。第二代比第 一代专家系统更具有通用性。8 0 年代开始，专家系统向大而全的第三代专家系 统发展，采用分层结构，每一层次又有多种模块组成，即每一模块都具有某种问 题的求解能力。一旦复杂问题不能求解，系统自动转入“联想状叁”使其功能外 延，形成多模块多层次的“属性运动”，借助于外延束发明新的假设和发明新的 求解途径，这就是第三代的发明系统。同时，一种小而精的袖珍专家系统也投入 应用，只需微机的支持就可以工作，解决一些专项问题。 专家系统应有咨询功能，回答用户提出的某个领域的专门问题，本系统既回 答有关汽牟方面的问题，解释自己的决策过程。同时具有学习功能，在号家的训 练下，系统能不断增加和修改知谚 库的知识，能从实例中归纳学习、类比学习， 能尉实例自行分类，从而增加知识库中的知i 。还具有教育功能，通过刚答有天 i t ( 中故障诊断专家系统研究 询问，向用户提供某个领域的知识，达到教育学生和训练新手的目的等。 1 3 本课题的意义 本文要研究的是汽车故障诊断专家系统，其主要任务是根据观察到的情况来 推断某个对象的功能及技术状况。首先，随着汽车工业的发展，汽车结构的同益 复杂，越来越多的高新技术应用到汽车的设计、制造过程。汽车故障的诊断和维 修也发生了根本地变化，需要现代诊断技术进行诊断，采取相应的维修措簏，最 大限度地发挥零部件的使用潜力，大大提高了车辆的使用可靠性和使用经济性。 其次，由于故障诊断对从事诊断工作的人员技术水平要求高，单凭经验进行故障 诊断已经不能适应现代汽车技术的要求。再就是预防故障的需要，故障的发生有 一个渐变过程，根掘车辆的运转情况，对部分故障可以进行有效的预防。为了解 决以上的问题，需要进行故障诊断专家系统的丌发和应用，这样能有效的解决以 上的诸多问题。因为故障诊断专家系统能够了解被渗断对象或客体各组成部分的 特性及它们之间的关系；能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象：能够向用 户提供咨询，并从不确切的信息中得出尽可能j 下确的结论，所以本文要从不同的 开发领域进行汽车故障诊断专家系统的研究。 1 4 本课题的研究内容及方法 本课题要研究的是汽车故障诊断专家系统实现的理论和方法，特别是在 w i n d o w9 8 操作系统下，用m i c r o s o f tv i s u a lf o x p r o6 0 数掘库语言丌发汽车故 障诊断专家系统。在此基础上，重点要研究的是知识获取方式、知识豹表达方法， 推理机的选择以及推理的实现方法。同时，还需要完成专家系统所应具有的一切 功能。 本论文主要出以下几部分组成，即汽车故障诊断专家系统的规划与实腌、数 据库的结构和表示方法、推理机和解释系统技术设计、系统运行实例以及结论。 第一部分( 第二章) 研究了诊断专家系统的结构及其规划。在w i n d o w s9 8 操作系统环境下，用v i s u a lf o x p r o6 0 计筇机高级语言建立了汽车故障诊断 专家系统的全部程序。 4 江苏大学硕 歼究生论上 第二部分( 第三章) 介绍了本文的汽车故障诊断专家系统的知识的表示方法 以及知识的学习过程。通过用谓词表示法，可以方便推理机进行推理，推理的结 果准确性较高；同时，由于知识的表示有确定性和不确定性，所以产生式表示法 应用于对该类知识的表示。对于知识的学习，从机械学习、采纳建议学习以及示 例学习三个方面进行了介绍。另外，还对动态数据库的建立和维护进行了必要的 介绍。 第三部分( 第四章) 介绍了推理机的原理和本系统推理机的设计思想以及解 释系统的设计。在系统推理方案的设计中是首先采用了演绎推理，为适应对汽车 不确定性故障的诊断分析，特别介绍了模糊推理的理论和实现方法。 第四部分( 第血章) 系统功能的扩展，系统提供服务性故障内容查询、维修 检查参考等。 第五部分( 第六章) 通过实例运行，对系统的可行性、可靠性进行验证。 第六部分( 第七章) 结论部分，总结了本课题所做的工作以及得出的结论和 展望。 汽下故障诊断专客系统研究 第二章汽车故障诊断专家系统的规划及实施 2 1 故障诊断专家系统的规划 汽车故障诊断专家系统首先要解决的是汽车领域的故障诊断问题。建立汽车 故障诊断专家系统围绕这个主题展歼，由于本系统的开发是用v i s u a lf o x p r o 计算机高级语言，所以在组织系统的结构时应充分考虑高级语言的特点和使用要 求。在设计系统时，以推理机作为专家系统的控制机构，它控制从输入、推理求 解，到推理后的结果输出、显示的全过程。包括从知识库检索知识进行推理，反 过来，推理正确的结论又作为新知识存入知识库中；推理的中间结果存储在动念 数据库中，作为下一次推理的知识参加下一次推理；解释系统对推理的过程进行 解释，告诉用户是怎样推出结论的。因此，设计规划汽车故障渗断专家系统应遵 循以上的推理控制过程。 2 2 汽车故障诊断专家系统的构成 汽车故障诊断专家系统由人机接口、推理机、知识库、数据库、知识获取机 构和解释机构六大部分组成。这六个部分又可分为相互联系的几个子系统，包括 知识获取子系统、咨询系统、推理机系统和解释系统。推理机是系统的控制部分， 兼有汽车诊断专家系统的总控功能，协调各子系统之间的工作。 汽车故障诊断专家系统是一个综合多学科、多领域的大型系统性科研项目， 涉及多种理论和工程技术，它是以工程数学、可靠性理论、信息理论为基础，以 电子技术、计算机技术，人工智能技术为手段，以汽车故障为主要研究对象的系 统。其研究课题包含汽车故障机理、诊断理论和方法以及检测技术、诊断技术的 应用研究。 汽车故障渗断专家系统的诊断是依据专家的知识以及来自系统检测到的信 号进行推理分析。专家知识的准确与否、直接地影响到系统的诊断准确性和可靠 性。因此对专家的知识和检测的信号也需要进行实时处理。如何处理专家知识足 一项关键技术。 江嚣人学坝f 酬究生论文 山于汽车故障的复杂性，用一种知识很难准确地表示所有的汽车故障知识。 所以在组织知识的时候，要用到谓词逻辑表示法，产生式表示法。 知识的表示法不同以及知识表示的不完整性，在进行推理的时候，不同的知 识需要有相关的推理机进行推理。本系统推理采用的是基于规则的演绎推理以及 模糊推理。 以往的诊断系统是用表处理语言l i s t 语言和逻辑程序语言p r o l o g 计算 机语言编程的。本文采用一种不同于以前的专家系统丌发语言v i s u a l f o x p r o 6 0 数据库开发语言，进行汽车故障诊断专家系统的丌发。由于v i s u a lf o x p r o 是 一个功能强大的交互式数据管理工具，而且可以创建应用程序来充分发挥其完善 的功能。运用v i s u a lf o x p r o 的面向对象程序设计技术以及事件驱动模型，可 以最大限度地提高程序设计的效率，v i s u a lf o x p r o 将过程化程序设计与面向对 象程序设计结合在一起，帮助用户创建出功能强大、灵活多变的应用程序。 以上技术中，知识的表示及推理机的设计是汽车故障诊断系统的关键组成部 分，也是关键的技术，直接关系到故障诊断专家系统的诊断分析结果的准确性和 可靠性。这两项技术是本文的中心研究内容。 近年来，故障诊断专家系统的丌发在领域内向着更广泛的功能扩展，使系统 具有越来越多的功能，各具特色。因此，本汽车故障诊断专家系统的丌发也同样 考虑到系统的资源需要得到充分的利用，最大限度地服务于生产，产生效益。在 功能扩展上，利用知识库中已经存在的强大数掘资源，开发了用于车辆维修的内 容检索及其指导性检修的工具。避免在查找问题时遍地开花。节省了大量的时h j 和精力。 不同的专家系统，其功能和结构各不相同。汽车故障诊断专家系统的基本结 构是根据汽车故障的发生机理和诊断故障的过程特点，采用有利于知识的收集以 及推理的结构。该汽车故障诊断专家系统的组成框图如图2 1 所示，它包括人机 接口、推理机、知识库、动念数掘库、知识获取子系统和解释系统。 7 汽f 故障诊断专，家系统研究 2 3 系统界面 幽2 1汽下故障诊断专家系统框| 鳘1 人机接口是汽车故障诊断专家系统与汽车诊断专家知识工程师及一般用户 交流、对话的界面，它由相应的软件组成，用于输入及输出工作。该汽车故障诊 断专家系统是基于w i n d o w9 8 操作系统，用m i c r o s o f tv i s u a lf o x p r o6 0 数据 库开发平台丌发的汽车故障诊断专家系统。系统具有友好的用户界面，系统启动 界面如图2 2 所示。 本系统可以不依赖丌发平台独立运行。因为在进行程序的设计时，对所有程 序进行了编译，形成扩展名为e x e 的可执行程序。本系统是在p e n t i u m1 6 6 m h z 的p c 机完成开发的，并且在p e n t i u mi v1 g h z 的p c 机上运行通过，系统具 有好的兼容性。 江嚣人学坝卜研究生论史 幽2 2汽车故障诊断专家系统启动界面 本系统主要包含以下功能： l 、诊断启动。子功能有诊断开始、退出 2 、数据库管理。子功能有知识库管理和动态数据库管理。知识库管理包含 知识库更新、知识库追加及知识库学习；动态数掘库管理包含动念数据 库更新和动态数据库查询。 3 、系统工具。子功能有数据库查询、现场问题诊断辅助工具以及选项。 4 、系统帮助。含有系统帮助信息内容等。 2 3 1 汽车故障诊断专家系统程序设计的方法及说明 在进行故障诊断程序的设计时，采用的是友好人机输入界面，所有总成的输 入是在下拉式文本框内选择，如图2 3 所示。避免了对同一总成名称的多种输入， 减少了输入的工作量以及录入数掘错误的可能性，提高了诊断结果判定的可靠 性。 9 汽车故障谚断容系统研究 图2 3 汽车故障诊断专家系统总成选定界面 2 3 2 故障现象的输入界面 故障现象的输入界面如图2 4 所示。在设计输入故障现象时，考虑了输入描 述语句的随机性。因此在对输入的故障现象进行处理时，就必须用遍寻法进行搜 索，找到匹配的数掘进行推理判断。另外，故障现象的输入总是要有一定的舰范， 系统录入人员需要进行相关内容的培训，或者有从事相关工作的经验。 图2 4故障现象输入窗口 0 江嚣人学蟛! t 研究生论史 2 3 3 推理方式选择 推理方式的选择如图2 5 所示。 图2 5推理方式选择窗口 由于故障现象的输入决定了故障原因的输出，为保证在进行推理时推理机的 正确选择，也为了对推理的结果有不同的选择，在进行程序设计时考虑了有选择 的进行推理，所以设计了此输出选择界面。 2 3 4 故障现象选择窗口 在进行推理时，由于故障现象输入的专业化水平的不同，所以输入故障现象 的描述用词有较大的差异，为此在接受输入后，计算机根据数掘库已有的故障现 象进行比较，然后挑选最能满足输入故障现象的记录进行匹配，并将匹配的结果 ， 显示在图2 6 所示的界面上，用户进行有针对性地进行选择。根掘用户的选定结 果进行推理，得出结论。在选择故障现象时，点击左边的选择按钮来完成。 汽乍敞障诊断专家系统研究 图2 6故障现象选抒窗口 2 3 5 诊断结果的输出 诊断结果的输出，包含了诊断结论及其诊断的相关内容。为使诊断结果的输 出有不同的选择，在进行程序的设计时，选择同意结论与否的按钮，反复进行诊 断，直至找到准确的结果为止。诊断结果的输出如图2 7 所示。 图2 7故障诊断结果输出窗口 江器大学硕t 研究生论文 在取得诊断结论后。应该对诊断结果进行必要的解释，使用户明白诊断系统 的工作过程以及如何推理出该结论。所以设计有解释输出窗口和打印所有输出结 果的功能，如图2 8 所示。 2 3 6 数据库的维护 幽2 , 8诊断结粟解释窗口 数据库的维护是汽车故障诊断专家系统的一项重要的功能，因为它关系到整 个诊断系统的组织结构的完整性、可利用性等方面。知识库又是系统的核心数掘 库，它需要不断地充实和完善，因此对知识库的维护显得尤为重要。在本系统的 设计中充分地考虑了对知识库的追加、更新以及查询等功能的发挥。如图2 9 、 图2 1 0 所示。同时，动态数掘库也需要进行维护，它存储了系统诊断的中l 日j 过 程和诊断结论，并为知识库提供珍断过程中产生的专家性的知识，即可靠的结论。 因此对动态数掘库的操作方面也做了适当的设计。 汽卞故障诊断专家系统研f 究 图2 9知识库的追加窗口 图2 1 0知识库更新窗口 4 江嚣人学碍! 研究牛论文 2 3 7 诊断专家系统的工具 系统工具包含数据库查询工具和现场故障分析工具。数据库查询又包含知识 图2 1 1知识库查询窗口 库查询和动态库查询，如图2 1 1 、2 1 2 所示。现场故障分析工具如图2 1 3 所示。 幽2 1 2动态庠卉洵窗口 汽下故障诊断专家系统研究 图2 1 3系统辅助分析故障窗口 6 江荞大学坝l 研究生论史 第三章系统数据库 3 1 知识库的结构及知识的表示规则 3 1 1 简介 知识库是知识的存储空b 】，用于存储汽车领域内的原理性知识、专家的经验 及有关的事实等。知识库的知识来源于知识获取机构，同时它又为推理机解题提 供所需的知识。知识库管理系统负责对知识库中的知识进行组织、检索、维护等 操作。汽车故障诊断专家系统中其它任何部分要与知识库发生联系，都必须通过 知识库管理系统来完成。这样就实现了对知识库的统一管理与使用。 由于本系统是采用的v i s u a lf o x p r o6 0 数掘库语言丌发的，所以知识库 的结构设计，是依据数据库语言的规则进行的。其数据结构设计如下所示： 零部件名称( l j m c ) ：以各总成的名称为依据输入，汉字输入字数不超过 2 0 个。 故障现象( g z x x ) ：此内容可根掘用户的需要进行随意输入，汉字输入字 数不得超过1 5 个。 故障部位( g z b w ) ：输入故障发生的实际部位，汉字输入字数不得超过2 0 个。 重要度( p b ) ：该故障的发生对该总成损坏的重要程度( o 1 o ) ，四位数字， 、 两位小数。 以上四个字段的命名，有利于对知识库中的知识进行有效的处理，对诊断问 题的求解减少走弯路是有帮助的。同时也为动态数据库的生成打好了基础。 3 1 2 知识的表示 知识是人们在长期生活和社会实践活动中、科学研究及实验中积累起束的对 客观世界的认识与经验。知识具有相对j 下确性，即在一定条件和环境下，知识爿 是正确的；知识具有不确定性，表现为知i j 是有关信息关联在一起形成的信息结 构，信息可能足精确的，也可能是不精确的、模糊的。关联可能足确定的，也呵 汽车故障诊断专家系统研究 能是不确定的，这就是知识的不确定性；知识还表现为可表示性和可利用性，可 表示性是对知识的一种描述、一种约定或是一种数据结构，可利用性是将知识迸 行存储、检索、使用及修改。 本汽车故障诊断专家系统对知识的表示采用了谓词逻辑表示法和产生式表 示法两种方法。 l 、谓词逻辑足一种语言表达形式，它是表达人类思维活动规律的一种最精确的 语言它与人的自然语言比较接近，因而它具有方便、灵活、准确、通用以及可 读性好等优点。同时，用谓词逻辑表示知识，便于进行推理，这种推理包括隐含 推理及消解推理。 谓词逻辑适合于表示事物的状态、属性、概念等事实性的知识，也可用来 表示事物间确定的因果关系。事实通常用谓词公式“与”、。或”形式表示。与”、 “或”形式是指用舍取符号( a ) 及析取符号( v ) 连接起来的公式。规则通常 用蕴含式表示。如：。如果x ，则y ”表示为：x y 。 用谓词公式表示知识时。需要首先定义谓词，指明每个谓词的确切含义， 然后用连接词把有关的谓词连接起来，形成一个谓词公式表达一个完整的含义。 例如：a ( d ，x ) d - 发动机，x 一开始怠速不正确 b ( d ，x ) x 一怠速转速太高 c ( d ，x ) x - 燃油消耗过大 p ( d ，x ) x - 加速踏板拉杆故障 用谓词公式表示如下： ( vx ) ( p ( d ，】( ) ，a ( d ，x ) v b ( d ，x ) v c ( d ，x ) 谓词是一种形式语言系统，它用逻辑的方法研究推理的规律，即条件与结 论之间的蕴涵关系，其表示知识的方法具有以下优点：自然性。用一阶谓词来表 示知识比较容易理解，谓词逻辑的真值只有“真”与“假”，所以它可以表示精 确的知识，并能保证演绎结果的正确性：谓词逻辑具有严格的形式定义及推理规 则。利用这些推理规则及有关定理证明技术可以从己知的事实推出新的事实，或 证明做出的假设；容易实现，用谓词逻辑表示的知识能容易地转换为计算机的内 部形式，易于模块化，便于对知识的增加、删除及修改。 l g 江靠夫学坝卜研究生论文 程序结构如下： i fa ( d ，x ) a n d b c d ，) ( ) a n d c ( d ，均 p = - p ( d ，x ) e n d i f 2 、产生式表示法即规则表示法，由于各规则之间相互独立，对知识库的修改、 扩充特别有利。 通常用于表示因果关系的知识，它的基本形式为 x y 或 i fxl h e ny 其中，x 是产生式的 i 提，用于指出该产生式规则的条件。y 是一组结论或 操作，用于指出当前提条件满足时应该得出的结论或应该进行的操作。 例如：i f 常温起动困难，怠速运转不灵活，缺火( 怠速不稳) ，加速时发抖( 加 速性差1 ，发动机喘振轻轻摇动，踏下油门踏板后失速，燃油消耗过大，发动机 不能起动或起动困难，燃油消耗过多，t h e n 火花塞故障0 6 ( 可信度) 在该规则中，前提可以是简单条件，也可以是复合条件，复合条件是由简单 条件组合而成。同时，前提和结论可以是精确的，也可以是不精确的。产生式表 示法具有自然性，它用“如果则”的形式表示知识，是人们常用来表示 因果关系的一种形式，此方法既直观、自然，又便于推理；产生式规则是规则库 中最基本的知识单元，它们同推理机构相对独立，而且每条规则部具有相同的形 式，这样便于对其进行模块化处理，为知识的增加或删除带来了方便，使知识库 容易维护和管理；该规则既可表示确定性知识，又可表示不确定性知识，所以它 有利于表示启发性知识和过程性知识：另外，产生式有固定的格式，每一条产生 式规则都足由前提条件和结论这两部分组成的，每一部分所含的知识量比较少， 不仅方便了对规则库进行设计，也便于对规则库中的知识进行一致性和完整性检 测。 产生式规则是目前表示知识最成功的方法之一，但它还存在一些不足。在产 生式系统求解过程中，首先要用产生式的的提与数据库中的已知事实进行匹配。 9 汽下故障诊断专家系统研究 如果事实与规则都很多，则匹配运行相当缓慢，因而运行效率较低；另一方面， 产生式规则不适合于表示事物的结构关系，不能把具有结构关系事物问的区别与 联系表示出来。所以，产生式规则表示方法除了可以独立作为一种知识表示模式 外，还必须经常与其它表示法结合起来表示特定领域的知识。 程序结构如下： i f a = b t h e n c d = 0 6 3 2 动态数据库结构及表示方法 3 2 1 动态数据库结构 动态数据库是用于存放用户提供的初始事实、问题描述以及系统运行过程 中的中问结果、最终结果等的工作存储器。该数掘库的内容是不断变化的：在求 解问题开始时，它存放的是用户提供的初始事实；在推理过程中，它存放每一步 的推理结果。推理机根据动态数据库的内容从知识库选择合适的知识进行推理， 然后又把推理的结果存放在动态数掘库中。动态数据库是推理机不可缺少的工作 场所，同时，它又为解释机构提供了回答用户问题的依掘。该数掘库的结构如下 所示： 零部件名称( l j m c ) ：4 0 字符长度，表述诊断的零部件的名称。 故障现象集合( g z x x ) ：备注型字段，表述诊断结论所对应的全部故障现 象的集合。用备注型字段存储变化不定的字段长 度。 中间结果( z j j g ) ：备注型字段，用以存放在诊断推理过程中的中日j 结果。 诊断结果( j g ) ：4 0 字符长度，用于存放诊断推理的最终结果。 解释内容( j s n r ) ：备注型字段，用于存储说明诊断过程，说明诊断结论的 依据与哪些因素相关联、推理方式的选择以及结论 的町信度等数掘。 设计此结构的目的是为了与知识库的表示方法相适应。故障现象的集合是为 对同一故障原因而有多个故障现象的综合描述。也是为了在诊断过程中，对输入 江器人学颀 匐f 究生论正 单一故障现象的故障的补充，从而保证了诊断结果的准确性。 3 2 2 动态数据库的表示方法 在故障诊断过程中，推理机将用户的输入作为推论的入口，检索知识库的知 识与之匹配，利用匹配的成功率的大小作为下一次推理的入口。同时，将匹配的 结果存入动态数掘库的中日j 结果中。推理机依据一定的策略：比如演绎推理的j 下 反向推理进行推理，得出推理的结论，显示出来。如果推理的结论，用户不予以 接受，则放弃推理的结论，清空中日j 结果，有选择地进行下一次推理，并更改推 理方式，存储中自j 结果，直至推出满意的结果。系统将结果存入动态数据库中， 并对推理的过程应用的方法及措施存入动态库中，便于系统的输出和查询。 3 3 知识获取的方式 3 3 1 知识获取技术 知识获取机构是一组程序。它的基本任务是把知识输入到知识库中，并负责 维护知识的一致性和完整性。本系统的知识获取是由知识工程师向汽车领域专家 获取知识，然后通过输入界面“知识库的维护”把知识送到知识库中。有三种方 式：知识库追加，直接向知识库添加知识来源；知识库学习，通过对问题的求解， 产生新的知识，自动追加到知识库中去：知识库更新，对知识库中陈旧的、过时