一種電子設(shè)備故障庫(kù)的設(shè)計(jì)

摘要：故障庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心，體現(xiàn)著專家系統(tǒng)水平的高低。從故障庫(kù)技術(shù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建方法出發(fā)，對(duì)電子設(shè)備多故障診斷信息進(jìn)行歸納、總結(jié)，針對(duì)某電子設(shè)備構(gòu)建了一種故障庫(kù)并對(duì)其推理過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方法為電子裝備故障診斷快速性和準(zhǔn)確性上提供了一條有效途徑。
關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)；故障庫(kù)；診斷信息；推理機(jī)

0 引言
    故障診斷專家系統(tǒng)是診斷領(lǐng)域引人注目的發(fā)展方向之一，也是研究最多、應(yīng)用最廣的一類智能診斷技術(shù)，主要用于那些沒有精確數(shù)學(xué)模型或很難建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)。大致經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段，即基于淺知識(shí)的第一代故障診斷專家系統(tǒng)和基于深知識(shí)的第二代故障診斷專家系統(tǒng)?；跍\知識(shí)(人類專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí))的故障診斷系統(tǒng)是以領(lǐng)域?qū)＜液筒僮髡叩膯l(fā)性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為核心，通過(guò)演繹推理或產(chǎn)生式推理來(lái)獲取診斷結(jié)果?；谏钪R(shí)(診斷對(duì)象的模型知識(shí))的故障診斷系統(tǒng)要求診斷對(duì)象的每一個(gè)環(huán)節(jié)具有明確的輸入輸出表達(dá)關(guān)系，診斷時(shí)首先通過(guò)診斷對(duì)象的實(shí)際輸出與期望輸出之間的不一致，生成引起這種不一致的原因集合，然后根據(jù)診斷對(duì)象領(lǐng)域中的第一定律知識(shí)(具有明確科學(xué)依據(jù)的知識(shí))及其內(nèi)部特定的約束關(guān)系，采用一定的算法，找出可能的故障源。在故障診斷專家系統(tǒng)中，故障庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心，體現(xiàn)著專家系統(tǒng)水平的高低，但故障庫(kù)的建造或故障知識(shí)的獲取也成為建立專家系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題。

1 故障庫(kù)建造步驟
    故障庫(kù)的設(shè)計(jì)是建立專家系統(tǒng)最重要和最艱巨的任務(wù)。初始知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)包括問(wèn)題知識(shí)化、知識(shí)概念化、概念形式化、形式規(guī)則化和規(guī)則合法化。問(wèn)題知識(shí)化，即辨別所研究問(wèn)題的實(shí)質(zhì)；知識(shí)概念化，即概括知識(shí)表示所需要的關(guān)鍵概念及其關(guān)系；概念形式化，即確定用來(lái)組織知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式；形式規(guī)則化，即編制規(guī)則，把形式化了的知識(shí)變換為由編程語(yǔ)言表示的可供計(jì)算機(jī)執(zhí)行的語(yǔ)句和程序；規(guī)則合法化，即確認(rèn)規(guī)則化了的知識(shí)的合理性，檢驗(yàn)規(guī)則的有效性。
    故障庫(kù)的建立首先是通過(guò)知識(shí)工程師從測(cè)試設(shè)備領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@得或者通過(guò)在診斷過(guò)程中從用戶那里獲得知識(shí)，然后通過(guò)知識(shí)獲取模塊把知識(shí)送到知識(shí)庫(kù)。知識(shí)獲取的主要困難在于如何恰當(dāng)?shù)匕盐疹I(lǐng)域?qū)＜宜褂玫母拍?、關(guān)系和問(wèn)題的求解方法。根據(jù)專家提供的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和測(cè)試設(shè)備的特點(diǎn)，通過(guò)直接獲取方式、交互獲取方式獲取有價(jià)值的診斷信息。
    故障庫(kù)的建立是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，所以必須要按照一定的方法和步驟。通常情況下按照如圖1所示的步驟從現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資料中提取有關(guān)原理的定性知識(shí)，并將這些知識(shí)歸納成規(guī)則形式。下面對(duì)圖1所示的各步驟分別加以說(shuō)明：
    (1)功能，結(jié)構(gòu)層次分解。由于現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模塊化設(shè)計(jì)思想，所以電子產(chǎn)品在功能和結(jié)構(gòu)上具有明顯的層次性，因此要提取電子設(shè)備的故障診斷知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解是必要的。
    (2)建立部件正常功能描述。對(duì)于每一個(gè)上面劃分的部件，有必要對(duì)其正常工作邏輯進(jìn)行定性說(shuō)明。
    (3)確定各部件的測(cè)試點(diǎn)集。測(cè)點(diǎn)分為部件輸入測(cè)點(diǎn)和部件輸出測(cè)點(diǎn)，在對(duì)某個(gè)部件P進(jìn)行診斷時(shí)，只有其全部輸入信號(hào)都正常，才可以根據(jù)輸出來(lái)判斷該部件是否故障。
    (4)確定部件可能故障集。對(duì)以上劃分的單元分別進(jìn)行故障分析，對(duì)于部件，首先要確定其有可能出現(xiàn)的故障類型，部件P的可能故障集的確定可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、FMEA分析結(jié)果以及器件資料等多方面搜集。
    (5)建立定性影響關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于部件P，先確定每一故障e所帶來(lái)的輸出表征，即輸出測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一種組合。然后，對(duì)部件P的所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，一類表示部件自身故障所測(cè)試的數(shù)據(jù)，記為PSO；非自身故障引起(由輸入異常引起)的故障歸到另一類，記為PUO。當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)W∈PSO時(shí)，故障診斷結(jié)果可以確定就是部件P；當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)W∈PUO時(shí)，需要對(duì)部件P的輸入進(jìn)行測(cè)試，由于部件P的輸入又是其他部件的輸出，因此，可以逐級(jí)推理，直至將故障定位在某一個(gè)或幾個(gè)部件上。

    (6)將故障影響關(guān)系網(wǎng)絡(luò)歸納成規(guī)則形式。將上面因果分析得到的結(jié)果轉(zhuǎn)化成兩種規(guī)則形式：
    IF W∈PSO THEN P 故障；
    IF W∈PUO THEN 對(duì) P 的輸入進(jìn)行測(cè)試；
    (7)將規(guī)則寫入故障庫(kù)，通過(guò)一般知識(shí)庫(kù)編輯系統(tǒng)可以很容易將上面的規(guī)則寫入到故障知識(shí)庫(kù)中。

2 故障庫(kù)的設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集與知識(shí)的獲取
    數(shù)據(jù)采集在故障診斷系統(tǒng)中占據(jù)重要角色。對(duì)于診斷系統(tǒng)而言，采集的信息越多，越容易對(duì)故障進(jìn)行定位和判斷，為此系統(tǒng)將增加必要的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)為減小伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，根據(jù)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)和專家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，利用伺服系統(tǒng)自身必需的硬件連接，增加少量硬件設(shè)計(jì)，可以組成診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。
    系統(tǒng)知識(shí)采用產(chǎn)生式(Production Rules)表示法，又稱為規(guī)則表示法。產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，其基本形式是P→Q，或者IF P THEN Q。其中，P代表?xiàng)l件，如前提、狀態(tài)、原因等；Q代表結(jié)果，如結(jié)論、動(dòng)作、后果等。其含義是：如果P前提被滿足，則可推出Q結(jié)論或執(zhí)行所規(guī)定的動(dòng)作。把一組產(chǎn)生式放在一起，讓它們互相配合，協(xié)同作用，一個(gè)產(chǎn)生式生成的結(jié)論可以供另一個(gè)產(chǎn)生式作為前提使用，以這種方式求得問(wèn)題的解決，這樣的系統(tǒng)就稱為產(chǎn)生式系統(tǒng)，也稱之為基于規(guī)則的系統(tǒng)。
    對(duì)于多因素故障，采用故障樹來(lái)表示，故障樹模型體現(xiàn)了故障傳播的層次和子、父節(jié)點(diǎn)間關(guān)系的因果性，故障樹上某一子節(jié)點(diǎn)是父節(jié)點(diǎn)的故障源，因此利用故障樹的節(jié)點(diǎn)關(guān)系，根據(jù)故障現(xiàn)象來(lái)確定故障原因。
2．2 數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)
    為了使知識(shí)在計(jì)算機(jī)中發(fā)揮作用，以產(chǎn)生問(wèn)題求解的能力，必須把經(jīng)形式化后的各種知識(shí)實(shí)體表示成計(jì)算機(jī)的內(nèi)部形式，還要建立必要的解釋機(jī)制和良好的用戶界面。該系統(tǒng)采用Access 2003數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)創(chuàng)建知識(shí)庫(kù)，利用Access 2003構(gòu)建系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，能使知識(shí)庫(kù)搜索更加高效，管理更加方便。
    知識(shí)庫(kù)包括四個(gè)表，它們分別是主故障模式表、事實(shí)表、測(cè)試點(diǎn)表和規(guī)則表。
    主故障模式表用來(lái)存放測(cè)試設(shè)備中主要的故障類型。表的結(jié)構(gòu)為Module(FaultName，Child)，其中，F(xiàn)aultName為故障類型的名稱，Chi-ld為此故障類型對(duì)應(yīng)的征兆表的名稱。如表1所示。

    事實(shí)表包括征兆表和結(jié)論表，兩表的結(jié)構(gòu)相同。表的結(jié)構(gòu)為Fact(Name，ID)，其中，Name為故障征兆(結(jié)論)的名稱，ID為故障征兆(結(jié)論)的編碼。如表2所示。

    測(cè)試點(diǎn)表用來(lái)存放測(cè)試通道中的測(cè)試點(diǎn)。表的結(jié)構(gòu)為Test_Point(PointName，PCBName，X，Y，ID，ToneName，Solution)，其中，Point Name為測(cè)試點(diǎn)的名稱，PCBName為測(cè)試通道的PCB圖文件，X為測(cè)試點(diǎn)的橫坐標(biāo)，Y為測(cè)試點(diǎn)的縱坐標(biāo)，ID為測(cè)試點(diǎn)的編碼，ToneName為測(cè)試通道的名稱，Solution為對(duì)故障采取的解決措施。如表3所示。

    規(guī)則表包括淺知識(shí)規(guī)則表和深知識(shí)規(guī)則表，兩表的結(jié)構(gòu)相同。規(guī)則表用來(lái)存放規(guī)則前件和后件的編碼。推理機(jī)的內(nèi)部工作過(guò)程是利用事實(shí)編碼進(jìn)行前件的匹配，利用綜合數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)推理過(guò)程中的前件和后件進(jìn)行記錄。在推理過(guò)程中的事實(shí)編碼和最終結(jié)果的編碼都可以在事實(shí)表中找到與之對(duì)應(yīng)的名稱。表的結(jié)構(gòu)為(ID，Condition_number，Conclution_number，sig1，sig2，…，sig10，con1，con2，…，con10)，其中，ID為規(guī)則的編號(hào)，Condition_number為規(guī)則前提條件的個(gè)數(shù)，Conclution_number為規(guī)則結(jié)論的個(gè)數(shù)，sig1，sig2，…，sig10用來(lái)存儲(chǔ)規(guī)則的前提，con1，con2，…，con10用來(lái)存儲(chǔ)規(guī)則的結(jié)論。如表4所示。

3 推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)
    在測(cè)試設(shè)備故障診斷中最重要的是推理機(jī)，對(duì)于確定性的知識(shí)，采用專家系統(tǒng)中正向推理的方式進(jìn)行推理。對(duì)于具有不確定的、模糊的信息，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理。推理機(jī)通過(guò)建立類EsReason實(shí)現(xiàn)，以下是在該類中定義的主要指針、數(shù)組、變量及函數(shù)，此類結(jié)構(gòu)如下：
     
     
    其中，* Major，* Siga1，* Conctution，* point以及* Rule定義指向主故障模式表、征兆表、結(jié)論表、測(cè)試點(diǎn)表及規(guī)則表的結(jié)構(gòu)指針，便于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各表數(shù)據(jù)的記錄及訪問(wèn)。通過(guò)建立BOOL型成員函數(shù)ConnectionDb和LoadTable來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接及加載。在加載數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，通過(guò)設(shè)置SQL語(yǔ)言為打開各個(gè)數(shù)據(jù)表做準(zhǔn)備，然后調(diào)用記錄集指針的成員函數(shù)Open打開各個(gè)表中的各條記錄。通過(guò)記錄集指針的移動(dòng)記錄各個(gè)表中記錄集的數(shù)目，然后根據(jù)記錄集指針的移動(dòng)把各表中的記錄存到申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存中。
    綜合數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)數(shù)組Current Conditions[100]和Current Conclusions[100]實(shí)現(xiàn)，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)記錄推理過(guò)程中的初始條件、中間結(jié)果及最終結(jié)論的編碼，方便推理機(jī)通過(guò)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)里的內(nèi)容進(jìn)行正向推理，通過(guò)CString類型的變量program記錄推理過(guò)程中用到的規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)推理過(guò)程中的解釋功能。
    在類EsReason中核心的函數(shù)是Reasoning和NEWff，Reasoning函數(shù)的工作過(guò)程為：把綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)作為初始條件，與規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則前件進(jìn)行匹配；當(dāng)規(guī)則被激活，通過(guò)這些激活的規(guī)則，推理函數(shù)把結(jié)論放到綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中繼續(xù)推理，直到再?zèng)]有其他規(guī)則的前件能與綜合數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的事實(shí)相匹配為止。在推理過(guò)程中用到一個(gè)很重要的BOOL型的成員變量Rule_Used記錄用過(guò)的規(guī)則，這樣可以避免在推理過(guò)程中出
現(xiàn)死循環(huán)。NEWff函數(shù)的工作過(guò)程可選取合適的推理決策邏輯進(jìn)行推理來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)化診斷。

4 結(jié)語(yǔ)
    由于現(xiàn)代電子設(shè)備的自身特性和環(huán)境因素等復(fù)雜條件的限制，傳統(tǒng)的故障診斷方法難以滿足診斷要求。基于故障庫(kù)的智能故障診斷方法依靠對(duì)設(shè)備原理的定性分析，充分利用現(xiàn)有的各種設(shè)計(jì)技術(shù)資料，無(wú)需為了量化處理的需要而將實(shí)際問(wèn)題過(guò)分簡(jiǎn)化，比依賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的定量分析方法更接近于工程實(shí)際情況。針對(duì)電子設(shè)備提出了一種電子設(shè)備故障庫(kù)的故障實(shí)現(xiàn)方案，可以有效地進(jìn)行故障定位并提出維修指導(dǎo)意見，有效地提高了普通維修人員的故障診斷能力和維修效率。