Win CE平臺(tái)下嵌入式故障診斷專家的設(shè)計(jì)

當(dāng)各種設(shè)備應(yīng)用與管理系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，準(zhǔn)確而快速地進(jìn)行故障診斷定位，對(duì)于系統(tǒng)的恢復(fù)，具有十分重要意義。然而，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備故障的原因很多，在現(xiàn)場(chǎng)分析、判斷和處理故障時(shí)，往往依賴于維修人員對(duì)設(shè)備機(jī)理的把握程度和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致故障定位不準(zhǔn)，維修時(shí)間較長(zhǎng)。故采用故障樹(shù)分析法建立檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)，以此來(lái)引導(dǎo)維修人員以專家的思維模式對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)修理，提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性。這種檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)即為專家系統(tǒng)。本文以串口通信故障檢測(cè)為例，設(shè)計(jì)了一種嵌入式專家系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式WinCE以及SQLite，達(dá)到引導(dǎo)檢測(cè)的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 專家系統(tǒng)簡(jiǎn)介

專家系統(tǒng)（ES）是人工智能領(lǐng)域最活躍和最廣泛的領(lǐng)域之一[1]。自從1965 年第一個(gè)專家系統(tǒng)Dendral 在美國(guó)斯坦福大學(xué)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40年的開(kāi)發(fā)，各種專家系統(tǒng)已遍布各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。目前，專家系統(tǒng)得到了更廣泛的應(yīng)用，并在應(yīng)用開(kāi)發(fā)中得到進(jìn)一步發(fā)展。所謂專家系統(tǒng)就是使用人類專家推理的計(jì)算機(jī)模型來(lái)處理現(xiàn)實(shí)世界中需要專家作出解釋的復(fù)雜問(wèn)題，在沒(méi)有專家參與的情況下得出與專家相同的結(jié)論。簡(jiǎn)言之，專家系統(tǒng)可視作“知識(shí)庫(kù)”和“推理機(jī)”的結(jié)合，知識(shí)庫(kù)是專家的知識(shí)在計(jì)算機(jī)中的映射，推理機(jī)是利用知識(shí)進(jìn)行推理的能力在計(jì)算機(jī)中的映射，構(gòu)造專家系統(tǒng)的難點(diǎn)也在于這兩個(gè)方面。

1.2 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的智能專家系統(tǒng)包括用戶界面、數(shù)據(jù)庫(kù)以及模塊化的程序。應(yīng)用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)的存儲(chǔ)以及人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)推理解釋。故障樹(shù)節(jié)點(diǎn)的所有信息均存儲(chǔ)在SQLite中，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)的邏輯關(guān)系以此取代推理機(jī)，達(dá)到引導(dǎo)檢測(cè)的目的[2]。

1.3 系統(tǒng)工作機(jī)制

專家系統(tǒng)的組織控制機(jī)構(gòu)（即推理機(jī)）根據(jù)當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行知識(shí)庫(kù)中的相應(yīng)知識(shí)，按一定策略進(jìn)行推理，以達(dá)到要求的目標(biāo)。本文專家系統(tǒng)中，推理機(jī)根據(jù)用戶參與選擇后的故障信息，在知識(shí)庫(kù)內(nèi)尋找能與之匹配的故障樹(shù)結(jié)點(diǎn)事件，每步推理都以用戶反饋信息為依據(jù)，沿故障樹(shù)脈絡(luò)進(jìn)行正向推理，逐步縮小故障范圍，直至完成故障源定位。專家系統(tǒng)工作流程如圖1所示。


2 專家?guī)煸O(shè)計(jì)

故障樹(shù)分析FTA（Fault Tree Analysis）是一種演繹推理方法， 將系統(tǒng)可能發(fā)生的故障和故障原因由總體到部分按樹(shù)狀逐漸細(xì)化的圖形演繹方法， 通過(guò)對(duì)故障樹(shù)的定性和定量分析， 判明故障原因并可得出引發(fā)故障的相關(guān)因素的相關(guān)重要度[3]。故障樹(shù)是用于系統(tǒng)可靠性分析和故障診斷的一種圖形化故障模型，而基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)的目標(biāo)是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)綜合利用各種診斷信息，根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，通過(guò)推理確定系統(tǒng)的故障模式，推斷出故障部位和故障原因，最后提出排除故障的方法和維修建議。故障樹(shù)建立時(shí)，將最不希望發(fā)生的故障作為頂事件； 位于故障樹(shù)底部， 導(dǎo)致其他事件的、不可再分的原因事件為底事件，其他事件都是中間事件。各事件間相互關(guān)系通過(guò)“與”門(mén)、“或”門(mén)、“非”門(mén)等邏輯門(mén)表示。

2.1 SQLite移植

從SQLite官方網(wǎng)站下載最新版本的SQLite，解壓獲得sqlite3.c、sqlite3.h、sqlite3ext.h三個(gè)源文件，還要下載一個(gè)基于Windows平臺(tái)的edll壓縮文檔，解壓獲取sqlite3.def，最后下載一個(gè)支持命令行的版本文件，解壓獲得sqlite3.exe。然后生成工程：用VS2005新建DLL工程，選擇智能設(shè)備在定制WinCE生成的SDK(如mini2440-CE6-SDK)，把解壓出來(lái)的源文件加入工程中。最后設(shè)置工程屬性后編譯：編譯后便可生成適合設(shè)備平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)使用文件sqlite3.lib、sqlite3.dll。以后只要把sqlite3.dll放到與工程相同的目錄下，在工程鏈接的額外依賴中加入sqlite3.lib，然后在需要使用數(shù)據(jù)庫(kù)的源文件中加入include“sqlite3.h”，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)就可以使用了。

2.2 故障樹(shù)的構(gòu)建

基于故障樹(shù)的推理是指利用故障現(xiàn)象信息和故障樹(shù)節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系進(jìn)行推理，利用異常節(jié)點(diǎn)作為推理的起始點(diǎn)，利用輔助信息進(jìn)行假設(shè)排除，最終確定故障原因。在進(jìn)行故障診斷之前，系統(tǒng)要構(gòu)造故障樹(shù)，故障樹(shù)的作用主要用于診斷過(guò)程的剪枝，即縮小狀態(tài)空間的搜索范圍，以提高系統(tǒng)工作效率。將數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有規(guī)則組織成若干棵樹(shù)，每棵樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)故障現(xiàn)象或輔助信息，非葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)故障結(jié)論，父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的關(guān)系構(gòu)成規(guī)則，在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄故障樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)層次、節(jié)點(diǎn)關(guān)系、葉子節(jié)點(diǎn)等信息。設(shè)置系統(tǒng)變量，用于判斷系統(tǒng)是否進(jìn)行過(guò)規(guī)則更新操作，在啟動(dòng)系統(tǒng)、退出規(guī)則維護(hù)界面和調(diào)用故障診斷功能時(shí)都進(jìn)行判斷，及時(shí)提示用戶進(jìn)行故障樹(shù)的更新處理[4]。

串口無(wú)法通信或者通信過(guò)程中出現(xiàn)異常,就要對(duì)整體或者串口通信過(guò)程中的某個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行故障診斷。串口通信的實(shí)現(xiàn)需要如下幾個(gè)模塊：數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、物理鏈路、中央處理單元、串口擴(kuò)展板以及電源。故障主要有數(shù)據(jù)發(fā)送模塊故障、接收模塊故障以及串口擴(kuò)展板故障三部分。在工作中，無(wú)論哪部分模塊發(fā)生故障都將影響到整個(gè)通信過(guò)程。根據(jù)故障關(guān)系以及檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖2所示的串口通信故障樹(shù)。


2.3 故障二叉樹(shù)的建立

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于存儲(chǔ)以二維數(shù)據(jù)表為模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文將故障樹(shù)壓縮存儲(chǔ)來(lái)降低檢索算法的時(shí)空復(fù)雜度。

一般的樹(shù)形dp都有這樣的模型：f[x，y]=min{f[x1][y1]，f[x2][y2]，……f[xm][ym]}給每個(gè)兒子分配多少就需要枚舉了，這種做法比較慢。但是如果轉(zhuǎn)化為為二叉樹(shù)之后，dp模型一般都是這樣：f[x，y]=min{f[left[x]，y1]，f[right[x]，y]}，則變?yōu)榻o一個(gè)兒子進(jìn)行分配就可以了，而且轉(zhuǎn)化之后還有一個(gè)很有用的性質(zhì)，即原樹(shù)和二叉樹(shù)的前序遍歷相同，可以利用這個(gè)性質(zhì)進(jìn)行一些優(yōu)化。而且在某些情況下，通過(guò)前序可以把樹(shù)形dp轉(zhuǎn)化為在線性表(如數(shù)組中的dp)，這樣許多轉(zhuǎn)移方程就可以繼續(xù)優(yōu)化，所以在樹(shù)的算法中把樹(shù)轉(zhuǎn)化為某種線性序可以大大優(yōu)化模型，使其算法變得更簡(jiǎn)單高效。本著這種原則，本專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的SQLite表如表1所示。建立表之前，根據(jù)樹(shù)轉(zhuǎn)二叉樹(shù)的算法對(duì)每個(gè)故障現(xiàn)象進(jìn)行編號(hào)，表1中，NODE代表節(jié)點(diǎn)號(hào)；TEXT表示節(jié)點(diǎn)的故障現(xiàn)象；YESTO、NOTO表示判斷后將要跳轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)；NRANK表示節(jié)點(diǎn)等級(jí)，根節(jié)點(diǎn)等級(jí)為0，過(guò)度節(jié)點(diǎn)等級(jí)為1，當(dāng)節(jié)點(diǎn)等級(jí)為2(即葉子節(jié)點(diǎn))時(shí)，表示測(cè)試結(jié)束并給出是否保存結(jié)果的提示。

WinCE下讀取數(shù)據(jù)庫(kù)信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行專家診斷的核心代碼如下：
if(atoi(sqlite->GetTableData(1,5))!=2)//保證在非葉子節(jié)
//點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)
{
node = atoi(sqlite->GetTableData(node,3));//選擇YESTO
//跳轉(zhuǎn)到的節(jié)點(diǎn)
node = atoi(sqlite->GetTableData(node,4));//選擇NOTO
//跳轉(zhuǎn)到的節(jié)點(diǎn)
wsprintf(buff1, L"SELECT * from ‘%s‘ where NODE = %d ;",
table_name,node);//查詢數(shù)據(jù)庫(kù)
m_cap = sqlite->GetTableData(node,2);//讀取node節(jié)點(diǎn)的
//故障現(xiàn)象
GetDlgItem(IDC_TITLE)->SetWindowText(m_cap);
//把故障現(xiàn)象顯示出來(lái)
}

檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)人機(jī)交互遍歷故障二叉樹(shù)如圖3所示。圖中二叉樹(shù)的每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)都是一次檢測(cè)的結(jié)果，也就是故障的最終原因，它們的等級(jí)即NRANK都是2。通過(guò)等級(jí)的判斷來(lái)確定是否是最終結(jié)果并提示保存。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文以嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 和S3C2440A為開(kāi)發(fā)環(huán)境，應(yīng)用EVC++ 語(yǔ)言編寫(xiě)、應(yīng)用程序和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，開(kāi)發(fā)了故障診斷專家系統(tǒng)，以串口通信故障檢測(cè)為例，介紹了基于故障樹(shù)分析法和專家規(guī)則的故障診斷專家系統(tǒng)的建立以及診斷過(guò)程。當(dāng)串口通信故障檢測(cè)開(kāi)始時(shí)，測(cè)試人員只需要根據(jù)故障現(xiàn)象的提示進(jìn)行是非判斷，然后專家引導(dǎo)系統(tǒng)就會(huì)給出下一步的工作。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

專家系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，系統(tǒng)首次查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，把故障樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)內(nèi)容顯示到提示信息。檢測(cè)人員將提示故障現(xiàn)象正確與否的判斷反饋給專家系統(tǒng)進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)庫(kù)查詢得到下一步的提示信息。檢測(cè)人員參與之后的所有數(shù)據(jù)庫(kù)查詢工作都按照節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的邏輯進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，然后重復(fù)人機(jī)交互操作，最后由專家系統(tǒng)給出確切答案，并提示檢測(cè)人員對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行保存。

本文提出了一種基于二叉樹(shù)遍歷的檢測(cè)專家系統(tǒng)并給出了多叉樹(shù)轉(zhuǎn)化為二叉樹(shù)的方法，在嵌入式WinCE平臺(tái)下將這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并在初步的實(shí)踐檢驗(yàn)中取得良好效果。以串口通信故障檢測(cè)為例，詳細(xì)地介紹了專家系統(tǒng)的建立過(guò)程以及工作原理，采用體積較小的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite以及WinCE友好的嵌入式人機(jī)交互界面和模塊化程序設(shè)計(jì)方式，復(fù)用性好，可移植性高[5]。此系統(tǒng)模型廣泛適用于交通、通信以及電力等設(shè)備的故障檢測(cè)，在故障樹(shù)的引導(dǎo)下進(jìn)行專家級(jí)檢測(cè)。