机械故障诊断专家系统及其应用

1、机械故障诊断专家系统及其应用 主讲： 姚 林 学号：13721488 引言 专家系统始于60年代中期，至今只有三、四十年的发展历 史，但其发展迅速。1965年由美国斯坦福大学研制的 dedral解释型专家系统被誉为世界上第一个专家系统。 70年代中期，一批卓有成效的专家系统开始出现。在这些 系统中，专家系统的主要技术，如人机接口、解释功能、 自学习能力、不精确推理技术以及元知识等概念，得到了 研究和应用。与此同时，为了方便知识获取和缩短专家系 统的研制周期，出现了各种知识获取工具和专家系统开发 工具。进入80年代以来，专家系统研制中的一个重要发展 是专家系统开发工具的出现，它的出现使得专家系统

2、的建 立过程更加方便了，设计效率提高了，研制周期缩短了2 。 主要章节 l一、专家系统的人工智能特点 l二、专家系统的结构 l三、国外部分专家系统介绍 一、专家系统的人工智能特点 专家系统所能解决的主要问题有1： （1）解决那些只有专家才能解决的实际复杂问题。 （2）用模仿人类专家推理过程的计算机模型来解决这些 问题，并能达到人类专家解决问题的水平。 当前比较成功的专家系统一般具有以下几个特点1 ： （1）启发性，即能使用判别性知识进行推理； （2）透明性，能解释自己的推理过程； （3）灵活性，能不断修改和扩充知识。 专家系统之所以得以迅速发展绝非偶然，而是由其自身特 点所决定的1 ： （1）

3、它能记录和传播珍贵的专家经验。 （2）专家系统可以汇集和管理不同来源的、众多的专家 知识，对需要解决的问题提出更高明和更全面的解决办法。 （3）专家系统可以将实际专家的经验和知识转化为软件， 或固化成硬件储存起来。 （4）在工作中应用专家系统能大幅度地提高工作效率， 创造较大的社会价值和经济效益。 二、专家系统的结构 一个专家系统一般包含三个组成部分，知识库、推理机和 人机接口，其结构框图如图1所示2。 图1 专家系统的基本结构 一个实用的设备故障诊断专家系统除了上述三个基本组成 部分外，还应根据其特定的要求包括其他一些组成部分。 一个完整的设备故障诊断专家系统结构如图2所示。 图2 专家系统

4、的完整结构 现将其各个部分的功能归纳如下3： （1）知识库 是一个独立的实体，其内部存储的知识通过 程序来提取和管理。知识库中应易于存入新的知识而且不 和已有的知识相互发生干扰。 （2）推理机 是专家系统的组织控制机构，可根据当前的 输入数据（如机器设备运行时的各种征兆），应用知识库 中的知识，按一定的策略进行推理，以达到要求的目标。 （3）全局数据库 是用于存储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 后输出结果信息的存储器。 （4）知识获取 是专家系统与领域专家和知识工程师的接 口。通过它与领域专家和知识工程师的交互，不仅可以获 得知识，还可以使知识得到

5、修改、提炼。 （5）解释子系统 能够对推理过程作出解释，可以解释推 理得到的确定性结论。 （6）人机接口 是专家系统与领域专家或知识工程师以及 一般用户之间的界面。用于输入输出的工作。 专家系统的知识获取 专家系统的核心是知识。知识获取就是把用于求解专门 领域问题的知识从拥有这些知识的知识源中提取出来，并 转化为特定的计算机语言表示。通常，知识源的知识并不 以一种现成的表示形式存在。因此，作为知识主体的知识 工程师不得不通过自己的努力来获取和表示所需的知识。 会谈、试验、数据采集和数据分析归纳是构成知识获取的 几个主要步骤，如图3所示。 图3 知识获取步骤 目前，对知识的获取有两种类型：非自动

6、型知识获取（如 图4）、自动型知识获取（如图5）2。 图4 非自动知识获取 图5 自动知识获取 专家系统的知识表示 知识表示是知识符号化和形式化的过程，目的在于通过 知识的有效表示，使专家系统能够利用这些知识进行推理 和做出决策。在专家系统中，知识表示直接影响系统知识 的获取能力和知识的运用效率，因而知识表示是知识工程 中最基本的问题3。一个好的知识表示应具有如下特征4： （1）可扩充性 （2）明确性 （3）清晰性 （4）可理解性 目前，人工智能研究者们已提出了多种知识表示方法。主 要有生产式表示、逻辑表示、语义网络表示、对象属 性值（avo）三元组表示、框架表示、过程表示及面向 对象的表示等

7、。在诸多知识表示方法中，生产式规则（简 称为规则）已成为当前专家系统中最常用的一种知识表示 方法，很适合于故障诊断专家系统的知识组织。规则表示 的一般形式为： if then 其中，p为前提条件，由与故障相关的多个征兆组合而成； r是规则的结论，即故障类型。它表示当条件满足时，可 执行相应的动作2。 专家系统的推理机制 诊断推理是指依据一定的原则从已有的征兆事实推断出 诊断对象存在的故障的过程。通常把故障诊断中选择知识 和运用知识进行诊断推理的过程称为基于知识的诊断推理。 基于知识的诊断推理的软件实现构成了推理机，它是故障 诊断专家系统的基本组成部分之一。诊断推理过程要解决 的问题是：在诊断过

8、程中，如何控制诊断知识的选择和运 用。 推理方式2 （1）演绎推理、归纳推理、类比推理 演绎推理：是从已知判断出发，通过演绎推出结论的一 种推理方式，其结论就蕴含在已知的判断中，所以演绎推 理是一种由一般到个别的推理。 归纳推理：是指从足够多的实例中推出一般性结论的推 理，是从个别到一般（普遍）。归纳推理中，前提与结论 之间没有必然的联系，因此，其结论可能为真，也可能为 假。 类比推理：是根据两个对象在一系列属性上是相同的， 而且已知其中的一个对象还具有其它属性，由此推断出另 一个对象也具有同样的其它属性的结论。 （2）精确推理、不精确推理 不精确推理：它的主要理论基础是概率论，由于纯概率 论

9、方法要求大量统计数据做基础，而且要求各事实之间相 互独立，这在许多应用领域是难以满足的，因而其应用范 围受到很多限制。为了克服概率模型的不足，人工智能学 者提出了许多新的不精确推理模型，比较有代表性的有主 观贝叶斯方法、模糊推理、证据推理、可能性理论和合情 推理等。每种方法都有自身特点和实用领域，建造故障诊 断专家系统时应根据诊断对象的特点来选择，选择时要综 合考虑模型的有效性和适用性。 （3）单调推理和非单调推理 单调推理：单调推理的单调性是指随着推理的向前推进 及新知识的加入，推出的结论是否越来越接近最终目标。 非单调推理：是指随着知识的增加，可能使系统原先推 出的结论被否定的推理。在故障

10、诊断过程中，领域专家常 常需要在信息或知识不全的情况下进行诊断推理，通常他 们根据一般经验或常识得出在当时看来是合理的结论，随 着新知识或新事实的增加，进一步表现出来的情况可能与 原先推出的结论发生矛盾，这时就需要取消原先的结论， 依据新情况重新进行推理。 推理方向 （1）正向推理 是由已知征兆事实到故障结论的推理。正 向推理过程5如图6所示。 正向推理的优点是：用户可以主动提供与诊断对象有关 的已知征兆事实，而不必等到诊断系统要求时才提供，系 统可以很快地对用户所输入的征兆事实做出反应。而且这 种推理控制简单，容易实现，因此它比较适合于设备的在 线监测和控制。但正向推理也存在着潜在的低效性，

11、如规 则的激活与执行似乎漫无目标，系统诊断过程中可能要执 行许多与故障无关的操作。而且由于不能进行反推，系统 的解释功能较难实现。 图6 正向推理示意图 （2）反向推理 是由目标到支持目标证据的推理。反向推 理过程5如图7所示。 反向推理的主要优点是不用寻找那些与假设目标无关的 规则。推理过程的方向性很强。主要缺点是初始目标的选 择比较盲目，因此，它适合于解空间较小的问题。 图7 反向推理示意图 （3）混合推理 正向推理和反向推理是控制策略中两种极 端的方法，各有其优缺点。正向推理的主要缺点是推理盲 目，反向推理的主要缺点是初始目标的选择盲目。解决这 个问题的有效办法就是将正向推理和反向推理结

12、合起来使 用，即混合推理。混合推理指先根据给定的原始数据或证 据向前推理，得出可能成立的诊断结论，然后，以这些结 论为假设，进行反向推理，寻找支持这些假设的事实或证 据。 混合推理一般用于以下几种情形：已知条件不足，用正 向推理不能激活任何一条规则；正向推理所得结论可信度 不高，用反向推理来求解更确切的答案。混合推理过程5 如图8所示。 图8 混合推理示意图 三、国外部分专家系统介绍 一切需要处理知识的地方都可以采用专家系统。对于一些 需要专家的特殊经验进行推理的问题，采用专家系统尤为 重要。专家系统主要用于诊断、监测、分析、解释、预测、 证明、设计、调试、修理、数学和监控等诸多方面。机械 故

13、障诊断是专家系统应用的新领域，虽开始较晚，但发展 迅速，潜力很大。下面从监控、诊断、维修三个方面简单 介绍国外研制的一些专家系统1。 n 监控方面 美国西屋研究中心和卡内基梅隆大学合作研制了一台汽 轮发电机监控专家系统。这个系统被用来监视汽轮发电机 组的全天工作状况，它能够快速、精确分析仪表送来的信 号，然后立即告诉操作人员应采取什么动作。在汽轮发电 机上装有传感器和监视仪表，与远处计算机相连接，计算 机则根据由汽轮发电机和发电机专家的经验编制的程序分 析温度、压力、速度、振动和射频辐射等数据，判断机组 工作正常或异常，或者有无产生故障的苗头，并可告诉维 修人员应如何采取防范或预防措施。它最终

14、发展目标是将 整个电厂（包括汽轮机、发电机、锅炉等）都连接到24h 连续运行的诊断专家系统上。 n 诊断方面 诊断高压马达的框架基系统comex以及诊断空调机的 规则基系统prodogi已经在日本研制出来。这是用于机 械故障诊断的实验系统。由于许多电气设备由电路、管道 和运输部件组成，研制专家系统时必须考虑各种故障因素， 如绝缘、过热、磨损、材料疲劳等 n 维修方面 通用电气公司研制了内燃电力机车排故计算机辅助 系统，称为cats-1（又名delta）。为了查找问题，排 故系统首先显示机车可能出现的各种故障范围；当用户选 定某一特殊范围时，系统询问用户一系列详细问题，同时 对每一步都做出解释，并在适当的时候在屏幕上显示图形； 最后，当排故系统查出故障原因后，再给出特定的修理指 导。