基于RST及FTA的综合传动装置故障诊断专家系统的应用研究*

李英顺，姜双双，佟维妍，卢奭瑄

(1.沈阳工业大学 工程学院 , 辽宁 辽阳 111003; 2. 沈阳工业大学 信息工程学院 ,沈阳 110870)

基于RST及FTA的综合传动装置故障诊断专家系统的应用研究*

李英顺1，姜双双2，佟维妍1，卢奭瑄1

(1.沈阳工业大学 工程学院 , 辽宁 辽阳 111003; 2. 沈阳工业大学 信息工程学院 ,沈阳 110870)

文章对综合传动装置的故障机理进行了深入分析，采用粗糙集数据挖掘算法和故障树分析法进行知识获取，解决知识获取难的问题。同时推理机制采用改进RETE匹配算法，提高了匹配效率。并利用Access2003数据库构建知识库，利用VC++开发专家系统软件。最后通过综合传动装置专家系统软件对专家系统的诊断结果进行验证。结果表明：此专家系统能够对故障做出正确判断，并且诊断快速，效率高，进而充分证明了此专家系统设计的有效性。

综合传动装置；粗糙集理论；简化RETE算法；故障树分析法；专家系统

0 引言

综合传动装置的综合技术先进、结构复杂，故障机理更加复杂、维修难度大，现有诊断手段对其维修要求已不再适用。因此，研究综合传动装置新的诊断手段，已成为装甲车辆维修急需解决的问题。文献[1-5]利用故障树分析法实现故障诊断，取得了良好的效果，但综合传动装置结构复杂，所建故障树较多，在诊断时如何从多个故障树中进行正确选择是一个难题。文献[6-10]利用粗糙集理论进行知识获取，进而实现故障诊断，同样取得了良好的效果，但综合传动装置的失效形式有二百多种，需要进行大量的实验来获取数据，工作量巨大。因此，文章提出了利用故障树分析法和粗糙集理论相结合的方法来实现知识的获取，最终达到故障诊断的目的。综合传动装置有十个故障树、二百多种失效形式，利用粗糙集理论获取的规则仅确定故障树的顶事件，这样就把决策属性由二百多个减少到十个，同时也对故障树做出了正确的选择，最后利用故障树分析法及相应的推理机制确定具体的失效形式。

1 基于粗糙集的规则获取

基于粗糙集规则获取的模型如图1所示。根据领域专家的经验知识，把历史数据离散化，建立决策表，把决策表中重复的对象删除；利用可辨识矩阵对决策表进行条件属性约简；对得到的约简利用属性值约简算法得到约简的规则。最后对规则进行检测与求精，并存入规则知识库。

图1 基于粗糙集的规则获取模型

1.1 规则获取

对综合传动装置进行大量的实验，并结合历史故障数据，将其存放在juecebiao文本文件中(部分数据)，如图2所示。规则获取的过程存放在guocheng文本文件中，由图2引入决策表如图3所示。由图3的决策表得到可辨识矩阵如图4所示。由图4的可辨识矩阵得到的分辨函数为：f=(b∨c∨d)∧(b) ∧(a∨b∨c∨d)∧(a∨b∨c∨d)∧(b∨c)(b∨d)∧(a∨b∨c)∧(a∨b∨c)∧(c∨d)∧(a∨b∨c∨d)∧(a∨b∨c∨d)∧(a∨b∨c∨d)∧(a∨b)∧(c∨d)∧(c∨d)。由分辨函数知约简的核为：b。对分辨函数进行约简、删除冗余、析取得到最小析取范式为：bc∨bd，其中每一个析取分量对应一个约简，所以得到分辨函数的约简为：{bc}、{bd}。以分辨函数的约简{bc}为例，对分辨矩阵的约简进行选择排序后与决策属性组合成约简表1如图5所示。对约简表1删除冗余得到约简表2如图6所示。对约简表2运用属性值约简算法得到约见表3如图7所示。对约简表3删除冗余得到约简表4如图8所示。最后由约简表4得到规则表如图9所示 。

图2 历史故障数据

图3 决策表

图4 可辨识矩阵

图5 约简表1

图6 约简表2

图7 约简表3

图8 约简表4

图9 规则表

1.2 规则检测

图10 粗糙集知识获取界面

粗糙集规则自动获取界面如图10所示。当点击界面中的提取知识按钮，实现上述规则获取的过程；当点击存取规则时，将获取到的规则存放到规则知识库中。此界面可以实现对等价规则、冗余规则和从属规则的处理。获取规则的结论部分为故障树的顶事件，综合传动装置的所有故障树的顶事件如图11所示。

图11 导致综合传动装置故障的顶事件

2 知识库的构建

图12 CR离合器故障树

故障树分析法具有层次性强、因果关系明确等特点，是设备进行故障诊断的主要方法之一[3]。故障树中如果其某几个底事件的集合同时发生时,将引起顶事件(系统故障)的发生,这个集合就称之为割集。最小割集的意义就在于它为我们描绘了处于故障状态的系统所必须要修理的基本故障,指出了系统中最薄弱的环节[4]。故障树分析法可以清晰的表达故障症状与故障原因之间的逻辑关系，故障诊断专家系统的知识库和故障树可以使用最小割集将二者联系起来。

2.1 故障树建立与分析

通过对综合传动装置的结构与工作原理研究与分析，明确了液力变矩器、换档离合器及液压式转向机构是综合传动装置功能实现的关键部件，其运行状态是综合传动装置运行状态的重要表征，是状态检测的重点和难点所在。以CR离合器故障为例，建立的故障树如图12所示。

2.2 故障树转化为知识库

专家系统结合故障树减小了知识获取的难度，专家系统的知识库与故障树的联系在于：专家系统要分析和解决的问题是故障树的顶事件，专家系统的推理过程就是故障树从上到下的逻辑关系，故障树的每一个最小割集就对应一种失效形式，就是推理的结果。

知识库中的规则采用产生式规则进行表示, 产生式规则的表达形式为：IF (P) THEN(Q)，其中P 是产生式可用的条件，Q 是指当P 所指的所有条件被满足时所得到的结论或应该执行的操作。文章以最小割集转化为规则，每一个最小割集对应一条规则。以图12的CR离合器故障树为例，其有19种失效形式，也就是有19个最小割集，这样，以最小割集形式转化为规则时，能够生成19条规则。如以图12中一个最小割集CR离合器过流面积小为例，其转化规则为：if(CR离合器故障and CR离合器分离油压高于限值and CR离合器回油流量小and CR离合器油路不畅)then(CR离合器过流面积小)。

通过图13的故障树知识获取管理界面将规则存入到知识库中。界面中故障编号就是规则号；故障部位对应故障树的顶事件；故障现象是对规则条件的具体说明；故障原因对应最小割集，是对规则结论的具体说明；最终标记用来判断该规则的结论是否为最终结论，用0或1表示，0表示不是最终结论，1表示是最终结论；维修建议是维修指南，有帮助维修的作用。

图13 故障树知识获取管理界面

3 推理机的实现

推理算法的实现是以Rete算法为基础，在此基础上做了一些简化，即在推理过程中只记录事实状态的变化，不需要记录规则前件的匹配情况，这样大大降低了设计与实现的难度。推理流程图如图14所示，基本思想为：①取一条规则，推理机通过得到的事实，与规则条件部分的所有前件进行匹配，如果数据库中的事实包含当前规则条件中的所有前件，那么说明匹配成功，把当前规则的结论添加到事实表中，同时删除当前匹配成功的规则。重新从第一条规则开始，按照上面的方法重新匹配；②如果数据库中的事实不包含当前规则条件中的所有前件，那就说明没有匹配成功。取下一条规则重新开始匹配；③当规则表中所有的规则都完成匹配，说明推理结束；④规则表初始化；⑤推理机从数据库中取出所有事实，判断是否有最终结论，如果有，则推理结束，否则添加新事实重新匹配。

图14 推理流程图

5 结论

文章采用粗糙集数据挖掘算法和故障树分析法进行知识获取，解决了知识获取难的问题。利用粗糙集理论获取规则的结论对应故障树的顶事件，选择需要进行诊断的故障树，再利用故障树分析法求出最小割集，找出具体的故障原因。同时推理机制采用改进RETE匹配算法，提高了匹配效率，降低了推理机设计与实现的难度。应用结果表明：此专家系统能够对故障做出正确判断，并且诊断快速，效率高。图15为针对CR离合器过流面积小的故障诊断，并给出了相应的解决方案。

图15 04步战车故障诊断专家系统

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(编辑 赵蓉)

Research and Application of Fault Diagnosis Expert System for Comprehensive Transmission Device Based on RST and FTA

LI Ying-Shun1,JIANG Shuang-shuang2,TONG Wei-yan1,LU Shi-xuan1

(1. School of Engineering Shenyang University of Technology，Liaoyang Liaoning 111003,China;2. School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

Failure mechanisms for comprehensive transmission device was analyzed deeply on this article,deciding to adopt the rough set data mining algorithms and fault tree analysis to obtain the knowledge,to solve the difficult problem of knowledge acquisition.At the same time,the reasoning mechanism based on improved RETE matching algorithm improves the matching efficiency and the use of Access2003 database to build knowledge base.Making use of the VC++ to develop the fault diagnosis expert system software.Finally, the result of the diagnosis was verified by expert system software for comprehensive transmission device.The results show that：This expert system can make the right judgments on the fault,and rapid diagnosis,high efficiency,and thus fully proved the effectiveness of this expert system design.

comprehensive transmission device ; rough set theory ;simplify RETE algorithm；fault tree analysis; expert system

1001-2265(2014)04-0060-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.016

2013-07-29

辽宁省教育厅项目(L2012031)

李英顺(1971—)，女，朝鲜族，辽宁抚顺人，沈阳工业大学教授，博士，主要从事模式识别与智能系统、过程检测技术及仪器的研究，(E-mail) 1079102670@qq.com。

TP182

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