基于故障树的轮胎成型机故障诊断专家系统的设计

李 璐

(天津理工大学中环信息学院 天津 300384)



基于故障树的轮胎成型机故障诊断专家系统的设计

李 璐

(天津理工大学中环信息学院 天津 300384)

设计了一种基于故障树的专家系统结构，建立了轮胎成型机的故障树模型和专家诊断知识库，提出了一种基于故障树专家系统的轮胎成型机故障诊断方法。基于故障树理论开发了轮胎成型机故障诊断系统，系统由知识库、推理引擎、综合数据库、人机界面、解释系统与知识获取系统组成。根据故障树模型的指示创建专家系统知识库，进而在推理机的应用下，对设备进行故障鉴定以及诊断结果的判定，找到消除故障的方法。

轮胎成型机；故障诊断；专家系统

轮胎产业在汽车行业中占有着不可忽视的地位，但随着工业规模不断扩大、设备需求不断增加，如何提供工业系统运作的可靠性和安全性，尽快找到故障，以便在整个系统被破坏之前，及时采取纠正措施，减少损失，稳定生产，是非常重要的。

轮胎成型机故障诊断是轮胎行业的具体应用的一个分支，以往都是依靠工程师感官和经验来进行故障诊断。随着新型技术的出现和发展，形成现代故障诊断技术。目前的理论在人工智能专家系统的广泛应用，已经开始基于智能诊断技术实现故障诊断技术的发展。

故障树分析是一种常用的方法，通过分解自上而下的故障树模型对故障传播过程进行分析，不易遗漏故障原因[1]。然而，故障树通常是通过分析图和数据，这样的故障诊断的相对效率低。因此，采用故障树分析和故障诊断专家系统相结合的方法，可以克服故障诊断技术的不足之处，实现全面的综合诊断，同时提高诊断的效率。

一、系统结构

(一)知识库构建。面向对象为故障树知识的表示形式，该系统被划分成多个故障模式，分为若干小断层，以便该系统可以减少搜索时间，加速系统的推理速度。每个事件对应故障树的一个节点，可以充分覆盖数据诊断过程的范围。

图1-1表示创建轮胎成型机故障树的过程。

图1-1 创建成型机故障树过程

(二)推理机的构建

1.推理方法。考虑到很难确保每个步骤都能给定有效和可行的方法使用户确认所提供的信息，因此，该系统允许用户提供不确定性的信息，使用不确定标记进行不确定性推理。用户只需要确认所提供的信息是“确定”或“可能”按钮。此外，如果用户提供的不确定性导致诊断信息不能被绘制时，系统将提示和引导用户返回到之前的一个诊断过程中，重新设置进行信息并确认，然后继续诊断。

2.推理方向。由于轮胎成型机故障树本身比较复杂和结论的可能性比较多，在采用正向推理方法，即基于数据驱动的推理，通过用户的选择逐渐推理，最终获得故障的最终原因。

3.搜索策略。本系统中故障树的节点表示对象的知识，对象作为规则的结果，其子节点的事件规则用其他参数数据成员来形容。所有的对象都存储在一个表中，在对象指针固定位置定位对象的位置被定位。根据测试结果诊断程序是由用户给定的，通过不断地寻找故障定位的子节点的指针最终决定。当较小的搜索解决方案失败了，可以继续使用推理搜索策略，可以有效地缩短时间，帮助用户找到问题的根源。

4.推理过程。用户首先选择故障模式和故障树，选择相应的“经验诊断模式”或“常规诊断模式”进行诊断。系统对给定的对象的答案及其解释、检测方法进行诊断，得到检测结果来选择一个节点。答案通常有三类：所有节点，一个节点，没有节点，系统将根据推理不同的答案做出相应的诊断。

(三)解释子系统。系统以满足不同层次用户的需求，提高用户对具有较强的逻辑推理过程的故障诊断和系统的信心，可读的解释模块的描述。解释机制选用将预置文本法和路径跟踪法融合的方式。因此，解释模块可以从该诊断节点链，选择提供给用户的解释信息。

(四)综合数据库。综合数据库通过有序的事件节点确诊的动态列表，它反映了渐进式推理的逐步深化。在事件列表中的每个节点可以被设置为对象，原始事件数据成员节点也需要诊断，同时也加入了“失效模式”、“故障树”、“是否继续”和“相信”四个数据成员[2]。综合数据库来源于诊断过程，它也提供了以后将要用到的诊断信息，如给出诊断报告等。

二、系统维护

(一)功能。系统维护模块主要有四个功能：(1)为及时跟踪轮胎成型机的技术状态变化，允许对专业的故障模式和故障树进行维护和更新；(2)由于轮胎成型机的不断进行，允许将专业新出现的故障补充到故障案例中；(3)允许许将删除过时的记录；(4)为扩展系统用途，允许增加新的专业和删除原有的专业。

(二)权限分配

1.初级权限。初级管理员拥有管理系统的初级权限，包括对某些专业的故障模式、故障树、故障案例和故障记录等进行管理和维护[3]。

2.高级权限。高级管理员除拥有对所有专业的故障模式、故障树、故障案例和故障记录等进行管理维护的权限外，还拥有高级权限，包括对管理人员的专业和管理信息的管理。

(三)维护项目。系统维护模块分为五部分，一是专业的维护；二是故障模式及故障树的维护；三是故障案例的维护；四是诊断记录的维护；五是管理员列表的维护。

(四)通用性和扩展性。设计中充分考虑故障诊断专家系统的通用性，在系统中几个模块，只有数据库具有较强的专业性，其他模块是高度灵活的，并且专业限制不大，可以照常运行[4]。如果更换其他专业的知识，甚至其他领域的数据，该系统可直接用于故障排除或其他专业领域[5]。该系统的通用性主要体现在专业的系统维护模块的维护部分。

由于轮胎成型机本身是个复杂和庞大的系统，因此在有限的时间里不可能开发出很完善的专家系统，主要表现在知识库不够充实，可以诊断的故障类型也很有限，系统在设计时充分考虑了扩展性，以便可以通过后续工作使系统逐渐趋于完善并投入实用[6]。

三、系统总体结构规划

(一)总体方案选取。该故障检测系统可以分为以下两种：一是测试模块，二是故障诊断模块。测试模块的工作原理：测试硬件主要含有特定的传感器、必要的信号调理电路以及可操作的计算机系统[7]。它主要提供了将目标和测量测试软件之间的数据传递给相应的软件的路径，再进行数据分析和处理；故障诊断模块是最重要的模块之一，它主要用于建立故障树模型，并根据模型的指示创建专家系统知识库，进而在推理机的应用下，对设备进行故障鉴定、消除以及诊断结果的判定，并通过诊断结果做出一定的判定和分析，简单阐述产生故障的原因、结果以及如何消除故障的方法。

[1]李洪宁.基于CBR与FTA的飞机故障诊断专家系统的研究与设计[D].青岛科技大学,2013.

[2]田红兵.基于GIS的中低压配网故障定位系统的研究[D].兰州理工大学,2014.

[3]刘江.基于故障树的通用航空器故障诊断专家系统研究[D].中国民用航空飞行学院,2012.

[4]刘江，左正军.通用航空器故障诊断专家系统研究[J].科技经济市场,2013(8):7-11.

[5]徐衡.汽车性能检测线及其故障自动诊断系统[D].南昌大学,2012.

李璐(1988-)，女，汉族，山东人，助教，硕士，天津理工大学中环信息学院，研究方向：智能化自动化系统与装置。