基于RST及FTA的綜合傳動裝置故障診斷專家系統的應用研究*

李英順，姜雙雙，佟維妍，盧奭瑄

(1.沈陽工業大學 工程學院 , 遼寧 遼陽 111003; 2. 沈陽工業大學 信息工程學院 ,沈陽 110870)

基于RST及FTA的綜合傳動裝置故障診斷專家系統的應用研究*

李英順1，姜雙雙2，佟維妍1，盧奭瑄1

(1.沈陽工業大學 工程學院 , 遼寧 遼陽 111003; 2. 沈陽工業大學 信息工程學院 ,沈陽 110870)

文章對綜合傳動裝置的故障機理進行了深入分析，采用粗糙集數據挖掘算法和故障樹分析法進行知識獲取，解決知識獲取難的問題。同時推理機制采用改進RETE匹配算法，提高了匹配效率。并利用Access2003數據庫構建知識庫，利用VC++開發專家系統軟件。最后通過綜合傳動裝置專家系統軟件對專家系統的診斷結果進行驗證。結果表明：此專家系統能夠對故障做出正確判斷，并且診斷快速，效率高，進而充分證明了此專家系統設計的有效性。

綜合傳動裝置；粗糙集理論；簡化RETE算法；故障樹分析法；專家系統

0 引言

綜合傳動裝置的綜合技術先進、結構復雜，故障機理更加復雜、維修難度大，現有診斷手段對其維修要求已不再適用。因此，研究綜合傳動裝置新的診斷手段，已成為裝甲車輛維修急需解決的問題。文獻[1-5]利用故障樹分析法實現故障診斷，取得了良好的效果，但綜合傳動裝置結構復雜，所建故障樹較多，在診斷時如何從多個故障樹中進行正確選擇是一個難題。文獻[6-10]利用粗糙集理論進行知識獲取，進而實現故障診斷，同樣取得了良好的效果，但綜合傳動裝置的失效形式有二百多種，需要進行大量的實驗來獲取數據，工作量巨大。因此，文章提出了利用故障樹分析法和粗糙集理論相結合的方法來實現知識的獲取，最終達到故障診斷的目的。綜合傳動裝置有十個故障樹、二百多種失效形式，利用粗糙集理論獲取的規則僅確定故障樹的頂事件，這樣就把決策屬性由二百多個減少到十個，同時也對故障樹做出了正確的選擇，最后利用故障樹分析法及相應的推理機制確定具體的失效形式。

1 基于粗糙集的規則獲取

基于粗糙集規則獲取的模型如圖1所示。根據領域專家的經驗知識，把歷史數據離散化，建立決策表，把決策表中重復的對象刪除；利用可辨識矩陣對決策表進行條件屬性約簡；對得到的約簡利用屬性值約簡算法得到約簡的規則。最后對規則進行檢測與求精，并存入規則知識庫。

圖1 基于粗糙集的規則獲取模型

1.1 規則獲取

對綜合傳動裝置進行大量的實驗，并結合歷史故障數據，將其存放在juecebiao文本文件中(部分數據)，如圖2所示。規則獲取的過程存放在guocheng文本文件中，由圖2引入決策表如圖3所示。由圖3的決策表得到可辨識矩陣如圖4所示。由圖4的可辨識矩陣得到的分辨函數為：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)。由分辨函數知約簡的核為：b。對分辨函數進行約簡、刪除冗余、析取得到最小析取范式為：bc∨bd，其中每一個析取分量對應一個約簡，所以得到分辨函數的約簡為：{bc}、{bd}。以分辨函數的約簡{bc}為例，對分辨矩陣的約簡進行選擇排序后與決策屬性組合成約簡表1如圖5所示。對約簡表1刪除冗余得到約簡表2如圖6所示。對約簡表2運用屬性值約簡算法得到約見表3如圖7所示。對約簡表3刪除冗余得到約簡表4如圖8所示。最后由約簡表4得到規則表如圖9所示 。

圖2 歷史故障數據

圖3 決策表

圖4 可辨識矩陣

圖5 約簡表1

圖6 約簡表2

圖7 約簡表3

圖8 約簡表4

圖9 規則表

1.2 規則檢測

圖10 粗糙集知識獲取界面

粗糙集規則自動獲取界面如圖10所示。當點擊界面中的提取知識按鈕，實現上述規則獲取的過程；當點擊存取規則時，將獲取到的規則存放到規則知識庫中。此界面可以實現對等價規則、冗余規則和從屬規則的處理。獲取規則的結論部分為故障樹的頂事件，綜合傳動裝置的所有故障樹的頂事件如圖11所示。

圖11 導致綜合傳動裝置故障的頂事件

2 知識庫的構建

圖12 CR離合器故障樹

故障樹分析法具有層次性強、因果關系明確等特點，是設備進行故障診斷的主要方法之一[3]。故障樹中如果其某幾個底事件的集合同時發生時,將引起頂事件(系統故障)的發生,這個集合就稱之為割集。最小割集的意義就在于它為我們描繪了處于故障狀態的系統所必須要修理的基本故障,指出了系統中最薄弱的環節[4]。故障樹分析法可以清晰的表達故障癥狀與故障原因之間的邏輯關系，故障診斷專家系統的知識庫和故障樹可以使用最小割集將二者聯系起來。

2.1 故障樹建立與分析

通過對綜合傳動裝置的結構與工作原理研究與分析，明確了液力變矩器、換檔離合器及液壓式轉向機構是綜合傳動裝置功能實現的關鍵部件，其運行狀態是綜合傳動裝置運行狀態的重要表征，是狀態檢測的重點和難點所在。以CR離合器故障為例，建立的故障樹如圖12所示。

2.2 故障樹轉化為知識庫

專家系統結合故障樹減小了知識獲取的難度，專家系統的知識庫與故障樹的聯系在于：專家系統要分析和解決的問題是故障樹的頂事件，專家系統的推理過程就是故障樹從上到下的邏輯關系，故障樹的每一個最小割集就對應一種失效形式，就是推理的結果。

知識庫中的規則采用產生式規則進行表示, 產生式規則的表達形式為：IF (P) THEN(Q)，其中P 是產生式可用的條件，Q 是指當P 所指的所有條件被滿足時所得到的結論或應該執行的操作。文章以最小割集轉化為規則，每一個最小割集對應一條規則。以圖12的CR離合器故障樹為例，其有19種失效形式，也就是有19個最小割集，這樣，以最小割集形式轉化為規則時，能夠生成19條規則。如以圖12中一個最小割集CR離合器過流面積小為例，其轉化規則為：if(CR離合器故障and CR離合器分離油壓高于限值and CR離合器回油流量小and CR離合器油路不暢)then(CR離合器過流面積小)。

通過圖13的故障樹知識獲取管理界面將規則存入到知識庫中。界面中故障編號就是規則號；故障部位對應故障樹的頂事件；故障現象是對規則條件的具體說明；故障原因對應最小割集，是對規則結論的具體說明；最終標記用來判斷該規則的結論是否為最終結論，用0或1表示，0表示不是最終結論，1表示是最終結論；維修建議是維修指南，有幫助維修的作用。

圖13 故障樹知識獲取管理界面

3 推理機的實現

推理算法的實現是以Rete算法為基礎，在此基礎上做了一些簡化，即在推理過程中只記錄事實狀態的變化，不需要記錄規則前件的匹配情況，這樣大大降低了設計與實現的難度。推理流程圖如圖14所示，基本思想為：①取一條規則，推理機通過得到的事實，與規則條件部分的所有前件進行匹配，如果數據庫中的事實包含當前規則條件中的所有前件，那么說明匹配成功，把當前規則的結論添加到事實表中，同時刪除當前匹配成功的規則。重新從第一條規則開始，按照上面的方法重新匹配；②如果數據庫中的事實不包含當前規則條件中的所有前件，那就說明沒有匹配成功。取下一條規則重新開始匹配；③當規則表中所有的規則都完成匹配，說明推理結束；④規則表初始化；⑤推理機從數據庫中取出所有事實，判斷是否有最終結論，如果有，則推理結束，否則添加新事實重新匹配。

圖14 推理流程圖

5 結論

文章采用粗糙集數據挖掘算法和故障樹分析法進行知識獲取，解決了知識獲取難的問題。利用粗糙集理論獲取規則的結論對應故障樹的頂事件，選擇需要進行診斷的故障樹，再利用故障樹分析法求出最小割集，找出具體的故障原因。同時推理機制采用改進RETE匹配算法，提高了匹配效率，降低了推理機設計與實現的難度。應用結果表明：此專家系統能夠對故障做出正確判斷，并且診斷快速，效率高。圖15為針對CR離合器過流面積小的故障診斷，并給出了相應的解決方案。

圖15 04步戰車故障診斷專家系統

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(編輯 趙蓉)

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

遼寧省教育廳項目(L2012031)

李英順(1971—)，女，朝鮮族，遼寧撫順人，沈陽工業大學教授，博士，主要從事模式識別與智能系統、過程檢測技術及儀器的研究，(E-mail) 1079102670@qq.com。

TP182

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