基于FTA的數控機床電源故障診斷專家系統研究

吳 毅楊文廣 蔣東翔

（1.九江職業技術學院 江西九江 2.清華大學熱能工程系 北京）

數控機床集計算機技術、自動控制技術、精密測量技術于一體[1]，結構復雜、功能繁多，發生故障的幾率較高，而數控機床的電源系統是其高發故障設備之一。因此，對此類故障診斷的研究有實際意義。

一、故障樹分析法簡介

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是由美國貝爾實驗室的Watson等提出和發展的一種將系統故障形成的原因由上至下，按產品層次以樹枝狀逐級細化的分析方法，是對復雜動態系統的設計、試驗或使用中出現的故障進行分析的常用工具[2]。

FTA一般以系統中最不希望發生的故障狀態為分析目標（頂事件），找出故障的全部原因（中間事件），再層層推演，直至得出不可分的基本事件（底事件）為止。然后將頂事件、中間事件和底事件的邏輯關系用邏輯門聯系起來，形成樹形圖結構，表示故障的因果關系。FTA既可以用于對整個系統進行定性分析，也可以用于對系統進于定量分析。

二、數控機床電源系統故障樹的建立

FTA的關鍵是建造故障樹，故障樹建造的完善程度將直接影響其定性分析和定量分析的準確性。

數控機床電源系統是數控機床的重要組成部分，其故障率較高，且具有一定的危險性，在日常維護和修理時要特別注意。選定數控機床電源故障為頂事件，以上電后系統無反應、上電即跳閘和工作過程中跳閘作為中間事件，分析導致頂事件和中間事件的各種原因及其組合，逐級向下演繹，一直追溯到引起系統發生故障的全部原因，即分析到底事件為止。然后，根據各級事件的邏輯關系，建成以頂事件為根、中間事件為節、底事件為葉的具有若干級的倒置故障樹（圖 1）[3]。

圖1 數控機床電源系統故障樹

圖2 基于規則的專家系統結構

三、專家知識庫的建立

數控機床電源系統的專家知識庫是依據數控機床電源系統故障樹建立的，專家系統是將人類專家的知識、經驗輸入到計算機中，使計算機能夠“思考”和“推理”，從而解決問題的人工智能方法[4]。一個基于規則的專家系統由知識獲取系統、知識庫、推理機、解釋器、輸入輸出系統組成（圖2）[5]。

1.知識獲取系統

知識獲取系統是專家系統的界面，是知識工程師采用專題面談、口語記錄分析等方式取得知識，經過整理后再輸入知識庫。

2.知識庫

知識庫的設計與建造是專家系統中的一個關鍵性工作。知識庫存儲了大量的知識、經驗和規則，以被系統推理判斷之用，具有知識存儲、編排、檢索、增刪、修改和擴充等功能。一個專家系統性能高低取決于知識庫的可用性、確定性、完善性。

文中依據故障樹來建立數控機床電源系統知識庫，對于故障樹的表述來說，故障樹的頂事件對應于專家系統需要診斷的故障，底事件對應于專家系統的推理結果，故障樹由頂到底的層次和邏輯關系對應于專家系統的推理過程，而最小割集是聯系故障樹與專家系統診斷知識庫的關鍵，故障樹的樹枝對應于知識庫中的規則，故障樹的樹枝數等于知識庫所包含規則的個數，知識庫中的知識來源于故障樹[6]。從圖1中可以看出數控機床電源故障的最小割集有X1、X2……X15，共計15個，故障樹有24個樹枝，對應在專家系統中存儲為24條規則。

3.推理機

它利用知識庫中的知識，按一定的推理策略，去求解提出的專門問題，有啟發推理；算法推理；正向、反向和正反向推理；串行推理和并行推理等功能。

4.解釋器

解釋器的主要作用是解釋、翻譯或說明專家系統與用戶之間交互作用所涉及的問題、結論、推理過程、因果關系，通常推理結果只是簡單的描述，而對于用戶來說，還要將結果轉換成可以理解的語言。

5.輸入輸出系統

輸入輸出系統是用戶與專家系統人機交互界面，是數控機床電源故障專家系統與用戶間交互的平臺，通過這個平臺，操作人員可以進行故障知識的積累，也可以進行故障的診斷操作。

四、系統實現

該系統基于清華大學自主研發的故障診斷專家系統IMDBuilder軟件[7，8]開發，其平臺軟件支持模糊模板、前向推理樹、故障樹推理和通用后向鏈推理、產生式規則、模糊邏輯等多種知識表達方法。

此例中采用事件樹規則，包含頂事件、中間事件、底事件和或門。使用靜態單槽模板，左部和右部之間不使用模式變量。故障樹節點定義的語法如下：

由于該系統采用.NET平臺開發，使用模塊化的組織方式，整個系統具有良好的交互性、可用性和可擴展性，有利于系統的維護和升級。

應用故障樹技術進行數控機床電源故障診斷，可以大幅提高故障診斷效率。

五、結語

在深入分析數控機床電源系統典型故障后，結合當前先進的故障診斷技術，將故障樹分析法和專家系統應用于數控機床的故障診斷。基于數控機床電源系統故障樹，建立了專家系統的知識庫和推理機，利用清華大學研發的基于.NET平臺的故障診斷專家系統IMDBuilder軟件，完成了數控機床故障診斷專家系統，便于用戶對相關故障進行快速診斷和維修。

1 鄭小年，楊克沖.數控機床故障診斷與維修[M].武漢：華中科技大學出版社，2005

2 周海京，遇今.故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析[M].北京：航空工業出版社，2003

3 吳毅.數控機床故障維修情境式教程[M].北京：高等教育出版社，2013.

4 黎奇志，胡國平.基于故障樹和模糊推理的故障診斷研究[J].微計算機信息，2Oll，27(8)

5 Giarratano，J.專家系統原理與編程[M].北京：機械工業出版社，2006

6 朱傳敏，周潤青，陳明，李營壘.故障樹與案例推理在數控機床故障診斷專家系統中的應用研究[J].制造業自動化，2Oll，33(5)

7 Wenguang Yang，Dongxiang Jiang.Fuzzy Rete-based Expert System for Wind Turbine Fault Diagnosis[A].International Congress on Materials and renewable energy（MRE 2013）[C]，Athens，Greece，2013

8 蔣東翔，楊文廣，劉超.故障診斷專家系統輔助開發軟件[P].中國.2013SR142671.2013-12-16