故障診斷系統設計

吳文輝　王燕妮

摘要：文章研究了故障診斷系統的實現方法，并設計了故障診斷系統。

關鍵詞：故障診斷

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.022

0 引言

日常工作中經常需要處理故障，專業人士根據故障現象逐步判斷分析，確定故障源，然后根據故障情況來確診，找尋解決辦法。以往的診斷依賴個人經驗，經驗越豐富的人員診斷的速度越快，診斷越準確，新工作人員需要長時間的積累經驗才能達到工作要求。

利用故障診斷系統將每次故障的故障現象記錄到數據庫，使得具有專業知識的新手能快速熟悉系統，熟悉并掌握專家掌握的豐富故障知識，并進行故障診斷分析，可以通過系統對故障進行統計分析以便預防故障，同時加速新手技能的熟練進度。

故障診斷的過程實際就是一個模式識別的過程。先看看人員診斷的過程，首先發現易識別的故障現象，然后根據自己的經驗，推斷可能發生了什么故障，并進一步確診故障的原因。從模式識別的角度看，就是故障現象的匹配過程，根據已知的故障現象從系統中檢索可能的故障，并根據可能的故障中還未發現的故障現象一一確認、排除，最終確診故障。

故障診斷系統的實現方法有很多，比如專家系統、決策樹、人工神經網絡、模糊邏輯、遺傳算法11]，專家系統比較成熟，在診斷系統方面表現突出，這里采用專家系統來實現故障診斷系統，以滿足基本要求、并快速實現。

1 系統實現方法

專家系統，將人類專家的經驗、知識通過知識庫的形式存儲，使用計算機模擬人類專家的思維方式，使得計算機具有專家的水平解決復雜問題。

專家系統主要是知識庫和推理機的設計，其它還有知識表示、人機交互等，下面主要說明故障診斷系統的知識庫和推理機的設計。

1.1 故障診斷系統的知識庫

系統發生故障時，常常伴有一些現象發生，如異常聲音、某部件異常溫度等，這些能被人直接感知、或通過儀器直接測量，并且不能再進一步細分的現象，將其稱為故障基本現象，下文將其簡稱為故障現象。

這些故障現象及其與故障的關系構成知識庫的基本內容，系統用兩個關聯的表存儲，一是存儲故障信息的表，二是存儲故障現象的表，故障信息表的主鍵ID作為故障現象表的外鍵將兩個表關聯。

系統中存儲的故障現象，應該描述準確、簡單，一般各用戶都可提交故障和故障現象，然后經過多個專家的評審，修改故障和故障現象的描述，然后存入知識庫，確保準確、無歧義。這是系統的基礎，需要經過長時間、大量人員的共同努力才能逐步完善。

1.2 故障診斷系統的推理機

推理機，實現知識的推理。故障診斷系統的診斷過程是，將已發現的故障現象和系統記錄的每個故障的故障現象進行對比，按照匹配度從大到小排序，匹配度越高的越可能是發生的故障。系統的推理為故障現象集合的匹配，具體過程為：

設：

故障A（i）的故障現象為集合C（i）={c（i，1），c（i，2）…c（i，n）}（n>0）

現有故障現象集合T={t（1），t（2）…t（m）}（m>0）

從現有故障現象分析可能故障的過程等價于從已有故障現象集合c（1），c（2）…中找到與T最佳匹配的集合。兩個集合的差異越小，匹配度越大。最佳匹配是已發現的故障現象和某個已知故障A（k）的故障現象集合完全相同。這里的差異包括兩個方面：一是T中有c（k）中沒有的，二是c（k）中有T中沒有的。

用集合的方式表示集合匹配：

先說明一下3個表達式的含義

T-C（k）：T中含有的現象，并且不在C（k）中的現象

C（k）T：C（k）中含有的現象，并且不在T中的現象

Count（T）：T集合中現象的個數

最佳匹配就是將匹配結果按照Count（T-C（k））的降序、Count（C（k）-T）的降序排序，排序位置越靠前，匹配度越高。如圖1所示，兩個圓圈分別表示T和C（k），D1、D2是兩個不同故障現象子集，S是相同的故障現象子集，D1、D2越小，S越大，則T和C（k）匹配度越高。

實際使用時，可能先發現一部分故障現象，然后根據系統提示，確認另外一些故障現象是否發生。復雜情況下，可能有幾種故障同時發生。因此匹配的過程是動態的，隨著已發現故障現象逐漸變化。

2 系統設計

系統采用BS結構，分為故障現象管理、故障診斷、故障現象統計分析、培訓考核、用戶管理五個部分。

2.1 故障現象管理

故障基本現象和故障之間關系是系統的知識庫，是故障診斷的基礎。有兩類人員操作：

一是所有人員可以記錄發現的故障和故障基本現象，如某部件的異常響聲、異常溫度，發生故障時的天氣、溫濕度等各種可能導致故障的因素。

二是經驗豐富的專家對系統記錄的故障和基本現象進行分析整理，刪除不合適的基本現象，添加漏掉的基本現象，修改不準確的描述，合并重復的故障，并對各種疑難進行說明。

系統提供方便的操作界面方便各種增加、刪除、修改操作，在初期將專家的經驗存儲到數據庫中，在運行過程中不斷豐富完善。

2.2 故障診斷

操作人員將已發現的故障現象錄入系統，系統通過關鍵詞匹配故障現象，方便用戶進行選擇，以免出現相同故障現象的描述出現偏差。系統根據已錄入的故障現象集合進行匹配，展現匹配度最高的幾個故障及其故障現象，用戶查看未出現的故障現象，并一一確認，以便精確診斷故障。

2.3 故障現象統計分析

對記錄的故障及故障現象進行各種統計分析，統計各種因素，如人、時間、地點、天氣、溫濕度等，將這些因素和故障現象進行關聯分析，找到現象和各因素可能存在的關系，然后根據找到的規律調整改進診斷、預防策略。

如：統計故障的時間分布規律，找到故障多發時間段，在該時間段增加檢測次數。統計各部件的故障規律，針對各部件定制檢測時間，可以做到預防故障發生。

從系統統計的大量數據中，運用數據分析技術，盡可能的分析故障數據的關聯關系，就可以有針對性的進行預防，如可以制定合適的檢測時間周期，在溫度達到邊界值時增加檢測頻率，在部件運行達到一定時間后進行針對性的檢測，預防故障發生。

2.4 培訓考核

采用系統記錄的故障現象，對工作人員進行培訓考核，如網絡考試方式，使工作人員盡快熟悉各種故障現象。

為保證公平，同場考試中，每人所用試卷的題目應該一樣，同時至少保證相鄰位置的試卷不同，可對答案和順序通過處理，使得各試卷不一樣。系統中，試題和答案隨機排序，避免考試答案固定。用戶可以通過多次答題，熟悉各種故障現象。

系統對用戶的答題情況進行統計，分析出錯率高的題目，并且有針對性的出題。統計每個用戶擅長診斷的故障，并在分配工作時進行針對性的安排。

2.5 用戶管理

對使用系統的用戶進行增刪改操作，并對用戶的權限進行增刪改操作。系統用戶分為兩種：普通用戶、管理員。普通用戶的主要功能有：注冊、登錄、提交故障數據、查詢故障、評價修改故障數據、對故障數據進行統計分析、網絡考試、修改個人密碼等。管理員的主要功能有：普通用戶的功能、管理用戶、數據的導入導出、試卷的管理等。

系統需檢查每個輸入的合法性，防止非法數據導致的異常，如登錄中非法字符、登錄次數限制等。

3 小結

本文分析了故障診斷系統的原理，描述了系統功能設計。在實際應用中，系統實現了較好的效果。下一步需要簡化故障現象錄入工作，并考慮如何輔助故障的整理歸檔工作，以便減輕人員的工作量，并提高準確性。在特定的系統中，故障現象之間有穩定的關聯關系，可以通過該關聯關系進一步提高匹配的準確度。如果能和傳感器網絡結合起來，在特定的點采集相應的信息，比如溫濕度、聲音等，系統將在一定程度上達到自動故障預警的效果。