基于CLIPS的數控機床故障診斷專家系統研究*

□ 何彥虎 □ 錢振華 □ 朱建偉 □ 問朋朋

湖州職業技術學院機電分院 浙江湖州 313000

基于CLIPS的數控機床故障診斷專家系統研究*

□ 何彥虎 □ 錢振華 □ 朱建偉 □ 問朋朋

湖州職業技術學院機電分院 浙江湖州 313000

針對數控機床的故障診斷，提出了基于專家系統的智能故障診斷方法，闡述了其實現的基本原理、專家系統的基本組成和開發步驟。對目前CLIPS與高級語言VC++的混合編程進行了優化，并對混合編程的方法進行了介紹。敘述了CLIPS與VC++基于文本平臺交互的基本原理與實現方法，該方法彌補了傳統的基于VC++開發環境的不足，大大提高了開發速度與質量。最后，對基于FAT的數控機床故障分析進行說明，并對開發過程進行了介紹，以實例形式說明了專家系統開發的過程，對其它基于CLIPS的專家系統開發具有參考價值。

推理 故障診斷 專家系統 CLIPS

數控機床是制造業最常用的設備，它集機、電、液于一體，復雜性高，維修難度大，對維修人員的要求極高，即使一個經驗豐富的維修師，有時也需要比較長的時間去維修，因此智能化的維修方法近年來得到廣泛的研究和應用。智能化維修理論主要有：基于模糊集的維修方法，基于神經網絡的維修方法，還有比較常用的基于專家系統的維修方法。專家系統可以將專家的維修思想用智能化語言實現，維修的時候，只需要查詢專家系統，便可以得到比較滿意的維修方法，更重要的是專家系統可以不斷地再學習和完善。目前已經有較多的專家系統得到成功應用，其編程一般采用智能化設計語言完成。CLIPS是繼Prolog之后被廣泛使用的人工智能語言，它是用C語言實現的，繼承了Prolog語言的優點，并進行了改進，因效率高，可移植性強而得到廣泛的應用［5］。CLIPS是產生式專家系統開發工具，結構簡潔，采用模塊化編程，與C、VB、Pascal等語言的兼容性強。VC++不擅長邏輯推理，但在人機界面及數據庫操控方面優勢明顯，而CLIPS在邏輯推理方面功能強大。因此，二者的混合編程能產生良好的效果。文獻［1］采用Define Function函數實現二者的交互，文獻［2］采用故障樹的方法分析故障，文獻［3］采用了實體的故障分析方法，在交互模式上采用了函數指針方式，文獻［4］采用了基于VC++環境的交互方式。

1 CLIPS基本組成

CLIPS的優點在于良好的可移植性和高效模式匹配算法，其構成的專家系統包括：規則（Defrule）、事實（Deffacts）、推理（Agenda），如圖2所示。

事實由關系名（Relation Name）及槽值（Slot）組成，表示已知的信息。事實一般先用自定義模板定義事實結構，形式如下：

在推理時，CLIPS會把所有的事實添加到存儲器中，并提供了添加事實庫指令 （Assert）、刪除事實（Retract）指令等多個關于事實的操作指令。

規則是推理的相關知識，其格式如下：

CLIPS的推理循環可分為4個階段：①模式匹配，按照算法掃描知識庫中所有規則，把規則的前件與當前事實相匹配；②沖突消解，當多條規則同時被匹配時，根據預先確定的沖突消解策略，確定觸發規則；③激活規則，調用匹配所觸發規則的所有事實；④動作，CLIPS推理機重復上述循環，不斷地掃描規則的模式，并把匹配成功的規則激活，放入議程（Agenda）之中。

2 專家系統結構設計

依據專家系統原理，故障診斷專家系統主要組成有：事實庫、推理機、知識庫、解釋機構及人機界面等部分，系統的總體結構如圖1所示。

領域專家把相關的知識輸入到專家系統中，即以規則表示的知識表示出來，則專家系統的推理過程可以模擬專家的推理過程，進而滿足用戶的需求。數據庫也稱“黑板”，主要用來存儲相關領域的事實、數據等信息。推理機是實現專家系統推理的一組程序，是根據數據庫的內容，按照某種推理策略，運用知識庫的知識完成推理，是專家系統的主要任務，推理方法有正向推理和反向推理，策略常用廣度優先和深度優先策略。

▲圖2 專家系統結構

3 CLIPS與VC++交互的關鍵技術

目前CLIPS版本仍是基于命令模式，人機界面主要由VC++完成，這就要求二者之間進行交互。CLIPS與VC++的交互模式基本有兩種：基于VC++環境和基于CLIPS環境兩種：前者的基本思路是，CLIPS只實現推理功能，其它功能如讀（Read）、寫（Printout）、人機界面等功能全部由VC++實現，CLIPS類似一個函數，被高級語言調用，實現其推理功能，這種方式目前使用最多，這種方式的最大不足是CLIPS的許多功能由VC++完成，即沒有利用好CLIPS的強大功能，也增加了VC++開發的工作量，另外，調試必須在VC++環境下，速度較慢，而且也得不到CLIPS的調試信息；后者的基本思路是，由VC++實現其人機界面功能，其它的功能由CLIPS實現，調試在CLIPS環境下，特別適合程序的調試，因為調試時系統會提供大量的調試信息，速度快，比較方便，而且與VC++的版本關系不大，方便移植，但是必須要解決一個難題，就是如何改進CLIPS編程，以便讓VC++識別。這種交互的基本組成構架如圖3所示，筆者采用后者完成。

▲圖3 CLIPS與VC++交互示意圖

這種交互的要求是在CLIPS環境下調試的程序不改變或很少改變后便能被VC++識別和執行，要實現這個要求，關鍵是解決Printout和Read語句的處理。

3.1 CLIPS與VC++交互環境的構建

要實現二者的交互，首先需要一個clips.dll的動態庫文件和包裝類文件CLIPWrap，二者在Clips的網站上可以下載。為了讓VC++可以調用CLIPS中的類，需要把clipwarp文件夾中的dynclips.h和dyaload.h兩個頭文件添加到VC++的include文件夾下，并把clips.dll和Clips.lib、rsvarcol.cpp和Rsvarcol.h放到VC++的工程目錄下，以便讓VC++搜索到，這樣，工作環境就建立了起來，VC++可以調用clips的所有函數了。

3.2 用printout語句實現交互的方向控制

在Clips下，（printout f“”）表示將信息顯示到終端設備上 （默認是顯示器），如要求在VC++的edit編輯框中顯示信息，則使用下述語句：

3.3 read語句

因為在CLIPS環境下read語句默認的是從顯示終端上獲取數據，而VC++在執行這條語句時，并不是從顯示器終端上獲取數據，所以不處理就使用將會造成死機或不能用。許多開發者不得不將該語句轉換成相同功能的高級語言來實現，使程序結構變差。利用下面的語句將會很好地解決這個問題，CLIPS從InFile. txt文件中讀數，而VC++向該文件中寫數，InFile.txt是數據交換的緩沖區。

4 故障診斷專家系統的CLIPS實現

數控機床由機床本體、伺服系統、主軸伺服系統、檢測系統、CNC系統、液壓潤滑等組成，是典型的機電一體化產品，其故障類型多，維修復雜。要實現專家系統的故障診斷，首先要建立故障的分析方法，目前最常用的是故障樹分析法 （FTA），FTA是20世紀60年代發展起來的大型復雜系統的分析方法，故障樹能比較直觀地表達故障，可靠性和安全性好。實現故障推理，一般要進行規則庫和事實庫的定義和編程、定義故障樹、初步調試、人機界面的編程、聯調等過程。

4.1 知識表示

專家系統的知識表示方法很多，為了便于推理，筆者采用了如下定義方法：

（deftemplate N （slot Fnum）（slot name）（slot type）（slot question）（slot yesN）（slot noN）（slot answer）（slot CF）（slot weight）（slot threshold））；Fnum是故障編號，name為故障結點名，yesN表示可信度為1的結點。cf為可信度，weight為權重，threshold為閾值，當故障比較模糊的時候會用可信度表示。

4.2 事實定義

事實定義可以用deffact定義。

（N（fnum 1）（name root）（type decision）（question "跳過斷路器接入電源，工作是否正常？"）（yesN node1）（noN node2）（answer nil）（CF 0.7）（weight 0.2）（threshold nil））。

4.3 VC++側編程

首先要完成初始化工作，調用類OnInitDialog（）實現，主要完成初始化、加載知識庫等動作，關鍵語句如下所示：

推理是專家系統按照知識庫的規則，從事實庫中提取事實，完成推理，關鍵的語句是：

加載事實是加載事實庫，即將事實文件打開，主要語句是：

4.4 調試

調試工作一般是在CLIPS環境下進行，由此系統運行速度很快，而且錯誤提示清楚，提高了開發速度，調試界面如圖4所示。

▲圖4 調試界面

4.5 建立數控機床故障診斷樹

故障樹由頂事件、中間事件、底事件組成，中間事件是頂事件的故障現象，底事件是中間事件的故障發生原因。為說明專家系統的構建，現從一個實例進行說明故障樹的CLIPS表示方法，如圖5所示。

▲圖5 推理關系示意圖

各節點代表的含義：

A：過電流報警（用故障代號fnum表示）。

B：先關斷電源，十分鐘

后合閘，斷路器是否跳閘。

C：請檢查速度控制板二極管模塊Ds是否短路。

E：模塊損壞更換新模塊。

F：無故障，可以繼續工作。

D：請檢查DS部件連接的電容是否短路，測試正反向電阻。

I：該電容損壞，請更換新電容。

H：跳過斷路器接入電源，工作是否正常。

K：空氣斷路器故障，更換新的斷路器。

M：故障原因是伺服單元不良。

以伺服過電流報警為例進行推理過程說明，伺服過電流故障的原因主要有：過載、功率模塊損壞、電容失效、伺服單元故障等，推理開始要求選擇故障現象，如圖6所示。然后專家系統會向用戶詢問若干問題，如“先關斷電源，十分鐘后合閘，斷路器是否跳閘？”，用戶根據提示選擇是或否，如圖7所示。最后推導出下一個問題或結論，如圖8所示。

▲圖6 故障選擇界面

▲圖7 故障推理界面

▲圖8 推理結論畫面

5 結束語

闡述了基于文本平臺的CLIPS與VC++的交互技術，彌補了傳統的基于VC++環境開發方法的不足，解決了開發過程中遇到的混合編程調試難問題，基于FAT的故障診斷分析方法，對數控機床專家系統開發具有較好的適應性，對其它基于CLIPS的專家系統的開發具有重要的參考價值。

［1］鄧海平，何玉林，杜靜.CLIPS嵌入VC++技術的實現與應用［J］.計算機工程與應用，2005（15）：88-91.

［2］羅天洪，楊彩霞，孫冬梅.基于故障樹的汽車起重機液壓故障診斷專家系統［J］.機械科學與技術，2013（4）：32.

［3］寧志強，陶元芳，楊家威.基于CLI PS轎機起升機構設計型專家系統［J］.中國工程機械學報，2013（5）：425-430.

［4］寧志強，陶元芳，劉曉蓮.CLI PS數值應用與VC++的交互［J］.計算機技術與發展，2013（4）：226-229.

［5］沈大偉，侶莊誠，王學雷.基于CUPS的故障診斷專家系統開發［J］.化工自動化及儀表，2012，39（4）：43-44.

［6］燕繼明，石榮波.數控機床維修專家系統中的知識表示［J］.機床與液壓，2013，41（3）：155-158.

［7］張治杰.測控裝備故障診斷專家系統的設計與實現［J］.艦船電子工程，2012（6）：22-24.

［8］溫國誼，查光東，張翔.基于CLIPS的某型飛機故障診斷專家系統的設計與實現 ［J］.中南大學學報 （自然科學版）2013，44（7）：157-160.

［9］劉治國，蔡增杰，穆志韜，等.基于CLIPS的飛機液壓系統故障診斷專家系統構建研究［J］.海軍航空工程學院學報，2011，26（1）：46-48.

（編輯 丁 罡）

TP182

A

1000-4998（2015）09-0062-04

*浙江省教育廳科研資助項目（編號：Y201327877）

2015年3月