基于規(guī)則實例的機(jī)車整備作業(yè)故障診斷系統(tǒng)

張嘉宇

摘要：隨著時代的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，機(jī)車上的電力電氣設(shè)備越來越復(fù)雜，因此對機(jī)車的故障判斷越來越困難。故障診斷專家系統(tǒng)是將人類在故障診斷方面的多位專家具有的知識、經(jīng)驗、推理、技能綜合后編制成的大型計算機(jī)程序，它可以利用計算機(jī)系統(tǒng)幫助人們分析解決復(fù)雜問題。本文介紹了專家系統(tǒng)在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用情況，闡述了國內(nèi)外故障診斷專家系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對目前研究較成熟的故障診斷專家系統(tǒng)模型進(jìn)行了分析，最后結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用實現(xiàn)了集成整備作業(yè)功能與遠(yuǎn)程診斷功能一體的基于規(guī)則實例的機(jī)車故障診斷系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：故障診斷;整備作業(yè);專家系統(tǒng);便攜式設(shè)備

1.研究背景

專家系統(tǒng)在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，長期以來，在航空、航天、電力、機(jī)械、化工、船舶等許多領(lǐng)域，故障檢測與診斷技術(shù)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，使工程的安全性與可靠性得到保證。

故障診斷專家系統(tǒng)的發(fā)展起始于20世紀(jì)70年代末，在電路與數(shù)字電子設(shè)備、機(jī)電設(shè)備等各個領(lǐng)域已取得了令人矚目的成就，已成為當(dāng)今世界研究的熱點之一。

在專家系統(tǒng)己有較深厚基礎(chǔ)的國家中，機(jī)械、電子設(shè)備的故障診斷專家系統(tǒng)已基本完成了研究和試驗的階段，開始進(jìn)入廣泛應(yīng)用。MIT制作了用于模擬電路操作并演繹出故障可能原因的EL系統(tǒng);美國海軍人工智能中心開發(fā)了用于診斷電子設(shè)備故障的IN-ATE系統(tǒng);波音航空公司研制了診斷微波模擬接口MSI的IMA系統(tǒng)等等。

國內(nèi)在故障診斷專家系統(tǒng)方面起步于20世紀(jì)80年代，國內(nèi)部分高校和科研機(jī)構(gòu)首先在汽車故障診斷領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)進(jìn)行了研究，部分文獻(xiàn)已經(jīng)達(dá)到國外同等水平。隨后在其他電子設(shè)備領(lǐng)域和電力應(yīng)用領(lǐng)域相繼進(jìn)行了故障診斷專家系統(tǒng)的研究，有一些系統(tǒng)已投入了實際運行。華中科技大學(xué)研制了用于汽輪機(jī)組工況監(jiān)測和故障診斷的智能系統(tǒng)DEST;哈爾濱工業(yè)大學(xué)和上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所聯(lián)合研制了汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷專家系統(tǒng)MMMD-2;清華大學(xué)研制了用于鍋爐設(shè)備故障診斷的專家系統(tǒng)等等。

對機(jī)車的故障診斷目前采用的方法主要為：在機(jī)車行進(jìn)途中根據(jù)故障現(xiàn)象，由現(xiàn)場的機(jī)車乘務(wù)員進(jìn)行故障分析、判斷，然后采取相應(yīng)的故障處理措施。由于機(jī)車乘務(wù)員和對應(yīng)的機(jī)車不固定，造成故障判斷困難。再者電力機(jī)車上的電力電氣設(shè)備越來越復(fù)雜，因此對機(jī)車的故障判斷越來越困難。目前一旦機(jī)車中途故障停車無法修復(fù)時，救援機(jī)車就需要帶著維修技術(shù)人員前往救援。故障如不能及時處理，對鐵路運輸以及安全生產(chǎn)帶來的損失是巨大的。

針對機(jī)務(wù)段的機(jī)車整備作業(yè)，使用便攜設(shè)備進(jìn)行整備試驗的指導(dǎo)，監(jiān)控機(jī)車數(shù)據(jù)，給出分析報表，并在數(shù)據(jù)下載及傳輸?shù)耐瑫r，在后臺服務(wù)器建立機(jī)車故障診斷系統(tǒng)，對作業(yè)員進(jìn)行指示。機(jī)車故障診斷系統(tǒng)采用知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的技術(shù)，忽略機(jī)車正常情況下的數(shù)據(jù)，將機(jī)車異常狀態(tài)的每一時刻的實時數(shù)據(jù)儲存起來。這些歷史數(shù)據(jù)供系統(tǒng)進(jìn)行知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘，即決策規(guī)則提取。在決策規(guī)則提取之前，首先對決策表進(jìn)行預(yù)處理，大大縮減規(guī)則提取所需的時間，提高系統(tǒng)規(guī)則提取的效率。然后將提取出的規(guī)則作為預(yù)先的規(guī)則庫，用于系統(tǒng)對未來的機(jī)車實時數(shù)據(jù)進(jìn)行以規(guī)則樹的規(guī)則匹配方式進(jìn)行診斷。對于新的故障診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，然后將相似的規(guī)則以及對應(yīng)的實例輸出供作業(yè)員參考。最后作業(yè)員將最終的診斷結(jié)果輸入，形成一個新的實例，然后由系統(tǒng)更新規(guī)則庫，實現(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

便攜設(shè)備可連接車輛總線，從總線上讀取數(shù)據(jù)，并實時回傳至服務(wù)器。車載數(shù)據(jù)是故障診斷專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料。

提供一套軟件，該軟件在機(jī)務(wù)段/車輛段的服務(wù)器上執(zhí)行。當(dāng)動車組運行過程中發(fā)生故障，待動車組回到機(jī)務(wù)段/車輛段后將故障數(shù)據(jù)下載（或者拷貝）到服務(wù)器上，利用故障診斷軟件對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷出具體故障原因及故障處理方法，并生成故障判斷結(jié)果，將此結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中。

3.故障診斷系統(tǒng)

現(xiàn)階段車輛故障診斷主要針對兩方面內(nèi)容開發(fā)：

（1）故障發(fā)生后，通過分析故障數(shù)據(jù)，給出故障發(fā)生的原因及解決故障的方法;

（2）故障發(fā)生前，實現(xiàn)一定程度的故障預(yù)判。

專家系統(tǒng)的知識庫由規(guī)則庫和事實庫組成，規(guī)則庫中存放產(chǎn)生式規(guī)則的集合;實例庫中存放實例的集合，包括輸人的實例或中間結(jié)果（事實）和最后推理所得的一些事實。

屬性約簡可以在不降低數(shù)據(jù)整體分類能力的情況下去除數(shù)據(jù)中的冗余屬性，大大減少數(shù)據(jù)處理所需的時間和系統(tǒng)資源，提高數(shù)據(jù)的處理效率。將數(shù)據(jù)表進(jìn)行屬性約簡過后，然后進(jìn)行決策規(guī)則提取，就可以得到有關(guān)該故障的所有決策規(guī)則。

依據(jù)故障樹依次求出所有故障的決策規(guī)則，數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程結(jié)束。

經(jīng)過之前的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，我們已經(jīng)得到了數(shù)據(jù)分析和檢測所需要的規(guī)則集。只需要將便攜設(shè)備傳遞到服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則匹配就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和實時監(jiān)測的功能。

規(guī)則匹配的方法主要分為完全匹配和部分匹配方法。我們將兩種方法結(jié)合，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行完全匹配，如果能夠找到與之完全匹配的規(guī)則，則輸出匹配結(jié)果;如果找不到與之完全匹配的規(guī)則，則對其進(jìn)行部分匹配。

對于新的故障數(shù)據(jù)，如果可以完全匹配到某一規(guī)則，則不予處理，僅更新規(guī)則的支持度;如果無法完全匹配到某一規(guī)則，則添加到歷史數(shù)據(jù)中，更新規(guī)則庫。

遠(yuǎn)程診斷功能的實現(xiàn)，首先將故障樹模型進(jìn)行軟件化，并與便攜設(shè)備進(jìn)行軟件故障樹模型交互展示。依靠數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)文件建立算法模型，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及故障標(biāo)志，套用算法模型進(jìn)行比對，以達(dá)到故障診斷的效果。

4.總結(jié)

本文介紹了一種集成整備作業(yè)功能以及遠(yuǎn)程診斷功能的基于規(guī)則實例的機(jī)車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。設(shè)計了一種新型的便攜式設(shè)備，可以對司機(jī)進(jìn)行提示逐步進(jìn)行整備作業(yè)，也可以從機(jī)車總線上讀取數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器端供系統(tǒng)對機(jī)車運行狀況進(jìn)行監(jiān)測，同時也具備幫助司機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷的功能，提示操作員進(jìn)行故障排除。本系統(tǒng)的核心功能是故障檢測專家系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)自動地識別數(shù)據(jù)異常，進(jìn)而判斷出機(jī)車的故障，然后將診斷結(jié)果以及對應(yīng)的實例、故障解除操作提示等信息返回給操作員。并且本系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)功能，可以不斷完善自己的規(guī)則庫。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳明強(qiáng)， 史慧， 朱曉華， 等. 故障診斷專家系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀與展望[J]. 計算機(jī)測量與控制， 2005， 13（012）： 1301-1304.