船舶壓縮制冷裝置故障診斷專家系統(tǒng)的設計

薛海龍 路詩奎 王 歡

（1.南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系，江蘇 南通226006；2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

作為船舶的重要輔助設備，船舶伙食冷庫和空調裝置的正常運行對保證船員的生活、工作條件和降低能耗都具有重要的意義。然而，由于船舶運輸的特殊性以及船員對制冷裝置不規(guī)范的操作，使得制冷裝置出現(xiàn)故障的可能性大增，勢必影響到全船人員的生活和工作。本文結合領域專家的實際經驗，對船舶壓縮制冷裝置的一些故障現(xiàn)象及其處理過程逐一進行分析，提出了船舶制冷裝置故障診斷專家系統(tǒng)的設計思路，希望能對相關工作人員提供一定的幫助。

1 機械故障診斷技術的發(fā)展及其意義

現(xiàn)代化的機械設備正向著大型化，集成化、高速化，連續(xù)化和自動化的方向發(fā)展，其組成和結構也越來越復雜，這就相應的對設備的故障診斷提出了更高的要求。故障診斷（Fault Diagnosis）技術是一門新興的科學技術。故障診斷研究的直接目的是為了提高診斷的精度和速度、降低誤報率和漏報率、確定故障發(fā)生的準確時間和部位，并估計出故障的大小和趨勢［1］，并針對具體情況做出維護決策。隨著計算機處理能力的飛速發(fā)展，以及人工智能技術、神經網絡技術的發(fā)展，使設備維修也達到了智能化的程度［2］。

2 故障診斷專家系統(tǒng)的含義和組成

2.1 專家系統(tǒng)及其發(fā)展

專家系統(tǒng)（ES）是人工智能技術（AI）的一個重要分支，是將人類在故障診斷方面的專家所具有的知識、經驗、推理、技能等綜合后編制成計算機程序。專家系統(tǒng)必須包含領域專家的大量知識，擁有類似人類專家思維的推理能力并能用這些知識來解決實際問題［3］［4］。它可以利用計算機程序幫助人們分析解決復雜問題并能夠與決策者進行“交流”［5］，并應用相應的推理方式提供維修建議。專家系統(tǒng)在故障診斷領域的應用非常廣泛。

2.2 本系統(tǒng)基于故障樹的船舶制冷裝置故障分析的設計思路

由于船舶制冷裝置系統(tǒng)龐大而復雜，容易出現(xiàn)知識的匹配沖突情況。其故障種類繁多，采用故障樹分析法分析并解決故障是一個有效的解決途徑。故障樹分析法 （FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis）是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐級細化的分析方法。把已發(fā)生的事件稱為頂事件，勿需再深究的事件稱為底事件，介于二者之間的一切事件稱為中間事件，然后用相應的符號代表這些事件，再用適當的邏輯門把各事件聯(lián)結成樹形圖，就是故障樹［6］［7］。本系統(tǒng)的故障樹結構可用如下圖1所示。

對應于圖1所示的故障樹，系統(tǒng)故障被稱為故障樹的頂事件，本系統(tǒng)以符號Fn表示，各元件故障被稱為底事件，本系統(tǒng)用Cn表示。為了便于分析，我們假設系統(tǒng)及各部件都只有正?；蚴煞N狀態(tài)，則底事件可定義為：

圖1 本系統(tǒng)所使用的故障樹分析結構示意圖

若頂事件的狀態(tài)用Ф表示，則其必然是底事件的狀態(tài)x（x＝C1，C2，..）的函數，即

Ф＝F（x）（x＝C1，C2，..）

2.3 本系統(tǒng)軟件的設計框架

構建專家系統(tǒng)時，首先要獲取該領域的專業(yè)知識；再進一步概括，形成概念并建立起各種關系，形成較為完善的故障信息數據庫；接著把這些知識符號化，用合適的計算機語言實現(xiàn)知識組織和求解問題的推理機制，建成專家系統(tǒng)的原型系統(tǒng)；最后通過測試評價，在此基礎上進行改進以獲得預期的效果［8］。根據以上的功能要求，通常所建造的專家系統(tǒng)必須包括：數據庫（儲存已有的知識）、推理程序（由故障現(xiàn)象找出原因）、解釋程序（將原因顯示為結論或維修建議）以及知識獲取程序（用新的知識更新數據庫）［9］。在處理實際問題時，專家系統(tǒng)從數據庫出發(fā)，調用知識庫中的相應知識，經過推理程序來獲得所需要的結論，最終提供維修建議。本系統(tǒng)的結構如下圖2所示：

圖2 本系統(tǒng)的結構示意圖

3 本系統(tǒng)故障庫及故障點設計

3.1 船舶壓縮制冷系統(tǒng)的系統(tǒng)特點

船舶上采用壓縮制冷，其核心原理可簡單描述為：液體氣化吸熱，且液化和氣化都和作用在其上的壓力有關。主要部件有壓縮機（Compres－sor）、冷凝器（Condenser）、節(jié)流（Throttle Valve）或膨脹裝置（Expansion Device）、蒸發(fā)器（Evaporator）等組成封閉的制冷循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑則在系統(tǒng)中循環(huán)工作。本系統(tǒng)所描述的船舶壓縮制冷裝置簡圖如圖3所示：

圖3 船舶壓縮制冷裝置原理圖

3.2 本系統(tǒng)的故障點設計

為了能夠更好地完成必要的功能，并適應船舶航行的特殊要求，現(xiàn)實中使用的壓縮制冷裝置要復雜很多。因此需要檢測的位置也很多，而且會因具體的布置而不同。根據以往經驗，領域專家給出了一些常用的監(jiān)測位置。單就壓縮機一項來說，就需要有如下幾個監(jiān)測位置：吸入壓力和溫度，排出壓力和溫度，滑油壓力，滑油液位，原動機轉速，冷卻水進口出口溫度；至于其他元件如冷凝器，蒸發(fā)器等，受篇幅限制不再一一敘述。具體簡圖如圖4所示：（圖中標有sensor的即為監(jiān)測位置）

3.3 本系統(tǒng)的故障信息庫設計

為構建本系統(tǒng)，我們借鑒領域專家的經驗［10］，制作出船舶壓縮制冷裝置故障庫。該數據庫匯集了已經發(fā)現(xiàn)的大部分故障，分析了可能的原因，并提供了解決方案以供參考。該數據庫也會隨著新發(fā)故障的增多而變得越來越完善。數據庫部分數據表如下表1、表2、表3所示。

表1 船舶壓縮制冷裝置故障匯總數據庫（局部）

表2 針對故障F2的故障原因庫

表3 針對故障F2的故障原因的解決方案信息庫

4 故障診斷專家系統(tǒng)的軟件基礎框架設計

4.1 V B＆ACESS軟件的數據通信設計

本系統(tǒng)使用Visual Basic 6.0作為前臺開發(fā)工具，Access作為后臺數據庫，開發(fā)數據庫應用系統(tǒng)。具體步驟為：在Access中將空白的數據庫建立好之后，可以選擇控制面板／管理工具／數據源（ODBC），打開“ODBC數據源管理器”，創(chuàng)建數據源，然后，前臺與后臺之間通過ADO（Active Data Objects）進行關聯(lián)。［11］

本系統(tǒng)的設計思路為：將故障庫中的故障分別設為代碼Fn（n為自然數），第一級原因代碼Cn，次級原因設為CnCm（m為自然數），以此類推。解決方法代碼設為Rn，次級原因對應的解決方法代碼設為RnRm（m為自然數），以此類推。其編碼思路如下圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件代碼結構示意圖

4.2 軟件的基本功能模塊設計

為了便于用戶使用，且使系統(tǒng)功能盡可能的完善，開發(fā)的船舶壓縮制冷裝置故障診斷專家系統(tǒng)包括六個模塊，如下圖6所示。

圖6 本系統(tǒng)模塊結構示意圖

4.3 本系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)控制界面設計

本系統(tǒng)的界面是機艙管理人員與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通訊接口，借助于界面可以向系統(tǒng)發(fā)出各種控制指令，而系統(tǒng)通過界面向機艙管理人員提供直觀的系統(tǒng)狀態(tài)圖、動態(tài)工作過程圖、各種工況下的穩(wěn)性調節(jié)過程、參數顯示及報警、實時趨勢和歷史趨勢顯示等。因此，MMI（Man2Machine Interface）界面和檢測界面設計如下圖7所示。

圖7 本系統(tǒng)的監(jiān)測界面設計

5 本系統(tǒng)的優(yōu)點和不足

本系統(tǒng)界面友好，操作簡單。在制冷裝置的運行周期內持續(xù)使用本軟件，則既有的故障可以得到查詢，新發(fā)故障及其解決方案又可以不斷補充更新數據庫中。這樣，可以逐漸豐富故障的種類，以及解決方法甚至教訓，使得后續(xù)的運行管理有據可查，大大減少惡性故障的發(fā)生率，能夠顯著提高制冷裝置的經濟效益；對于輪機員來說，則可以彌補其知識更新不到位的問題。本系統(tǒng)可以作為一線人員的維修顧問。但是，本系統(tǒng)的維護需要一定的計算機知識，而且數據庫的建立往往滯后于新技術的發(fā)展，數據庫的更新需論證，且周期長，耗費較高。同時，遠程更新也存在困難。

1 王秋彥，鞠建波，宋振宇，故障診斷技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.電子測量技術，2009，32（4）：5－8

2 楊國安.機械設備故障診斷實用技術［M］.北京：中國石化出版社，2007

3 李宏娟.基于規(guī)則和案例的壓縮機集成故障診斷專家系統(tǒng)研究［D］.湖南大學碩士論文，2008

4 安茂春.故障診斷專家系統(tǒng)及其發(fā)展［J］.計算機測量與控制，2008，16（9）：1217－1219

5 YONG Moon Park，WANG－WON KIM，JIN－MAN，sohn.Logic based expert system（LBES）for fault diagnosis of power system［J］.IEEE Transaction on Power Systems，1997，12（1）：363

6 朱繼洲.故障樹原理與應用［M］.西安：西安交通大學出版社，1989

7 L.P.Khoo，S.B.Tor and J.R.Li.A Rough Set Approach to the Ordering of Basic Events in a Fault Tree for Fault Diagnosis.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.（2001）17：769－774

8 吳信東.專家系統(tǒng)設計［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，1990

9 余化.空壓機系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的研制［D］.華中科技大學碩士學位論文，2006.4

10 熊國維.制冷和空調設備檢修手冊［M］.北京：經濟日報出版社，1993

11 謝卓成.基于VB和Access的InTouch報表系統(tǒng)的開發(fā)［J］.工業(yè)控制計算機，2010，23（9）：3－6