基于FTA的數(shù)控機(jī)床電源故障診斷專家系統(tǒng)研究

吳 毅楊文廣 蔣東翔

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西九江 2.清華大學(xué)熱能工程系 北京）

數(shù)控機(jī)床集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)于一體[1]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁多，發(fā)生故障的幾率較高，而數(shù)控機(jī)床的電源系統(tǒng)是其高發(fā)故障設(shè)備之一。因此，對(duì)此類故障診斷的研究有實(shí)際意義。

一、故障樹分析法簡(jiǎn)介

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱FTA）是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Watson等提出和發(fā)展的一種將系統(tǒng)故障形成的原因由上至下，按產(chǎn)品層次以樹枝狀逐級(jí)細(xì)化的分析方法，是對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)或使用中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析的常用工具[2]。

FTA一般以系統(tǒng)中最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)為分析目標(biāo)（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(guān)系用邏輯門聯(lián)系起來(lái)，形成樹形圖結(jié)構(gòu)，表示故障的因果關(guān)系。FTA既可以用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，也可以用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)于定量分析。

二、數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)故障樹的建立

FTA的關(guān)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(zhǔn)確性。

數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其故障率較高，且具有一定的危險(xiǎn)性，在日常維護(hù)和修理時(shí)要特別注意。選定數(shù)控機(jī)床電源故障為頂事件，以上電后系統(tǒng)無(wú)反應(yīng)、上電即跳閘和工作過(guò)程中跳閘作為中間事件，分析導(dǎo)致頂事件和中間事件的各種原因及其組合，逐級(jí)向下演繹，一直追溯到引起系統(tǒng)發(fā)生故障的全部原因，即分析到底事件為止。然后，根據(jù)各級(jí)事件的邏輯關(guān)系，建成以頂事件為根、中間事件為節(jié)、底事件為葉的具有若干級(jí)的倒置故障樹（圖 1）[3]。

圖1 數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)故障樹

圖2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三、專家知識(shí)庫(kù)的建立

數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)的專家知識(shí)庫(kù)是依據(jù)數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)故障樹建立的，專家系統(tǒng)是將人類專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)輸入到計(jì)算機(jī)中，使計(jì)算機(jī)能夠“思考”和“推理”，從而解決問(wèn)題的人工智能方法[4]。一個(gè)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)由知識(shí)獲取系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、解釋器、輸入輸出系統(tǒng)組成（圖2）[5]。

1.知識(shí)獲取系統(tǒng)

知識(shí)獲取系統(tǒng)是專家系統(tǒng)的界面，是知識(shí)工程師采用專題面談、口語(yǔ)記錄分析等方式取得知識(shí)，經(jīng)過(guò)整理后再輸入知識(shí)庫(kù)。

2.知識(shí)庫(kù)

知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)與建造是專家系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵性工作。知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)了大量的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則，以被系統(tǒng)推理判斷之用，具有知識(shí)存儲(chǔ)、編排、檢索、增刪、修改和擴(kuò)充等功能。一個(gè)專家系統(tǒng)性能高低取決于知識(shí)庫(kù)的可用性、確定性、完善性。

文中依據(jù)故障樹來(lái)建立數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，對(duì)于故障樹的表述來(lái)說(shuō)，故障樹的頂事件對(duì)應(yīng)于專家系統(tǒng)需要診斷的故障，底事件對(duì)應(yīng)于專家系統(tǒng)的推理結(jié)果，故障樹由頂?shù)降椎膶哟魏瓦壿嬯P(guān)系對(duì)應(yīng)于專家系統(tǒng)的推理過(guò)程，而最小割集是聯(lián)系故障樹與專家系統(tǒng)診斷知識(shí)庫(kù)的關(guān)鍵，故障樹的樹枝對(duì)應(yīng)于知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，故障樹的樹枝數(shù)等于知識(shí)庫(kù)所包含規(guī)則的個(gè)數(shù)，知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)來(lái)源于故障樹[6]。從圖1中可以看出數(shù)控機(jī)床電源故障的最小割集有X1、X2……X15，共計(jì)15個(gè)，故障樹有24個(gè)樹枝，對(duì)應(yīng)在專家系統(tǒng)中存儲(chǔ)為24條規(guī)則。

3.推理機(jī)

它利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，按一定的推理策略，去求解提出的專門問(wèn)題，有啟發(fā)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(shuō)明專家系統(tǒng)與用戶之間交互作用所涉及的問(wèn)題、結(jié)論、推理過(guò)程、因果關(guān)系，通常推理結(jié)果只是簡(jiǎn)單的描述，而對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，還要將結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以理解的語(yǔ)言。

5.輸入輸出系統(tǒng)

輸入輸出系統(tǒng)是用戶與專家系統(tǒng)人機(jī)交互界面，是數(shù)控機(jī)床電源故障專家系統(tǒng)與用戶間交互的平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，操作人員可以進(jìn)行故障知識(shí)的積累，也可以進(jìn)行故障的診斷操作。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)基于清華大學(xué)自主研發(fā)的故障診斷專家系統(tǒng)IMDBuilder軟件[7，8]開發(fā)，其平臺(tái)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(chǎn)生式規(guī)則、模糊邏輯等多種知識(shí)表達(dá)方法。

此例中采用事件樹規(guī)則，包含頂事件、中間事件、底事件和或門。使用靜態(tài)單槽模板，左部和右部之間不使用模式變量。故障樹節(jié)點(diǎn)定義的語(yǔ)法如下：

由于該系統(tǒng)采用.NET平臺(tái)開發(fā)，使用模塊化的組織方式，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的交互性、可用性和可擴(kuò)展性，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。

應(yīng)用故障樹技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床電源故障診斷，可以大幅提高故障診斷效率。

五、結(jié)語(yǔ)

在深入分析數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)典型故障后，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，將故障樹分析法和專家系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的故障診斷?；跀?shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)故障樹，建立了專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)，利用清華大學(xué)研發(fā)的基于.NET平臺(tái)的故障診斷專家系統(tǒng)IMDBuilder軟件，完成了數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)，便于用戶對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行快速診斷和維修。

1 鄭小年，楊克沖.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修[M].武漢：華中科技大學(xué)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(yè)出版社，2003

3 吳毅.數(shù)控機(jī)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(guó)平.基于故障樹和模糊推理的故障診斷研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2Oll，27(8)

5 Giarratano，J.專家系統(tǒng)原理與編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

6 朱傳敏，周潤(rùn)青，陳明，李營(yíng)壘.故障樹與案例推理在數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)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(tǒng)輔助開發(fā)軟件[P].中國(guó).2013SR142671.2013-12-16