基于LabVIEW和Access的陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)

秦旭東　李英順

【摘 要】為了對坦克陀螺儀組故障診斷問題進行研究，滿足陀螺儀的可靠性要求，提出一種基于LabVIEW和Access的陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)。本系統(tǒng)構(gòu)建了專家系統(tǒng)的知識庫和推理機，利用LabVIEW和Access工具建立相應的軟件環(huán)境并編寫相應程序，開發(fā)陀螺儀故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)在測試過程中發(fā)揮了專家系統(tǒng)的智能性，能夠快速準確地診斷陀螺儀組的故障位置及故障原因，并能給出有效的維修建議，適合于陀螺儀組的故障診斷。

【關(guān)鍵詞】陀螺儀組；LabVIEW；專家系統(tǒng)；故障診斷

0 引言

陀螺儀是一種感測旋轉(zhuǎn)的裝置，被廣泛應用于航海等諸多領域。陀螺儀組是坦克炮控系統(tǒng)中最重要的部分之一，炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定功能主要依靠陀螺儀的工作來實現(xiàn)。陀螺儀能夠自動保持炮身軸線方向不受車體振動的影響，將火炮穩(wěn)定在所賦予的射角和射向上，以減小車體俯仰振動和水平振動對行進間射擊的影響，提高射擊精度[1]，所以保持陀螺儀組正常工作以及快速檢測故障維修設備，對炮控系統(tǒng)正常穩(wěn)定地工作是非常重要的。故此，本文提出基于LabVIEW和Access的陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)，并將故障樹分析法應用于陀螺儀故障診斷中，從陀螺儀故障狀態(tài)出發(fā)，自上而下逐層展開，逐級推理分析找出故障原因，其特點是邏輯清晰明了使人易懂。利用LabVIEW和Access工具建立相應的軟件環(huán)境并編寫相應程序，開發(fā)陀螺儀故障診斷系統(tǒng)。LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，其圖形化的界面使得編程簡單易懂，其軟件系統(tǒng)集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，功能強大靈活性強，且兼容Access數(shù)據(jù)庫，所以便于與Access建立陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)。

1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)將領域?qū)＜抑R和經(jīng)驗以知識庫的形式存入計算機，并模仿領域?qū)＜医鉀Q問題的推理方式和思維過程運用專家的知識與經(jīng)驗進行推理、判斷和決策。其主要由知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋系統(tǒng)、人機接口組成。下面為專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

專家系統(tǒng)的工作過程

將從專家獲取的知識送給知識獲取系統(tǒng)，建立故障樹并通過歷史故障分析將所有的事實轉(zhuǎn)化為規(guī)則集存儲到知識庫中，用戶通過人機接口（用戶界面）輸入初始事實，推理機把存放在數(shù)據(jù)庫中的事實與知識庫中的規(guī)則進行匹配，推理過程中的中間結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中，推理完畢推理機將故障結(jié)果送給人機接口顯示，而解釋系統(tǒng)將可能導致故障的原因及維修建議送給人機接口顯示。

2 陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)設計

2.1 知識獲取

根據(jù)對陀螺儀組故障的分析，該故障診斷專家系統(tǒng)的知識獲取方法包括以下幾方面：

1）查閱陀螺儀組資料，了解陀螺儀組的工作原理，找出可能發(fā)生故障的原因。

2）建立故障樹：收集陀螺儀組工作過程中出現(xiàn)的故障，從這些故障中選擇頂事件來繪制故障樹。同時，根據(jù)陀螺儀組的結(jié)構(gòu)和故障情況，將陀螺儀組整體逐層分解。對故障樹的底事件進行故障模式和影響分析，為查找故障原因提供依據(jù)。圖2為故障樹。

3）故障發(fā)生概率：應盡可能地收集故障樹中故障發(fā)生的客觀概率，特別是陀螺儀組的故障歷史記錄。在難以估計其概率時，可由維修人員和專家給出故障發(fā)生可能的概率。

4）經(jīng)驗知識：從陀螺儀組維修專家、試驗員獲取故障排除的經(jīng)驗知識，這是故障診斷的主要依據(jù)。

2.2 知識表示方式

知識表示方式有許多種，其中產(chǎn)生式規(guī)則表示方式是模仿人的思考問題方式和解決問題的方法，而且在推理過程中容易保留中間推理結(jié)果及推理路徑[2]。故陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)采用基于規(guī)則的知識表示方式。以下簡要介紹這種方法在系統(tǒng)中的應用。

基于規(guī)則的表示方式

= （IF THEN（ELSE））

= （AND{}）

=（OR{}|（）

antecedent（前提）action（執(zhí)行結(jié)論） condition（條件）

If D[如果證據(jù)D存在]

then C（F（C，D））[那么，結(jié)論存在的置信度為F（C，D）]

例如：If D={角度傳感器故障為偏離理論值}

then C={炮控故障}（F（C，D）=0.977），基于規(guī)則表達式表示了故障現(xiàn)象的知識[2]。

2.3 推理機

根據(jù)故障診斷專家系統(tǒng)中的推理邏輯，經(jīng)過分析比較，陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)軟件采用故障樹分析法建立推理邏輯，并采用正逆雙向混合推理兩種方式，這種推理策略結(jié)合了正向推理和逆向推理的優(yōu)點，在整個推理過程中，兩種推理策略交替進行，正向推理時不期望從初始證據(jù)一直推到最終目標，反向推理時也不期望從某個假設一直推到原始事實，而是期望推理過程在中間的某處匯合。這樣的專家系統(tǒng)推理策略非常適合陀螺儀組管理智能化的故障診斷要求。它具有推理靈活、簡便性，不會受到被診斷系統(tǒng)的影響。

3 軟件實現(xiàn)

結(jié)合陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)和LabVIEW以及Access數(shù)據(jù)庫軟件特點，軟件設計采用模塊化的思想，陀螺儀組故障診斷專家系統(tǒng)主要包括信號采集模塊、知識獲取模塊、知識庫模塊、知識管理模塊、規(guī)則庫模塊、推理機模塊、解釋系統(tǒng)模塊、系統(tǒng)幫助模塊軟件流程圖如圖。模塊化的軟件管理邏輯明了方便操作者的使用。

LabVIEW程序包括程序框圖和前面板兩部分，前面板為友好人機界面，有各種精美的顯示控件，用戶可以直接觀察所采集的各項參數(shù)以及查看檢測結(jié)果是否正常，而且LabVIEW與數(shù)據(jù)庫利用DSN方式連接操作簡單。LabVIEW利用ADO模塊及SQL語句可以對數(shù)據(jù)進行修改、刪除、存儲等操作，將實時采集數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果大量數(shù)據(jù)分類存儲到表格中，非常有利于數(shù)據(jù)管理。知識庫和規(guī)則庫的管理也可利用以上原理。

4 結(jié)論

LabVIEW程序框圖將采集到設備各項參數(shù)指標顯示在前面板，經(jīng)過和數(shù)據(jù)庫中正常指標的對比判斷設備故障部位，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的知識庫的知識，利用正反向混合推理相結(jié)合的算法快速準確地判斷出現(xiàn)故障的原因，并給出排除故障的建議，這樣檢查人員不僅可以知道設備故障原因，而且也大大減少了故障定位和查找故障原因的時間，這是非常有利于設備維修的。

【參考文獻】

[1]坦克炮控系統(tǒng)液浮陀螺儀故障機理分析.

[2]飛機燃油系統(tǒng)故障診斷方法分析.

[3]基于LabVIEW的飛機電源故障診斷專家系統(tǒng).

[責任編輯：王偉平]

【摘 要】“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，該課程主要講述常見物理量測量中的誤差理論及其數(shù)據(jù)處理方法，使學生掌握誤差理論與數(shù)據(jù)處理的基本概念、基本原理、基本計算方法，培養(yǎng)學生分析處理實驗數(shù)據(jù)的能力。由于課時、教學條件的制約，開設該課程的高校普遍對傳統(tǒng)的靜態(tài)測量的數(shù)據(jù)處理講授較多，對現(xiàn)代誤差理論、不確定度評定及動態(tài)測試的數(shù)據(jù)處理講述較少，這已經(jīng)不能適應信息時代的要求。近年來，本課題組致力于該課程的教學改革，在理論與實踐教學內(nèi)容、教學條件、教學方法、教師隊伍等多方面開展了卓有成效的改革，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】課程建設；教學改革；誤差理論與數(shù)據(jù)處理

【Abstract】“Error theory and data processing”course is an important professional basic course of measurement and control technology and instrument specialty， this course mainly talks about the error theory and data processing method of the common physical quantity measurement， to make the students master the basic concepts， basic principles and calculation methods of error theory and data processing，and cultivate students ability to analyze and process the experimental data. Due to the constraints of class hours and teaching conditions， generally the traditional static measurement data processing teaching more， the modern error theory， uncertainty evaluation and dynamic testing of the data processing is involved less， this has not adapted to the requirements of the information age.In recent years， our research group worked on the teaching reform of the course， in many aspects of the theory and practice of teaching content， teaching conditions， teaching methods and teachers to carry out the effective reform， and achieved good results.

【Key words】Course construction； Teaching reform； Error theory and data processing

1 課程建設的背景及思路

1.1 課程建設的背景

“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，主要講述幾何量、機械量以及其他有關(guān)物理量的靜態(tài)測量和動態(tài)測量的誤差理論與數(shù)據(jù)處理。該課程的主要任務是通過各教學環(huán)節(jié)，使學生掌握誤差理論與數(shù)據(jù)處理的基本概念、基本原理、基本計算方法，培養(yǎng)學生分析、處理數(shù)據(jù)的能力，為學習后續(xù)課程的學習以及從事工程技術(shù)，科學研究等工作打下堅實的基礎。

由于課時、教學條件的限制，以往該課程教學過程中對傳統(tǒng)的靜態(tài)測量的數(shù)據(jù)處理講授較多，對現(xiàn)代誤差理論、不確定度評定及動態(tài)測試的數(shù)據(jù)處理講述較少，這已經(jīng)明顯落后于現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展。該課程具有較強的實踐性，但在以往的教學過程中主要側(cè)重理論內(nèi)容講授，沒有設置實踐性環(huán)節(jié)。在學生對課程教學的評價中也提到主要教學內(nèi)容都是原理及算法，內(nèi)容有些枯燥。以上問題導致學生對該課程在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的作用認識不足，影響了教學效果，不利于培養(yǎng)學生分析解決實際工程應用問題的能力和創(chuàng)新能力。由于該課程和前期的概率論與數(shù)理統(tǒng)計、互換性與測量技術(shù)、信號分析與處理以及后續(xù)的傳感器與測試技術(shù)、自動檢測技術(shù)、精密測量技術(shù)等課程聯(lián)系較為緊密，所以也需要從整個知識體系和學生能力培養(yǎng)的高度對其教學內(nèi)容、教學計劃進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

1.2 課程建設的基本思路

本課程教學建設的基本思路主要包括以下幾個方面：一是，對該課程在人才培養(yǎng)方案中的定位和教學目標進行全面認真地分析、討論，從信息化的視角并結(jié)合相應的職業(yè)崗位要求，全面理清學生應掌握的知識點、能力點和技能點；二是，在此基礎上制定教學大綱（課程標準），包括各單元教學內(nèi)容及基本要求、學時分配、考核評價方式、實踐教學內(nèi)容等；三是，著力進行教學方法與教學手段的改革，授課教師全程參與到課堂教學、實驗指導、大作業(yè)以及畢業(yè)設計的各個教學環(huán)節(jié)中，采用多層次、全方位、反復訓練的教學方法，培養(yǎng)學生的各項技能，并充分利用現(xiàn)代化教學手段進行輔助教學；四是，以教學改革、科研為抓手，進一步提高主講教師的教學科研水平，建立一支結(jié)構(gòu)合理、師德高尚、素質(zhì)優(yōu)良、充滿活力的教師隊伍。

2 課程教學改革的具體實踐過程

2.1 教學內(nèi)容建設

2.1.1 理論教學內(nèi)容改革

該課程的教學內(nèi)容從總體上遵循“理論夠用、強化應用”的原則，突破了傳統(tǒng)的教學方式。課程以不同的測量方式下的誤差理論與測量數(shù)據(jù)的處理方法為主線，層次主線清晰，結(jié)構(gòu)科學合理，注重教學內(nèi)容和課程體系創(chuàng)新。以教學大綱為基本依據(jù)，遵循教學內(nèi)容的科學性、先進性和適用性的原則，充分考慮了我校應用型人才的培養(yǎng)目標，強化了數(shù)據(jù)處理實際應用方面的訓練，做到思路開闊，注重應用。增加了現(xiàn)代誤差理論、不確定度分析和動態(tài)測量的誤差處理方面的內(nèi)容。在講授系統(tǒng)不確定度評定時，就以實際的測量系統(tǒng)為例，結(jié)合傳感器、轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的精度分析，進行系統(tǒng)的總體精度評定，把“傳感器原理及應用”、“產(chǎn)品質(zhì)量檢測技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字邏輯與系統(tǒng)”等課程的相關(guān)內(nèi)容很好地結(jié)合起來。通過這樣的講授，學生就會了解這些課程及教學內(nèi)容在實際工程應用中的具體作用，為后續(xù)各環(huán)節(jié)的教學打下了良好的基礎。同時我們針對不同的專業(yè)方向，在教學內(nèi)容的設置上有所側(cè)重。在講授應用舉例時“檢測技術(shù)與質(zhì)量工程”方向突出產(chǎn)品質(zhì)量檢測中的精度分析與數(shù)據(jù)處理，“計算機測控技術(shù)”方向突出測量系統(tǒng)集成設計中的不確定度評定和系統(tǒng)特性分析中的數(shù)據(jù)處理方法的講解。