INCON-FIDPS系統(tǒng)故障診斷專家知識(shí)搭建

海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 卞金來(lái) 劉 水 張鵬明

INCON-FIDPS系統(tǒng)故障診斷專家知識(shí)搭建

海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 卞金來(lái) 劉 水 張鵬明

NCON-FIDPS系統(tǒng)軟件包括了三種推理引擎和一個(gè)專家知識(shí)庫(kù)。三種推理引擎是：模糊邏輯推理引擎、專家規(guī)則推理引擎、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理引擎。專家知識(shí)的輸入引擎，可以使由領(lǐng)域?qū)＜姨顚懙膶＜抑R(shí)表轉(zhuǎn)換成一種知識(shí)網(wǎng)，而這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)恰好是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。INCON-FIDPS系統(tǒng)的故障診斷過(guò)程是利用測(cè)點(diǎn)和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的推理，輔助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)的推理，判斷出診斷對(duì)象所存在的故障。

INCON-FIDPS；推理引擎；專家知識(shí)庫(kù)

1 引言

故障智能診斷預(yù)報(bào)系統(tǒng)（INCON—FIDPS系統(tǒng)），集專家系統(tǒng)、模糊邏輯和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為一體，是一種先進(jìn)的“故障智能診斷預(yù)報(bào)”通用平臺(tái)。本文研究利用該系統(tǒng)建立對(duì)某型航空通信電臺(tái)的測(cè)試故障診斷專家知識(shí)的搭建。

INCON-FIDPS系統(tǒng)軟件包括了三種推理引擎和一個(gè)專家知識(shí)庫(kù)，三種推理引擎是：模糊邏輯推理引擎；專家規(guī)則推理引擎；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理引擎。

INCON-FIDPS系統(tǒng)提供了專家知識(shí)的輸入引擎，可以使由領(lǐng)域?qū)＜姨顚懙膶＜抑R(shí)表轉(zhuǎn)換成一種知識(shí)網(wǎng)，而這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)恰好是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。INCON-FIDPS系統(tǒng)的故障診斷過(guò)程是利用測(cè)點(diǎn)和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的推理，輔助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)的推理，判斷出診斷對(duì)象所存在的故障。在推理過(guò)程中運(yùn)用了許多中間假設(shè)，現(xiàn)象與故障之間并不一定存在明顯的推理關(guān)系，眾多的中間假設(shè)把現(xiàn)象與故障聯(lián)系起來(lái)。INCON—FIDPS系統(tǒng)的推理算法和知識(shí)表示是通用的，但知識(shí)內(nèi)容要靠用戶自己收集。

2 專家知識(shí)建立相關(guān)理論

2.1 模糊函數(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，某些問(wèn)題可以用同一種類型的隸屬函數(shù)所表示的模糊集來(lái)刻劃，所以在一定的定義下給出模糊集的一般形式，對(duì)于所要解決的問(wèn)題具有普遍的意義。本小段將在論域X=R時(shí)，介紹幾類常用的隸屬函數(shù)。（為便于理解，先給出此定義：若則稱為模糊分布）

1)偏小型模糊分布

這類模糊集適合于刻劃像“小”，“冷”以及顏色的“淡”等偏向小的一方的模糊現(xiàn)象，其隸屬函數(shù)的一般形式可以表述成：

其中a為常數(shù)，而f(·)是不增函數(shù)，且可通過(guò)f的選擇得到不同的偏小型模糊分布。

2)偏大型模糊分布

這類模糊集合適合于刻劃像“大”，“熱”以及顏色的“濃”等偏向大的一方的模糊現(xiàn)象，其隸屬函數(shù)的一般形式可表達(dá)成

其中a為常數(shù)，而f（·）是不減函數(shù)，且可通過(guò)f的選擇得到不同的偏大型模糊分布。

3)中間型模糊分布

這類模糊集合適合于刻劃像“適中”、“溫和”以及年齡的“中年”等處于中間狀態(tài)的模糊現(xiàn)象，其隸屬函數(shù)可以通過(guò)偏大型模糊分布和偏小型模糊分布表示出來(lái)。

2.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)前饋多層結(jié)構(gòu)，它通過(guò)使用輸入輸出數(shù)據(jù)集合，用以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模糊的推理過(guò)程。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布式學(xué)習(xí)能力以及學(xué)習(xí)輸入輸出隸屬函數(shù)的能力，也即集成了傳統(tǒng)的模糊推理（例如：隸屬函數(shù)，模糊邏輯規(guī)則，模糊推理）的基本要素和功能。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)五層網(wǎng)絡(luò)。第一層的節(jié)點(diǎn)為輸出層。第二層和第四層的節(jié)點(diǎn)為項(xiàng)節(jié)點(diǎn)。它們充當(dāng)隸屬函數(shù)用以代表每一個(gè)相應(yīng)的語(yǔ)言變量的項(xiàng)。第三層的節(jié)點(diǎn)為規(guī)則節(jié)點(diǎn)，代表模糊邏輯規(guī)則。因而，所有第三層的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)。第三層的網(wǎng)絡(luò)連接定義了規(guī)則節(jié)點(diǎn)的前提條件。第四層網(wǎng)絡(luò)連接定義了規(guī)則節(jié)點(diǎn)的結(jié)論。因此，對(duì)于每一個(gè)規(guī)則節(jié)點(diǎn)，至多只有一條（可能設(shè)有）來(lái)自一個(gè)語(yǔ)言項(xiàng)節(jié)點(diǎn)的連接。這對(duì)前提連接和結(jié)論連接都是確切的，在第二、第五層的連接是語(yǔ)言節(jié)點(diǎn)和它們相應(yīng)項(xiàng)節(jié)點(diǎn)的完全連接。連線上的箭頭表示該網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)信號(hào)的流向。下面說(shuō)明根據(jù)箭頭的方向信號(hào)逐層傳播。

有了上述的五層結(jié)構(gòu)，就可給出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳遞函數(shù)。一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)是由這樣一些單元組成，這些單元具有固定的、用來(lái)自于其他單元和權(quán)值表示的連接扇入，以及對(duì)其他單元的連接扇出。與一個(gè)單元的扇入相對(duì)應(yīng)，可使用一個(gè)聚集函數(shù)f來(lái)組合來(lái)自于其他節(jié)點(diǎn)的信息，激勵(lì)或者證據(jù)。

表1 參數(shù)節(jié)點(diǎn)

3 診斷推理流程圖

INCON—FIDPS系統(tǒng)提供了一套專家知識(shí)輸入表，以便知識(shí)工程師請(qǐng)領(lǐng)域?qū)＜姨顚懟蛑R(shí)工程師自己在領(lǐng)域工程師指導(dǎo)下完成。診斷對(duì)象的診斷推理流程圖，由分布在三個(gè)層次上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)間的連線所組成。

診斷推理流程圖中，用若干個(gè)節(jié)點(diǎn)代表“數(shù)據(jù)”，畫在底層，用符號(hào)D1、D2、D3、….代表；這里的數(shù)據(jù)，可以是測(cè)量參數(shù)，傳感器的輸出、工作狀態(tài)、檢修記錄等多種廣泛意義上的參數(shù)。用若干個(gè)節(jié)點(diǎn)表述故障現(xiàn)象，安排在中間層，用符號(hào)E1、E2、E3、….代表；這里的癥狀現(xiàn)象可以是能直接觀察到的現(xiàn)象（如工作條件、參數(shù)范圍、參數(shù)變化等），也可以是間接觀察到的現(xiàn)象，即多種廣泛意義上的故障現(xiàn)象。用若干個(gè)節(jié)點(diǎn)表述故障原因，畫在最高層，用符號(hào)F1、F2、F3、….代表。

簡(jiǎn)而言之，診斷推理流程圖從下到上為數(shù)據(jù)、現(xiàn)象和故障原因，分別用字母D、E和F(i=1、2、3、….)表示。故障原因（F）應(yīng)列全，數(shù)據(jù)(D)和現(xiàn)象(E)應(yīng)盡量是主要因素；對(duì)于簡(jiǎn)單的診斷問(wèn)題，當(dāng)D數(shù)據(jù)會(huì)直接引起F故障原因時(shí)，仍需要建立一個(gè)E層節(jié)點(diǎn)（稱為名義點(diǎn)），這時(shí)，E層與F層的名稱可以相同（一步到位的診斷）。

圖1 電臺(tái)故障診斷專家知識(shí)圖

4 某型電臺(tái)專家知識(shí)搭建

某型電臺(tái)由發(fā)射機(jī)模塊、接收機(jī)模塊、頻率合成器模塊與電源模塊組成，其在定檢中可做的測(cè)試檢查項(xiàng)目為：接收消耗電流、發(fā)射消耗電流、接收機(jī)音頻電壓、接收機(jī)音頻失真度、接收機(jī)音頻響應(yīng)、明話6dB帶寬、明話60dB帶寬、接收機(jī)靈敏度、靜噪靈敏度、靜噪回滯、發(fā)射機(jī)載波功率、發(fā)射機(jī)載波頻率、22V應(yīng)急供電、18V應(yīng)急供電、調(diào)幅度、調(diào)幅失真度、發(fā)射機(jī)側(cè)音輸出、27V電源輸出、9V電源輸出。

根據(jù)對(duì)電臺(tái)原理的分析可生成參數(shù)節(jié)點(diǎn)表如下，表1中的第一列代表測(cè)試項(xiàng)目的編號(hào)，第二列為測(cè)試項(xiàng)目描述，第三列隸屬函數(shù)描述了各項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的模糊參數(shù)設(shè)置。

根據(jù)參數(shù)節(jié)點(diǎn)表和電臺(tái)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的故障模塊可生成專家知識(shí)圖，見圖1。

5 總結(jié)

INCON-FIDPS系統(tǒng)提供了專家知識(shí)的輸入引擎，可以使由領(lǐng)域?qū)＜姨顚懙膶＜抑R(shí)表轉(zhuǎn)換成一種知識(shí)網(wǎng)，而這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)恰好是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。INCON-FIDPS系統(tǒng)的故障診斷過(guò)程是利用測(cè)點(diǎn)和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的推理，輔助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)的推理，判斷出診斷對(duì)象所存在的故障。在推理過(guò)程中運(yùn)用了許多中間假設(shè)，現(xiàn)象與故障之間并不一定存在明顯的推理關(guān)系，眾多的中間假設(shè)把現(xiàn)象與故障聯(lián)系起來(lái)。

本文以某型通信電臺(tái)為例，搭建了電臺(tái)的故障診斷專家知識(shí)，其方法可在其它設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用。

[1]段明曄.基于描述邏輯的智能故障診斷方法研究[D].西安工業(yè)大學(xué),2012.

[2]謝昌檸.智能診斷技術(shù)在水電機(jī)組振動(dòng)故障診斷的應(yīng)用[J].科技信息,2011(26):353.

[3]李延泉.某型運(yùn)輸飛機(jī)機(jī)械故障智能綜合診斷研究[D].東北大學(xué),2011.

[4]王宇杰,龐兵.機(jī)械故障智能診斷方法研究[J].黑龍江科技信息,2011(06):42