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特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统实现问题

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：何蒙

[导读] 摘要：特种车辆柴油发动机是机-电一液等各种子系统组成的复杂机电设备，由于它的结构复杂、零部件多、工作条件恶劣，因此在运行中柴油发动机是故障最多的总成．在维修之前，如果能在柴油发动机不解体的前提下对其利用现代测试技术、信息处理技术、计算机技术和人工智能技术以及故障诊断技术进行测试与诊断，准确确定柴油发动机发生故障的位置与类型的话，可以减少不必要的人力、物力上的损失。

        马勒汽车技术（中国）有限公司上海市奉贤区 201401
        摘要：特种车辆柴油发动机是机-电一液等各种子系统组成的复杂机电设备，由于它的结构复杂、零部件多、工作条件恶劣，因此在运行中柴油发动机是故障最多的总成．在维修之前，如果能在柴油发动机不解体的前提下对其利用现代测试技术、信息处理技术、计算机技术和人工智能技术以及故障诊断技术进行测试与诊断，准确确定柴油发动机发生故障的位置与类型的话，可以减少不必要的人力、物力上的损失。
        关键词：特种车辆柴油发动机故障；诊断专家系统实现；
        由于在专家系统中的事实和求解问题的知识往往是不确定或不精确的，因此，不精确推理在人工智能中引起越来越多的重视。近年来发动机故障诊断研究结果表明，在故障诊断专家系统中，推理技术同知识表示方法有密切关系，故应以知识获取、知识表示和知识推理为基础。由于其知识表示的模糊特性，故决定了其推理机制也必须具有处理模糊知识的能力及高速快捷的性能。因此，如何实现特种车辆柴油发动机故障诊断的快速推理以及满足系统在线实时诊断是研究开发特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统中的一个十分关键的因素。
        一、特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统实现问题
        1.故障诊断推理机制。特种车辆柴油发动机故障诊断的过程主要包括总目标的推理、级目标的推理。当系统开始进行推理后，先是通过调用相应知识库中的知识和黑板的信息进行总目标推理，当推理过程遇到第一级目标时，该级目标推理进行推理。其推理模式为：总目标的推理采用过程化推理，即故障类型诊断、故障原因分析和故障消除措施这。个级目标之间采用过程化推理故障类型的诊断首先调用模糊诊断模型计算出可能出现的故障假定集，再以假定集的元素为目标，进行反向推理；故障原因分析和故障消除措施这两个级目标推理所需的前提条件是已知且充分的，所以采用正向推理。同一组的规则为一层，故障诊断规则组层次最高，故障原因分析规则组层次次之，故障消除措施规则组层次最低．在推理过程中，只需从与待求解问题相应的规则组中选择知识，大大加快知识搜索效率。对同一组中的规则按优先级排序编号。特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统推理机结构，总目标的推理过程化推理按照元知识控制级目标的执行顺序，级目标推理对规则库进行搜索模糊匹配以及过程化推理与级目标推理的结合通过黑板实现。各个级目标根据需要从作为信息传输的介质黑板中调用信息，以此实现各部分之间的信息交换。在规则的搜索中，采用同一层的规则节点引入竞争机制的有限宽度优先搜索策略，只要有一个节点匹配成功，其它的同层节点就默认失败，然后沿成功节点的分支节点搜索下一层节点，依此类推，这种搜索策略缩小了搜索范围，加快了搜索速度，十分适合于实时推理过程。
        2.故障类型的模糊诊断模型。本故障诊断专家系统采用模糊诊断和反向推理相结合来进行故障类型的判断，这主要是因为模糊诊断的结果作为反向推理的目标，从目标出发，使用相应规则证明事实命题成立。其优点是搜索目的性强，推理效率高。模糊关系矩阵的确定是模糊诊断中十分重要的一个环节，需要参考大量故障诊断经验的总结结果。由于隶属函数公式本身的限制，有时不能反映出各参数对故障类型影响的重要程度，以及精度高低，因此，模糊关系矩阵的建立包含两个阶段：即由专家经验设定初始值和在诊断过程中，根据经验积累对权矩阵进行修改。由于各种类型故障对柴油发动机造成的后果不同，柴油发动机操作人员首先应针对造成后果最严重的柴油发动机进行处理，因此应对每种柴油发动机附一个优先级，由此构成优先级权矩阵。

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根据特种车辆柴油发动机专家知识可知，难以起动造成的后果最严重，其优先权值最大，废气排量大和工作故障怠速、过热造成的后果最小，其优先权值也最小。在特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统的模糊推理中，利用模糊关系合成及模糊变换，采用模糊假言推理的方法来进行。由模糊诊断得到的故障假定集往往含有多个元素，因此需要反向推理验证的目标有多个系统会按照由模糊诊断计算出来的假定故障的隶属度大小顺序，决定验证的次序#系统确定的故障种类有可能是多个，即特种车辆柴油发动机运行过程的多故障并发现象，此时应进一步分析故障的原因，并按照故障的轻重缓急确定操作措施。因此，在运用模糊规则进行推理的过程中，结论的确定性和非原始事实的确定性要通过不精确推理获得。故障原因分析和故障消除措施的推理过程是从故障类型和事实出发，求得结论的过程，所以采用事实驱动的正向推理。
        3.软件结构。特种车辆运行状态监测子系统将各检测点的数据每5s为一周期向组态软件数据库传送一次，柴油发动机故障诊断专家系统通过DDE服务器与组态软件数据库接受这些动态数据，然后实现对特种车辆柴油发动机进行故障诊断．特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统通过利用和数据库等开发工具进行开发．它由模糊诊断模块、知识库维护以及系统帮助三个模块组成．在给定阈值的情况下，利用不确定性推理理论对柴油发动机典型故障进行诊断分析，并给出操作策略是支持面向对象的高级程序设计语言，比传统的专用专家系统生成工具更具有通用性和可移植性，而且设计出的人机界面功能强大、界面友好，同时支持多种数据库的应用。诊断界面由对话框组成，利用访问数据库技术系统，并通过人机对话实现诊断。解释与操作决策功能是故障诊断专家系统推断结论对使用者的说明，包括故障报警、对故障的处理办法．用各种符号及逻辑语对使用者解释说明则过于公式化．因此，解释是将由符号及逻辑语组成的结论翻译成简练的专业术语的语言形式的文字描述。解释后的语句通过操作决策的形式发布给使用者，若系统发生故障，软件自动切换到故障诊断界面将故障诊断报告显示给专家系统的使用者。解释与操作决策功能是故障诊断专家系统推断结论对使用者的说明，包括故障报警、对故障的处理办法．用各种符号及逻辑语对使用者解释说明则过于公式化。因此，解释是将由符号及逻辑语组成的结论翻译成简练的专业术语的语言形式的文字描述．解释后的语句通过操作决策的形式发布给使用者。若系统发生故障，软件自动切换到故障诊断界面将故障诊断报告显示给专家系统的使用者。
        二、应用效果
        采用本故障诊断专家系统对某特种车辆柴油发动机近两年以来的多个典型故障进行了实例考核，特种车辆柴油发动机故障诊断的过程化推理按照元知识控制级目标的执行顺序，级目标推理对规则库进行搜索模糊匹配以及过程化推理与级目标推理的结合通过黑板实现，各个级目标根据需要从黑板中调用信息。诊断准确率在特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统的决策报告基本与实际检修情况相符，并且实现了特种车辆柴油发动机故障诊断的快速推理，其推理速度完全可以满足系统在线实时诊断的要求。因此，该故障诊断专家系统中所开发的知识库是可靠的，推理机设计和实现方法是成功的，并已具备了较高的诊断能力，在通过进一步的完善修改后，可期望开发成实用的故障诊断专家系统。
        采用特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统的多级目标推理模型，设计了总体目标推理和级目标推理相结合的推理机。建立了故障类型的模糊诊断模型，并采用模糊运算实现了特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统的模糊诊断推理，可显著地提高推理效率以及专家系统的性能。
        参考文献：
        [1]尹朝庆，尹皓人工智能与专家系统[M]北京：中国水利水电出版社，2018：252-263
        [2]俞瑞钊，史济建人工智能原理与技术[M]．杭州：浙江大学出版社，2018：2A7-274