引言

故障診斷專家系統(tǒng)是診斷領(lǐng)域引人注目的發(fā)展方向之一，也是研究最多、應(yīng)用最廣的一類智能診斷技術(shù)，主要用于那些沒有精確數(shù)學(xué)模型或很難建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)。大致經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段，即基于淺知識的第一代故障診斷專家系統(tǒng)和基于深知識的第二代故障診斷專家系統(tǒng)?；跍\知識（人類專家的經(jīng)驗知識）的故障診斷系統(tǒng)是以領(lǐng)域?qū)＜液筒僮髡叩膯l(fā)性經(jīng)驗知識為核心，通過演繹推理或產(chǎn)生式推理來獲取診斷結(jié)果?；谏钪R（診斷對象的模型知識）的故障診斷系統(tǒng)要求診斷對象的每一個環(huán)節(jié)具有明確的輸入輸出表達(dá)關(guān)系，診斷時首先通過診斷對象的實際輸出與期望輸出之間的不一致，生成引起這種不一致的原因集合，然后根據(jù)診斷對象領(lǐng)域中的第一定律知識（具有明確科學(xué)依據(jù)的知識）及其內(nèi)部特定的約束關(guān)系，采用一定的算法，找出可能的故障源。在故障診斷專家系統(tǒng)中，故障庫是專家系統(tǒng)的核心，體現(xiàn)著專家系統(tǒng)水平的高低，但故障庫的建造或故障知識的獲取也成為建立專家系統(tǒng)的瓶頸問題。

1 故障庫建造步驟

故障庫的設(shè)計是建立專家系統(tǒng)最重要和最艱巨的任務(wù)。初始知識庫的設(shè)計包括問題知識化、知識概念化、概念形式化、形式規(guī)則化和規(guī)則合法化。問題知識化，即辨別所研究問題的實質(zhì)；知識概念化，即概括知識表示所需要的關(guān)鍵概念及其關(guān)系；概念形式化，即確定用來組織知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式；形式規(guī)則化，即編制規(guī)則，把形式化了的知識變換為由編程語言表示的可供計算機執(zhí)行的語句和程序；規(guī)則合法化，即確認(rèn)規(guī)則化了的知識的合理性，檢驗規(guī)則的有效性。

故障庫的建立首先是通過知識工程師從測試設(shè)備領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@得或者通過在診斷過程中從用戶那里獲得知識，然后通過知識獲取模塊把知識送到知識庫。知識獲取的主要困難在于如何恰當(dāng)?shù)匕盐疹I(lǐng)域?qū)＜宜褂玫母拍?、關(guān)系和問題的求解方法。根據(jù)專家提供的經(jīng)驗知識和測試設(shè)備的特點，通過直接獲取方式、交互獲取方式獲取有價值的診斷信息。

故障庫的建立是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，所以必須要按照一定的方法和步驟。通常情況下按照如圖1所示的步驟從現(xiàn)有的設(shè)計資料中提取有關(guān)原理的定性知識，并將這些知識歸納成規(guī)則形式。下面對圖1所示的各步驟分別加以說明：

（1）功能，結(jié)構(gòu)層次分解。由于現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計的模塊化設(shè)計思想，所以電子產(chǎn)品在功能和結(jié)構(gòu)上具有明顯的層次性，因此要提取電子設(shè)備的故障診斷知識，對系統(tǒng)進(jìn)行分解是必要的。

（2）建立部件正常功能描述。對于每一個上面劃分的部件，有必要對其正常工作邏輯進(jìn)行定性說明。

（3）確定各部件的測試點集。測點分為部件輸入測點和部件輸出測點，在對某個部件P進(jìn)行診斷時，只有其全部輸入信號都正常，才可以根據(jù)輸出來判斷該部件是否故障。

（4）確定部件可能故障集。對以上劃分的單元分別進(jìn)行故障分析，對于部件，首先要確定其有可能出現(xiàn)的故障類型，部件P的可能故障集的確定可以根據(jù)經(jīng)驗、FMEA分析結(jié)果以及器件資料等多方面搜集。

（5）建立定性影響關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。對于部件P，先確定每一故障e所帶來的輸出表征，即輸出測點數(shù)據(jù)的一種組合。然后，對部件P的所有測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，一類表示部件自身故障所測試的數(shù)據(jù)，記為PSO；非自身故障引起（由輸入異常引起）的故障歸到另一類，記為PUO。當(dāng)測試數(shù)據(jù)W∈PSO時，故障診斷結(jié)果可以確定就是部件P；當(dāng)測試數(shù)據(jù)W∈PUO時，需要對部件P的輸入進(jìn)行測試，由于部件P的輸入又是其他部件的輸出，因此，可以逐級推理，直至將故障定位在某一個或幾個部件上。

（6）將故障影響關(guān)系網(wǎng)絡(luò)歸納成規(guī)則形式。將上面因果分析得到的結(jié)果轉(zhuǎn)化成兩種規(guī)則形式：

IF W∈PSO THEN P 故障；

IF W∈PUO THEN 對 P 的輸入進(jìn)行測試；

（7）將規(guī)則寫入故障庫，通過一般知識庫編輯系統(tǒng)可以很容易將上面的規(guī)則寫入到故障知識庫中。

2 故障庫的設(shè)計

2．1 數(shù)據(jù)采集與知識的獲取

數(shù)據(jù)采集在故障診斷系統(tǒng)中占據(jù)重要角色。對于診斷系統(tǒng)而言，采集的信息越多，越容易對故障進(jìn)行定位和判斷，為此系統(tǒng)將增加必要的硬件設(shè)計，同時為減小伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計的復(fù)雜程度，根據(jù)伺服系統(tǒng)的特點和專家的經(jīng)驗總結(jié)，利用伺服系統(tǒng)自身必需的硬件連接，增加少量硬件設(shè)計，可以組成診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)知識采用產(chǎn)生式（Production Rules）表示法，又稱為規(guī)則表示法。產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識，其基本形式是P→Q，或者IF P THEN Q。其中，P代表條件，如前提、狀態(tài)、原因等；Q代表結(jié)果，如結(jié)論、動作、后果等。其含義是：如果P前提被滿足，則可推出Q結(jié)論或執(zhí)行所規(guī)定的動作。把一組產(chǎn)生式放在一起，讓它們互相配合，協(xié)同作用，一個產(chǎn)生式生成的結(jié)論可以供另一個產(chǎn)生式作為前提使用，以這種方式求得問題的解決，這樣的系統(tǒng)就稱為產(chǎn)生式系統(tǒng)，也稱之為基于規(guī)則的系統(tǒng)。

對于多因素故障，采用故障樹來表示，故障樹模型體現(xiàn)了故障傳播的層次和子、父節(jié)點間關(guān)系的因果性，故障樹上某一子節(jié)點是父節(jié)點的故障源，因此利用故障樹的節(jié)點關(guān)系，根據(jù)故障現(xiàn)象來確定故障原因。

2．2 數(shù)據(jù)表的設(shè)計

為了使知識在計算機中發(fā)揮作用，以產(chǎn)生問題求解的能力，必須把經(jīng)形式化后的各種知識實體表示成計算機的內(nèi)部形式，還要建立必要的解釋機制和良好的用戶界面。該系統(tǒng)采用Access 2003數(shù)據(jù)庫來創(chuàng)建知識庫，利用Access 2003構(gòu)建系統(tǒng)知識庫，能使知識庫搜索更加高效，管理更加方便。

知識庫包括四個表，它們分別是主故障模式表、事實表、測試點表和規(guī)則表。

主故障模式表用來存放測試設(shè)備中主要的故障類型。表的結(jié)構(gòu)為Module（FaultName，Child），其中，F(xiàn)aultName為故障類型的名稱，Chi-ld為此故障類型對應(yīng)的征兆表的名稱。如表1所示。

事實表包括征兆表和結(jié)論表，兩表的結(jié)構(gòu)相同。表的結(jié)構(gòu)為Fact（Name，ID），其中，Name為故障征兆（結(jié)論）的名稱，ID為故障征兆（結(jié)論）的編碼。如表2所示。

測試點表用來存放測試通道中的測試點。表的結(jié)構(gòu)為Test_Point（PointName，PCBName，X，Y，ID，ToneName，Solution），其中，Point Name為測試點的名稱，PCBName為測試通道的PCB圖文件，X為測試點的橫坐標(biāo)，Y為測試點的縱坐標(biāo)，ID為測試點的編碼，ToneName為測試通道的名稱，Solution為對故障采取的解決措施。如表3所示。

規(guī)則表包括淺知識規(guī)則表和深知識規(guī)則表，兩表的結(jié)構(gòu)相同。規(guī)則表用來存放規(guī)則前件和后件的編碼。推理機的內(nèi)部工作過程是利用事實編碼進(jìn)行前件的匹配，利用綜合數(shù)據(jù)庫對推理過程中的前件和后件進(jìn)行記錄。在推理過程中的事實編碼和最終結(jié)果的編碼都可以在事實表中找到與之對應(yīng)的名稱。表的結(jié)構(gòu)為（ID，Condition_number，Conclution_number，sig1，sig2，…，sig10，con1，con2，…，con10），其中，ID為規(guī)則的編號，Condition_number為規(guī)則前提條件的個數(shù)，Conclution_number為規(guī)則結(jié)論的個數(shù)，sig1，sig2，…，sig10用來存儲規(guī)則的前提，con1，con2，…，con10用來存儲規(guī)則的結(jié)論。如表4所示。

3 推理機的實現(xiàn)

在測試設(shè)備故障診斷中最重要的是推理機，對于確定性的知識，采用專家系統(tǒng)中正向推理的方式進(jìn)行推理。對于具有不確定的、模糊的信息，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理。推理機通過建立類EsReason實現(xiàn)，以下是在該類中定義的主要指針、數(shù)組、變量及函數(shù)，此類結(jié)構(gòu)如下：

　　Class EsReason

　　{

　　pr otected：

　　Majo rTable * M ajor ;

　　SigalTable * Sig al;

　　Co nclut ionTable * Conclutio n;

　　Po int Table * point;

　　RuleTable * Rule ;

　　BOOL Connectio nDb（ ） ;

　　BOOL LoadT able （ CStr ing name） ;

　　CStr ing Var iantToCStr ing （ co nst _ var iant_t & var） ;

　　CStr ing Curr entConditio ns ［ 100］ ;

　　CStr ing Curr entConclusio ns［ 100］ ;

　　CStr ing pr og ram;

　　unsig ned int To tal_Cur rentCo nditions;

　　unsig ned int To tal_Cur rentCo nclusio ns;

　　BOOL Reasoning（ ） ;

　　BOOL NEWff（ ） ;

　　}

其中，* Major，* Siga1，* Conctution，* point以及* Rule定義指向主故障模式表、征兆表、結(jié)論表、測試點表及規(guī)則表的結(jié)構(gòu)指針，便于對數(shù)據(jù)庫中各表數(shù)據(jù)的記錄及訪問。通過建立BOOL型成員函數(shù)ConnectionDb和LoadTable來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接及加載。在加載數(shù)據(jù)庫時，通過設(shè)置SQL語言為打開各個數(shù)據(jù)表做準(zhǔn)備，然后調(diào)用記錄集指針的成員函數(shù)Open打開各個表中的各條記錄。通過記錄集指針的移動記錄各個表中記錄集的數(shù)目，然后根據(jù)記錄集指針的移動把各表中的記錄存到申請的動態(tài)內(nèi)存中。

綜合數(shù)據(jù)庫通過數(shù)組Current Conditions［100］和Current Conclusions［100］實現(xiàn)，綜合數(shù)據(jù)庫用來記錄推理過程中的初始條件、中間結(jié)果及最終結(jié)論的編碼，方便推理機通過綜合數(shù)據(jù)庫里的內(nèi)容進(jìn)行正向推理，通過CString類型的變量program記錄推理過程中用到的規(guī)則，以實現(xiàn)推理過程中的解釋功能。

在類EsReason中核心的函數(shù)是Reasoning和NEWff，Reasoning函數(shù)的工作過程為：把綜合數(shù)據(jù)庫中的事實作為初始條件，與規(guī)則庫中的規(guī)則前件進(jìn)行匹配；當(dāng)規(guī)則被激活，通過這些激活的規(guī)則，推理函數(shù)把結(jié)論放到綜合數(shù)據(jù)庫中繼續(xù)推理，直到再沒有其他規(guī)則的前件能與綜合數(shù)據(jù)庫內(nèi)的事實相匹配為止。在推理過程中用到一個很重要的BOOL型的成員變量Rule_Used記錄用過的規(guī)則，這樣可以避免在推理過程中出

現(xiàn)死循環(huán)。NEWff函數(shù)的工作過程可選取合適的推理決策邏輯進(jìn)行推理來實現(xiàn)故障的自動化診斷。

4 結(jié)語

由于現(xiàn)代電子設(shè)備的自身特性和環(huán)境因素等復(fù)雜條件的限制，傳統(tǒng)的故障診斷方法難以滿足診斷要求?；诠收蠋斓闹悄芄收显\斷方法依靠對設(shè)備原理的定性分析，充分利用現(xiàn)有的各種設(shè)計技術(shù)資料，無需為了量化處理的需要而將實際問題過分簡化，比依賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的定量分析方法更接近于工程實際情況。針對電子設(shè)備提出了一種電子設(shè)備故障庫的故障實現(xiàn)方案，可以有效地進(jìn)行故障定位并提出維修指導(dǎo)意見，有效地提高了普通維修人員的故障診斷能力和維修效率。

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