劉承相,魏思東,熊俊杰

（空軍航空大學(xué),吉林長春 130022）

某型發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)研究

劉承相,魏思東,熊俊杰

（空軍航空大學(xué),吉林長春 130022）

采用分類建庫和精確與模糊相結(jié)合的綜合推理策略,設(shè)計該型發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng);運用知識庫與系統(tǒng)分離模式,可以不斷豐富知識庫的知識,提高診斷準確率。

航空發(fā)動機;故障診斷;專家系統(tǒng)

航空發(fā)動機是飛機的動力部分,故障率高、調(diào)整復(fù)雜、維護工作量大。其運行狀態(tài)的好壞直接影響到飛機的飛行安全和任務(wù)完成。由于現(xiàn)代航空發(fā)動機是典型的機電一體化的復(fù)雜系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)和工作原理的復(fù)雜性導(dǎo)致了航空發(fā)動機的故障癥狀復(fù)雜,故障現(xiàn)象與故障原因之間的關(guān)系復(fù)雜,故障判讀困難,[1]因此,長期以來航空發(fā)動機運行性能調(diào)整與故障診斷一直是個棘手的問題。

本文通過故障診斷專家系統(tǒng),把設(shè)計所、院校、工廠和部隊長期從事該型發(fā)動機設(shè)計制造、安裝調(diào)整、使用維護等各領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗和知識系統(tǒng)化,輸入計算機,建立知識庫;利用自動檢測設(shè)備獲取發(fā)動機的故障信息,通過計算機的推理與判斷,采用人機交互方式,開發(fā)出“某型發(fā)動機性能調(diào)整與故障診斷專家系統(tǒng)”。

該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動機進行性能調(diào)整和預(yù)測,方便實施預(yù)防維護;能夠?qū)收线M行快速診斷,協(xié)助保障人員排除故障,縮短故障識別時間。由于該系統(tǒng)的知識庫是開放式,隨著對發(fā)動機的認識和診斷知識不斷豐富,可以逐步進行擴充,提高系統(tǒng)預(yù)測和診斷的準確率。

1 總體結(jié)構(gòu)

該專家系統(tǒng)主要由推理機、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)外殼組成（如圖1所示）。通過人機界面,保障人員可以進行輔助診斷,提高診斷效率。動態(tài)數(shù)據(jù)庫用來存儲用戶中間推理信息。同時系統(tǒng)還具備查閱和教學(xué)功能,可以隨時了解診斷對象的基本情況,如原理、結(jié)構(gòu)、功能等。

該系統(tǒng)設(shè)計為面向?qū)ο蟮拈_放式專家系統(tǒng),用戶可以參與診斷過程,選擇診斷對象,進行故障診斷,確定故障部位。專家系統(tǒng)采用Delphi實現(xiàn)。[2]

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計,共分為三個模塊：數(shù)據(jù)獲取模塊、規(guī)則庫模塊、診斷推理模塊。各功能模塊之間即相互獨立、又存在邏輯聯(lián)系。數(shù)據(jù)獲取模塊用于檢測所需數(shù)據(jù)的獲取,并將數(shù)據(jù)進行處理,提供給診斷推理模塊。規(guī)則庫模塊用于已知知識庫的構(gòu)造及維護,和各子系統(tǒng)對應(yīng)規(guī)則的構(gòu)造及維護。診斷推理模塊根據(jù)設(shè)定的推理策略、檢測數(shù)據(jù)和知識,進行故障推理,給出相應(yīng)的推理結(jié)論和解釋。推理過程,用戶可以參與推理過程,如果初始事實輸入不完備,診斷推理模塊得不出任何結(jié)論,系統(tǒng)會給出相應(yīng)提示,要求用戶增加事實以便繼續(xù)進行推理。如果推理模塊已經(jīng)得到一個結(jié)論,系統(tǒng)也會給出相應(yīng)的提示,詢問用戶是否繼續(xù)推理,以便推出更多的結(jié)論。

圖1 專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)獲取

計算機判讀所需要的數(shù)據(jù)來源于兩個方面：人工輸入與實時檢測數(shù)據(jù)。實時檢測數(shù)據(jù)來源于發(fā)動機固有和現(xiàn)場安放的各類傳感器,經(jīng)過信號調(diào)理和計算機采集,將采集數(shù)據(jù)處理后,送到動態(tài)數(shù)據(jù)庫指定的存貯單元中[3];推理模塊利用診斷程序控制動態(tài)數(shù)據(jù)庫和知識庫,根據(jù)推理策略對兩庫進行搜索以完成相應(yīng)內(nèi)容的匹配,從而推出診斷結(jié)論。如果記錄數(shù)據(jù)不完備、或者數(shù)據(jù)不足以進行進一步推理,系統(tǒng)會向用戶提出詢問,要求用戶可以輸入補充條件。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理

數(shù)據(jù)庫管理主要包括規(guī)則庫（包含知識庫）管理和動態(tài)庫管理。

規(guī)則庫包含參數(shù)數(shù)據(jù)庫、調(diào)整數(shù)據(jù)庫和故障數(shù)據(jù)庫三種數(shù)據(jù)庫。這三種數(shù)據(jù)庫之間相互關(guān)聯(lián),相互調(diào)用,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享,提高了數(shù)據(jù)庫的利用效率。

參數(shù)數(shù)據(jù)庫 用來存儲發(fā)動機的參數(shù)。對發(fā)動機的各種技術(shù)數(shù)據(jù)進行存儲和調(diào)用。在推理過程中,可以使用各種檢索,調(diào)用庫中的參數(shù)與被檢測數(shù)據(jù)進行比較,確定發(fā)動機工作是否正常。

調(diào)整數(shù)據(jù)庫 用來存儲性能調(diào)整和故障修復(fù)的技術(shù)數(shù)據(jù)和步驟,包括常規(guī)檢查的各種檢測步驟和測定特定參數(shù)的規(guī)定步驟。在發(fā)動機診斷過程中,當(dāng)推理機分析出故障原因,系統(tǒng)可以給出專家建議的維修步驟供用戶參考。

故障數(shù)據(jù)庫 用來存儲前件系數(shù)、故障規(guī)則、規(guī)則系數(shù)等一切與故障推理有關(guān)的信息。推理機通過調(diào)用故障數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)和規(guī)則,推理出是否具有故障、故障的部位及故障的嚴重程度等信息。

在動態(tài)數(shù)據(jù)庫中,每個診斷對象包含10多個狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫和基本數(shù)據(jù)庫,可以存儲大量的檢測及分析數(shù)據(jù)。庫中的每一項檢測數(shù)據(jù)都能進行異常征兆分析、同比對照和趨勢分析。異常征兆分析主要比較檢測值與標準值,如果超出標準值范圍,提示用戶設(shè)備有異常,進行下一步診斷。同比對照是比較同類設(shè)備中的同一檢測項的差異,用來判斷同類設(shè)備的運行狀況。趨勢分析通過繪制檢測參數(shù)在一定時間范圍內(nèi)的變化趨勢圖,根據(jù)相關(guān)理論預(yù)測其發(fā)展變化趨勢。

2.3 推理機設(shè)計

本專家系統(tǒng)采用了精確推理和模糊推理兩種方法。

精確推理 精確推理主要包含三個方面：模式匹配、沖突消解和推理控制。[4]本系統(tǒng)的模式匹配采用的是確定性匹配的原則,指的是知識中的主要技術(shù)參數(shù)完全一致即可認為匹配成功。沖突消解采用按可信度大小進行匹配。推理控制采用正向與反向推理相結(jié)合的方式。

模糊推理 本系統(tǒng)采用以下步驟建立模糊評判數(shù)學(xué)模型：[5]

1）建立故障征兆集合,即收集系統(tǒng)所有可能發(fā)生的故障現(xiàn)象,組成的集合U

式中,元素ui（i=1,2,…,un）代表所有可能發(fā)生的故障現(xiàn)象。

2）建立故障評判集合,即分析系統(tǒng)所有可能的故障原因,組成的集合V

式中,vj（j=1,2,…,m）元素代表所有可能的故障原因。

3）建立權(quán)重集,即各權(quán)數(shù)所組成的集合：A= （a1,a2,…,an）,其中ai反映了某一故障診斷結(jié)果對某一故障征兆的隸屬程度。權(quán)數(shù)通常先由專家確定初始權(quán)重,然后在應(yīng)用中通過專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)機制逐步修改逼近。

4）建立單故障因數(shù)模糊評判矩陣

對故障征兆集中第i個故障現(xiàn)象ui進行評判,其對故障評判集中第j個故障原因vj的隸屬度為rij,則對故障現(xiàn)象ui的評判結(jié)果,可用模糊集合Ri =（ri1,ri2,…,rim）來表示,Ri是故障評判集v上的一個模糊子集。若rij越大,表明故障現(xiàn)象ui和故障原因vj之間關(guān)聯(lián)程度越高。則單征兆因子評判矩陣R為

5）綜合決策

l種單征兆因子診斷的結(jié)果得到故障域上的l個模糊子集bi（i=1,2,…,l）。則l個bi可構(gòu)成一單征兆因子診斷結(jié)果矩陣B。

綜合決策公式為

2.4 人機界面設(shè)計

人機界面包含普通用戶界面和知識庫維護界面。一般保障人員通過普通用戶界面進行發(fā)動機檢查和維護工作。專業(yè)人員可以通過知識庫維護界面對規(guī)則和知識庫進行添加、修改、刪除等工作。

1）普通用戶（保障人員）界面

圖2 項目選擇界面

圖3 起動調(diào)整界面

進入系統(tǒng)后（見圖2）,根據(jù)需要,用戶可以選擇性能調(diào)整或故障診斷項目。

性能調(diào)整界面：界面采用chm幫助文檔的樣式,并按系統(tǒng)進行了分類,方便用戶查找使用。圖3為起動調(diào)整階段的操作界面。

選擇故障診斷后,首先進入檢測選擇界面。這里按照專家建議和部隊使用實際進行分類,把發(fā)動機劃分為幾個分系統(tǒng),[6]方便用戶進行選擇,見圖4所示。

圖4 檢測項目選擇界面圖

故障現(xiàn)象界面：這里根據(jù)故障數(shù)據(jù)庫中的故障現(xiàn)象,列出該類故障的所有現(xiàn)象,讓用戶進行選擇。同時用戶還可以選擇推理模式：精確推理或者模糊推理。

調(diào)整對話框：診斷結(jié)束后,系統(tǒng)向用戶提供維修建議,供維修人員參考。

2）知識庫維護界面

隨著維護保障經(jīng)驗的不斷豐富和對發(fā)動機認識的不斷加深,專業(yè)人員可以通過知識庫維護界面對知識庫中各類規(guī)則和知識進行修改、增刪等操作（見圖5）,以提高系統(tǒng)的診斷效能。

圖5 知識庫維護界面

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)應(yīng)用于某型飛機檢測系統(tǒng),并取得良好的效果。隨著進一步的使用,也發(fā)現(xiàn)了一些不足,本系統(tǒng)知識庫雖然包含了該型發(fā)動機的使用、維護和管理方面的經(jīng)驗和知識,具有較高的推理和診斷效率,但仍需要進一步總結(jié)、歸納和整理,豐富知識庫內(nèi)容,提高診斷準確率和發(fā)動機的完好率,保證飛行安全。

[1]苗學(xué)問.基于VXI總線的某型航空發(fā)動機電子控制器自動測試設(shè)備組建[D].西安：空軍工程大學(xué),2002.

[2]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.Delphi7.0基礎(chǔ)編程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003.

[3]關(guān)惠玲,等.設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)原理及實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000.

[4]王永慶,等.人工智能原理與方法[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,2001.

[5]楊叔子,等.人工智能與診斷專家系統(tǒng)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1990.

[6]周宗才.×型發(fā)動機性能調(diào)整與排故手冊[M].西安：空軍工程大學(xué),1998.

[編校：張芙蓉]

Design of Fau lt Diagnosis Expert System for a Certain Aero-engine

LIU Chengxiang,WEISidong,Xiong Junjie
（Aviation University of Air force,Changchun Jilin 130022）

With integrated reasoning strategy by buildingknow ledge databasewith classification and combining certainty reasoning,the expertsystem on diagnosis system for the aero-engine is designed. With the model of separating knowledge database from reasoning system,the konw ledge in the know ledge database can be increasingly enriched and the diagnostic exactitude of the expertsystem improved.

aero-engine;fault diagnosis;expert system

V 263.6

A

1671-9654（2010）02-030-04

2010-03-08

劉承相（1979-）,男,山東鄒城人,講師,工學(xué)碩士,研究方向為空中機械控制與仿真。