汪璟玢，王 瑞

（福州大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，福建 福州350108）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備日益向大型化、復(fù)雜化、高效化、精密化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。這些發(fā)展在帶來機(jī)遇的同時(shí)也迎來了挑戰(zhàn)，一方面提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，對(duì)大型設(shè)備和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提出了更高的要求。在這些可靠性要求較高的應(yīng)用中，故障診斷的主動(dòng)需求性越來越高。由于機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在實(shí)際維修時(shí)，傳統(tǒng)的故障診斷多是在機(jī)器出現(xiàn)運(yùn)行故障后拆開檢查才知道哪部分發(fā)生故障，實(shí)時(shí)性明顯得不到保證。從傳統(tǒng)故障診斷中提煉出成功的故障排查經(jīng)驗(yàn)，將其以產(chǎn)生式規(guī)則的形式表達(dá)，借助Rete算法，設(shè)計(jì)出一種既能完整表達(dá)、記錄專家經(jīng)驗(yàn)，又能真實(shí)模擬專家排故過程的故障診斷專家系統(tǒng)，可以減少人力消耗，縮短故障維護(hù)時(shí)間，提高維修效率。

1 Rete算法

1.1 Rete模式匹配算法

Rete算法通過形成一個(gè)Rete網(wǎng)絡(luò)，利用基于規(guī)則的系統(tǒng)的兩個(gè)特征，即時(shí)間冗余性(Temporal Redundancy)和結(jié)構(gòu)相似性(Structural Similarity)，來提高模式匹配的效率[1]。時(shí)間冗余性是指，由于在實(shí)際工作內(nèi)存中的事實(shí)內(nèi)容在規(guī)則推理過程中的變化是緩慢的，即在每個(gè)規(guī)則的匹配和執(zhí)行周期中，真正增刪的事實(shí)只占很小的比例。因此，因工作內(nèi)存中事實(shí)數(shù)據(jù)的變化而受影響規(guī)則也只占很少的一部分。這樣，只要在每個(gè)執(zhí)行周期中記錄并暫時(shí)忽略己經(jīng)匹配過的事實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象，并且只需要處理已修改的事實(shí)以及受到影響的規(guī)則[2]。而結(jié)構(gòu)相似性指Rete算法考慮到了事實(shí)上很多規(guī)則的模式和模式組是很相似的，可以充分利用這種特性來提高算法的效率[3]。所以Rete算法的基本思想就是：犧牲一部分內(nèi)存空間來保存并充分利用在之前模式匹配過程中的信息(事實(shí)、規(guī)則、匹配情況、規(guī)則模式等)，來提高整體算法的匹配效率，達(dá)到顯著降低計(jì)算量的效果[4]。

1.2 規(guī)則的表達(dá)

規(guī)則的表達(dá)起源于人工智能領(lǐng)域中的知識(shí)表達(dá)，有產(chǎn)生式、框架、語義網(wǎng)絡(luò)等表示形式[5]。也可以簡(jiǎn)單地理解為一組條件和滿足此條件下的操作[6]。Drools使用產(chǎn)生式知識(shí)表示規(guī)則，可簡(jiǎn)化表示為一個(gè)三元組(對(duì)象、屬性、值)，用事件的因果關(guān)系來定義業(yè)務(wù)規(guī)則，即“當(dāng)條件為真，那么執(zhí)行動(dòng)作”[7]。

產(chǎn)生式規(guī)則由條件和結(jié)論兩部分組成，分別稱為規(guī)則的前件和后件[8]，通常表示為如下形式：

其中，Cn為條件名稱；Fn為對(duì)條件Cn的描述。

2 設(shè)備故障診斷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框架

本文設(shè)計(jì)的故障診斷專家系統(tǒng)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成了診斷系統(tǒng)的兩大核心組成部分，兩者通過接口管理模塊進(jìn)行交互[9]。故障診斷系統(tǒng)的系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 診斷系統(tǒng)框架圖

圖1中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的各種信號(hào)狀態(tài)和故障發(fā)生時(shí)的各種故障現(xiàn)象，為故障診斷專家系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持[10]。規(guī)則知識(shí)管理模塊實(shí)現(xiàn)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的獲取以及知識(shí)更新[11]。診斷模塊主要由診斷推理模塊、故障征兆提取模塊、解釋機(jī)構(gòu)等組成。故障征兆提取模塊從接口管理模塊中獲得實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的異常信號(hào)狀態(tài)和故障現(xiàn)象，并從中提取有用的故障征兆信息[12]。解釋機(jī)構(gòu)可以在進(jìn)行故障診斷的同時(shí)給操作員一些說明信息，便于操作員明白診斷過程[13]。

2.2 設(shè)備故障診斷步驟

本文設(shè)計(jì)的設(shè)備故障診斷的步驟如下：

(1)故障診斷專家系統(tǒng)通過規(guī)則知識(shí)管理模塊獲取專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以Drools規(guī)則文件的形式定義異常規(guī)則文件和故障現(xiàn)象規(guī)則文件。

(2)故障診斷專家系統(tǒng)通過接口管理模塊從實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中得到異常信號(hào)狀態(tài)和故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)。

(3)故障征兆提取模塊從步驟(2)得到的數(shù)據(jù)中提取征兆信息并傳給診斷推理模塊。

(4)診斷推理模塊根據(jù)征兆信息借助Drools規(guī)則引擎，運(yùn)用Rete算法進(jìn)行規(guī)則匹配，在匹配過程中解釋機(jī)構(gòu)可以給操作員一些說明信息，便于操作員明白診斷過程。

(5)當(dāng)步驟(4)的診斷結(jié)果是故障排除流程時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而解析以XML格式存在的故障診斷流程，進(jìn)而找到故障原因。如果此時(shí)仍未找到故障根源，可以借助專家會(huì)診對(duì)故障進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.3 設(shè)備故障診斷知識(shí)庫

知識(shí)庫的主要功能是存儲(chǔ)和管理專家系統(tǒng)中的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。知識(shí)庫中擁有知識(shí)的多少及知識(shí)的質(zhì)量決定了一個(gè)專家系統(tǒng)所具有的解決問題的能力[14]。本系統(tǒng)采用Drools規(guī)則引擎，Drools的規(guī)則文件就是知識(shí)庫。本文以異常信號(hào)規(guī)則文件為例進(jìn)行說明。

一個(gè)設(shè)備有多個(gè)信號(hào)點(diǎn)，例如電機(jī)控制信號(hào)、常規(guī)電源板電壓信號(hào)等，為了保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)信號(hào)點(diǎn)的信號(hào)都需要時(shí)刻處于正常狀態(tài)。一旦設(shè)備出現(xiàn)某種異常信號(hào)，應(yīng)該盡快地找出導(dǎo)致異常信號(hào)出現(xiàn)的故障原因，進(jìn)行故障恢復(fù)，將損失降至最小。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的每個(gè)信號(hào)點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，就會(huì)觸發(fā)Drools規(guī)則引擎，并將一個(gè)全局的異常信號(hào)狀態(tài)組合向量傳遞給Drools規(guī)則引擎，然后Drools規(guī)則引擎根據(jù)事先編譯好的異常信號(hào)規(guī)則文件進(jìn)行規(guī)則匹配，找出導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)異常的故障原因或者某種故障處理流程，然后按照這個(gè)處理流程進(jìn)行故障排查。

異常信號(hào)規(guī)則文件對(duì)應(yīng)一個(gè)事實(shí)對(duì)象異常信號(hào)規(guī)則類(SignalRule)。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)異常信號(hào)的處理方式，可以定義這個(gè)異常信號(hào)規(guī)則類，它的類圖如圖2所示。

圖2 異常信號(hào)規(guī)則類圖

在SignalRule類中，屬性ruleNumber代表規(guī)則的編號(hào)，signalStatus代表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳遞給Drools的全局信號(hào)狀態(tài)組合向量(以0、1的組合形式出現(xiàn)，其中 0代表某個(gè)信號(hào)正常，1代表某個(gè)信號(hào)異常)，processFlow代表導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)異常的故障原因所對(duì)應(yīng)的故障排除流程。

2.4 設(shè)備故障診斷排除流程

鑒于故障排除流程含有多層嵌套關(guān)系，本文將故障診斷排除流程以XML格式存儲(chǔ)，當(dāng)Drools規(guī)則引擎借助Rete算法進(jìn)行匹配的結(jié)果不是具體的故障原因而是故障排除流程時(shí)，就會(huì)解析XML文檔，按照給定的故障流程進(jìn)行故障排除。

診斷流程錄入模塊將故障診斷排除流程以XML格式進(jìn)行保存。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了清晰的錄入界面，方便用戶進(jìn)行錄入。

診斷流程控制模塊負(fù)責(zé)解析XML文檔并控制XML文檔中結(jié)點(diǎn)之間的跳轉(zhuǎn)。所謂結(jié)點(diǎn)之間的跳轉(zhuǎn)指在故障原因A由故障原因B間接引起的情況下，當(dāng)診斷到A時(shí)，診斷流程的下一步即跳轉(zhuǎn)到B所對(duì)應(yīng)的XML文檔。

診斷流程獲取模塊獲取故障診斷專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果，故障診斷專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果是故障診斷流程時(shí)，診斷流程獲取模塊獲得的與這個(gè)診斷流程相對(duì)應(yīng)的XML文檔名稱并傳遞給診斷流程控制模塊。

顯示模塊以SVG圖形的格式顯示整個(gè)診斷流程，并對(duì)當(dāng)前的診斷步驟以紅色進(jìn)行高亮顯示。當(dāng)診斷流程比較復(fù)雜時(shí)，可以幫助用戶定位當(dāng)前的診斷步驟和下一步驟。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 故障診斷運(yùn)行環(huán)境

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境：MyEclipse 8.5+Java(JDK1.6)+Struts 1.2+ExtJs+Json。

本系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境：Web服務(wù)器為Tomcat 6.0，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008，規(guī)則引擎使用 Drools 5.1，瀏覽器使用 FireFox。

3.2 規(guī)則匹配效率測(cè)試

Rete算法的執(zhí)行效率主要由規(guī)則文件編譯和規(guī)則匹配兩部分組成。本系統(tǒng)中，在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)即創(chuàng)建監(jiān)聽器，分別對(duì)異常信號(hào)規(guī)則文件和故障現(xiàn)象規(guī)則文件進(jìn)行編譯，之后使用規(guī)則引擎時(shí)只需進(jìn)行規(guī)則匹配，而不需要再次對(duì)規(guī)則文件進(jìn)行編譯，提高了程序的響應(yīng)速度。這種設(shè)計(jì)方式下，可以忽略規(guī)則引擎進(jìn)行規(guī)則編譯的效率，所以Rete算法的執(zhí)行效率就是規(guī)則匹配效率。

以故障現(xiàn)象規(guī)則匹配為例進(jìn)行說明，其測(cè)試用例如表1所示。

表1 故障現(xiàn)象規(guī)則匹配效率測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以看出，無論規(guī)則為多少條，使用Rete算法進(jìn)行規(guī)則匹配的運(yùn)行耗時(shí)都在16ms左右。將規(guī)則文件編譯和規(guī)則匹配分離開來，用戶在使用系統(tǒng)時(shí)，不必理會(huì)規(guī)則文件編譯的時(shí)間，只需響應(yīng)規(guī)則匹配的時(shí)間,使得系統(tǒng)執(zhí)行效率增加的同時(shí)，又提高了用戶的體驗(yàn)效果。

本文設(shè)計(jì)的故障診斷專家系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，即使是初級(jí)故障排除人員在該系統(tǒng)的逐步指導(dǎo)下也能快速準(zhǔn)確地定位故障，獲得了用戶的好評(píng)。該系統(tǒng)以產(chǎn)生式規(guī)則的形式表達(dá)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，使得用戶能夠充分利用這些經(jīng)驗(yàn)真實(shí)地模擬專家排故過程，通過測(cè)試結(jié)果可以看到：將Rete算法應(yīng)用在故障診斷中可以提高故障診斷的定位速度。本系統(tǒng)具有一定的通用性，從技術(shù)角度和實(shí)用角度來說，都具有一定的意義。此外，將故障診斷中的知識(shí)和領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)以規(guī)則的形式保存在規(guī)則文件中，一旦有新的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)需要表達(dá)，只需要更改規(guī)則文件，而不需要對(duì)系統(tǒng)的源代碼進(jìn)行更改。

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