□ 何彥虎 □ 錢振華 □ 朱建偉 □ 問朋朋

湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電分院 浙江湖州 313000

基于CLIPS的數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)研究*

□ 何彥虎 □ 錢振華 □ 朱建偉 □ 問朋朋

湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電分院 浙江湖州 313000

針對(duì)數(shù)控機(jī)床的故障診斷，提出了基于專家系統(tǒng)的智能故障診斷方法，闡述了其實(shí)現(xiàn)的基本原理、專家系統(tǒng)的基本組成和開發(fā)步驟。對(duì)目前CLIPS與高級(jí)語(yǔ)言VC++的混合編程進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)混合編程的方法進(jìn)行了介紹。敘述了CLIPS與VC++基于文本平臺(tái)交互的基本原理與實(shí)現(xiàn)方法，該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的基于VC++開發(fā)環(huán)境的不足，大大提高了開發(fā)速度與質(zhì)量。最后，對(duì)基于FAT的數(shù)控機(jī)床故障分析進(jìn)行說明，并對(duì)開發(fā)過程進(jìn)行了介紹，以實(shí)例形式說明了專家系統(tǒng)開發(fā)的過程，對(duì)其它基于CLIPS的專家系統(tǒng)開發(fā)具有參考價(jià)值。

推理 故障診斷 專家系統(tǒng) CLIPS

數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)最常用的設(shè)備，它集機(jī)、電、液于一體，復(fù)雜性高，維修難度大，對(duì)維修人員的要求極高，即使一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的維修師，有時(shí)也需要比較長(zhǎng)的時(shí)間去維修，因此智能化的維修方法近年來(lái)得到廣泛的研究和應(yīng)用。智能化維修理論主要有：基于模糊集的維修方法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的維修方法，還有比較常用的基于專家系統(tǒng)的維修方法。專家系統(tǒng)可以將專家的維修思想用智能化語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，維修的時(shí)候，只需要查詢專家系統(tǒng)，便可以得到比較滿意的維修方法，更重要的是專家系統(tǒng)可以不斷地再學(xué)習(xí)和完善。目前已經(jīng)有較多的專家系統(tǒng)得到成功應(yīng)用，其編程一般采用智能化設(shè)計(jì)語(yǔ)言完成。CLIPS是繼Prolog之后被廣泛使用的人工智能語(yǔ)言，它是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，繼承了Prolog語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)行了改進(jìn)，因效率高，可移植性強(qiáng)而得到廣泛的應(yīng)用［5］。CLIPS是產(chǎn)生式專家系統(tǒng)開發(fā)工具，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，采用模塊化編程，與C、VB、Pascal等語(yǔ)言的兼容性強(qiáng)。VC++不擅長(zhǎng)邏輯推理，但在人機(jī)界面及數(shù)據(jù)庫(kù)操控方面優(yōu)勢(shì)明顯，而CLIPS在邏輯推理方面功能強(qiáng)大。因此，二者的混合編程能產(chǎn)生良好的效果。文獻(xiàn)［1］采用Define Function函數(shù)實(shí)現(xiàn)二者的交互，文獻(xiàn)［2］采用故障樹的方法分析故障，文獻(xiàn)［3］采用了實(shí)體的故障分析方法，在交互模式上采用了函數(shù)指針方式，文獻(xiàn)［4］采用了基于VC++環(huán)境的交互方式。

1 CLIPS基本組成

CLIPS的優(yōu)點(diǎn)在于良好的可移植性和高效模式匹配算法，其構(gòu)成的專家系統(tǒng)包括：規(guī)則（Defrule）、事實(shí)（Deffacts）、推理（Agenda），如圖2所示。

事實(shí)由關(guān)系名（Relation Name）及槽值（Slot）組成，表示已知的信息。事實(shí)一般先用自定義模板定義事實(shí)結(jié)構(gòu)，形式如下：

在推理時(shí)，CLIPS會(huì)把所有的事實(shí)添加到存儲(chǔ)器中，并提供了添加事實(shí)庫(kù)指令 （Assert）、刪除事實(shí)（Retract）指令等多個(gè)關(guān)于事實(shí)的操作指令。

規(guī)則是推理的相關(guān)知識(shí)，其格式如下：

CLIPS的推理循環(huán)可分為4個(gè)階段：①模式匹配，按照算法掃描知識(shí)庫(kù)中所有規(guī)則，把規(guī)則的前件與當(dāng)前事實(shí)相匹配；②沖突消解，當(dāng)多條規(guī)則同時(shí)被匹配時(shí)，根據(jù)預(yù)先確定的沖突消解策略，確定觸發(fā)規(guī)則；③激活規(guī)則，調(diào)用匹配所觸發(fā)規(guī)則的所有事實(shí)；④動(dòng)作，CLIPS推理機(jī)重復(fù)上述循環(huán)，不斷地掃描規(guī)則的模式，并把匹配成功的規(guī)則激活，放入議程（Agenda）之中。

2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)專家系統(tǒng)原理，故障診斷專家系統(tǒng)主要組成有：事實(shí)庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)、解釋機(jī)構(gòu)及人機(jī)界面等部分，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

領(lǐng)域?qū)＜野严嚓P(guān)的知識(shí)輸入到專家系統(tǒng)中，即以規(guī)則表示的知識(shí)表示出來(lái)，則專家系統(tǒng)的推理過程可以模擬專家的推理過程，進(jìn)而滿足用戶的需求。數(shù)據(jù)庫(kù)也稱“黑板”，主要用來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)領(lǐng)域的事實(shí)、數(shù)據(jù)等信息。推理機(jī)是實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)推理的一組程序，是根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，按照某種推理策略，運(yùn)用知識(shí)庫(kù)的知識(shí)完成推理，是專家系統(tǒng)的主要任務(wù)，推理方法有正向推理和反向推理，策略常用廣度優(yōu)先和深度優(yōu)先策略。

▲圖2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 CLIPS與VC++交互的關(guān)鍵技術(shù)

目前CLIPS版本仍是基于命令模式，人機(jī)界面主要由VC++完成，這就要求二者之間進(jìn)行交互。CLIPS與VC++的交互模式基本有兩種：基于VC++環(huán)境和基于CLIPS環(huán)境兩種：前者的基本思路是，CLIPS只實(shí)現(xiàn)推理功能，其它功能如讀（Read）、寫（Printout）、人機(jī)界面等功能全部由VC++實(shí)現(xiàn)，CLIPS類似一個(gè)函數(shù)，被高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用，實(shí)現(xiàn)其推理功能，這種方式目前使用最多，這種方式的最大不足是CLIPS的許多功能由VC++完成，即沒有利用好CLIPS的強(qiáng)大功能，也增加了VC++開發(fā)的工作量，另外，調(diào)試必須在VC++環(huán)境下，速度較慢，而且也得不到CLIPS的調(diào)試信息；后者的基本思路是，由VC++實(shí)現(xiàn)其人機(jī)界面功能，其它的功能由CLIPS實(shí)現(xiàn)，調(diào)試在CLIPS環(huán)境下，特別適合程序的調(diào)試，因?yàn)檎{(diào)試時(shí)系統(tǒng)會(huì)提供大量的調(diào)試信息，速度快，比較方便，而且與VC++的版本關(guān)系不大，方便移植，但是必須要解決一個(gè)難題，就是如何改進(jìn)CLIPS編程，以便讓VC++識(shí)別。這種交互的基本組成構(gòu)架如圖3所示，筆者采用后者完成。

▲圖3 CLIPS與VC++交互示意圖

這種交互的要求是在CLIPS環(huán)境下調(diào)試的程序不改變或很少改變后便能被VC++識(shí)別和執(zhí)行，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，關(guān)鍵是解決Printout和Read語(yǔ)句的處理。

3.1 CLIPS與VC++交互環(huán)境的構(gòu)建

要實(shí)現(xiàn)二者的交互，首先需要一個(gè)clips.dll的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件和包裝類文件CLIPWrap，二者在Clips的網(wǎng)站上可以下載。為了讓VC++可以調(diào)用CLIPS中的類，需要把clipwarp文件夾中的dynclips.h和dyaload.h兩個(gè)頭文件添加到VC++的include文件夾下，并把clips.dll和Clips.lib、rsvarcol.cpp和Rsvarcol.h放到VC++的工程目錄下，以便讓VC++搜索到，這樣，工作環(huán)境就建立了起來(lái)，VC++可以調(diào)用clips的所有函數(shù)了。

3.2 用printout語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)交互的方向控制

在Clips下，（printout f“”）表示將信息顯示到終端設(shè)備上 （默認(rèn)是顯示器），如要求在VC++的edit編輯框中顯示信息，則使用下述語(yǔ)句：

3.3 read語(yǔ)句

因?yàn)樵贑LIPS環(huán)境下read語(yǔ)句默認(rèn)的是從顯示終端上獲取數(shù)據(jù)，而VC++在執(zhí)行這條語(yǔ)句時(shí)，并不是從顯示器終端上獲取數(shù)據(jù)，所以不處理就使用將會(huì)造成死機(jī)或不能用。許多開發(fā)者不得不將該語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成相同功能的高級(jí)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，使程序結(jié)構(gòu)變差。利用下面的語(yǔ)句將會(huì)很好地解決這個(gè)問題，CLIPS從InFile. txt文件中讀數(shù)，而VC++向該文件中寫數(shù)，InFile.txt是數(shù)據(jù)交換的緩沖區(qū)。

4 故障診斷專家系統(tǒng)的CLIPS實(shí)現(xiàn)

數(shù)控機(jī)床由機(jī)床本體、伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)、液壓潤(rùn)滑等組成，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其故障類型多，維修復(fù)雜。要實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的故障診斷，首先要建立故障的分析方法，目前最常用的是故障樹分析法 （FTA），F(xiàn)TA是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的大型復(fù)雜系統(tǒng)的分析方法，故障樹能比較直觀地表達(dá)故障，可靠性和安全性好。實(shí)現(xiàn)故障推理，一般要進(jìn)行規(guī)則庫(kù)和事實(shí)庫(kù)的定義和編程、定義故障樹、初步調(diào)試、人機(jī)界面的編程、聯(lián)調(diào)等過程。

4.1 知識(shí)表示

專家系統(tǒng)的知識(shí)表示方法很多，為了便于推理，筆者采用了如下定義方法：

（deftemplate N （slot Fnum）（slot name）（slot type）（slot question）（slot yesN）（slot noN）（slot answer）（slot CF）（slot weight）（slot threshold））；Fnum是故障編號(hào)，name為故障結(jié)點(diǎn)名，yesN表示可信度為1的結(jié)點(diǎn)。cf為可信度，weight為權(quán)重，threshold為閾值，當(dāng)故障比較模糊的時(shí)候會(huì)用可信度表示。

4.2 事實(shí)定義

事實(shí)定義可以用deffact定義。

（N（fnum 1）（name root）（type decision）（question "跳過斷路器接入電源，工作是否正常？"）（yesN node1）（noN node2）（answer nil）（CF 0.7）（weight 0.2）（threshold nil））。

4.3 VC++側(cè)編程

首先要完成初始化工作，調(diào)用類OnInitDialog（）實(shí)現(xiàn)，主要完成初始化、加載知識(shí)庫(kù)等動(dòng)作，關(guān)鍵語(yǔ)句如下所示：

推理是專家系統(tǒng)按照知識(shí)庫(kù)的規(guī)則，從事實(shí)庫(kù)中提取事實(shí)，完成推理，關(guān)鍵的語(yǔ)句是：

加載事實(shí)是加載事實(shí)庫(kù)，即將事實(shí)文件打開，主要語(yǔ)句是：

4.4 調(diào)試

調(diào)試工作一般是在CLIPS環(huán)境下進(jìn)行，由此系統(tǒng)運(yùn)行速度很快，而且錯(cuò)誤提示清楚，提高了開發(fā)速度，調(diào)試界面如圖4所示。

▲圖4 調(diào)試界面

4.5 建立數(shù)控機(jī)床故障診斷樹

故障樹由頂事件、中間事件、底事件組成，中間事件是頂事件的故障現(xiàn)象，底事件是中間事件的故障發(fā)生原因。為說明專家系統(tǒng)的構(gòu)建，現(xiàn)從一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明故障樹的CLIPS表示方法，如圖5所示。

▲圖5 推理關(guān)系示意圖

各節(jié)點(diǎn)代表的含義：

A：過電流報(bào)警（用故障代號(hào)fnum表示）。

B：先關(guān)斷電源，十分鐘

后合閘，斷路器是否跳閘。

C：請(qǐng)檢查速度控制板二極管模塊Ds是否短路。

E：模塊損壞更換新模塊。

F：無(wú)故障，可以繼續(xù)工作。

D：請(qǐng)檢查DS部件連接的電容是否短路，測(cè)試正反向電阻。

I：該電容損壞，請(qǐng)更換新電容。

H：跳過斷路器接入電源，工作是否正常。

K：空氣斷路器故障，更換新的斷路器。

M：故障原因是伺服單元不良。

以伺服過電流報(bào)警為例進(jìn)行推理過程說明，伺服過電流故障的原因主要有：過載、功率模塊損壞、電容失效、伺服單元故障等，推理開始要求選擇故障現(xiàn)象，如圖6所示。然后專家系統(tǒng)會(huì)向用戶詢問若干問題，如“先關(guān)斷電源，十分鐘后合閘，斷路器是否跳閘？”，用戶根據(jù)提示選擇是或否，如圖7所示。最后推導(dǎo)出下一個(gè)問題或結(jié)論，如圖8所示。

▲圖6 故障選擇界面

▲圖7 故障推理界面

▲圖8 推理結(jié)論畫面

5 結(jié)束語(yǔ)

闡述了基于文本平臺(tái)的CLIPS與VC++的交互技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的基于VC++環(huán)境開發(fā)方法的不足，解決了開發(fā)過程中遇到的混合編程調(diào)試難問題，基于FAT的故障診斷分析方法，對(duì)數(shù)控機(jī)床專家系統(tǒng)開發(fā)具有較好的適應(yīng)性，對(duì)其它基于CLIPS的專家系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的參考價(jià)值。

［1］鄧海平，何玉林，杜靜.CLIPS嵌入VC++技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005（15）：88-91.

［2］羅天洪，楊彩霞，孫冬梅.基于故障樹的汽車起重機(jī)液壓故障診斷專家系統(tǒng)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013（4）：32.

［3］寧志強(qiáng)，陶元芳，楊家威.基于CLI PS轎機(jī)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2013（5）：425-430.

［4］寧志強(qiáng)，陶元芳，劉曉蓮.CLI PS數(shù)值應(yīng)用與VC++的交互［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013（4）：226-229.

［5］沈大偉，侶莊誠(chéng)，王學(xué)雷.基于CUPS的故障診斷專家系統(tǒng)開發(fā)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（4）：43-44.

［6］燕繼明，石榮波.數(shù)控機(jī)床維修專家系統(tǒng)中的知識(shí)表示［J］.機(jī)床與液壓，2013，41（3）：155-158.

［7］張治杰.測(cè)控裝備故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2012（6）：22-24.

［8］溫國(guó)誼，查光東，張翔.基于CLIPS的某型飛機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版）2013，44（7）：157-160.

［9］劉治國(guó)，蔡增杰，穆志韜，等.基于CLIPS的飛機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)建研究［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（1）：46-48.

（編輯 丁 罡）

TP182

A

1000-4998（2015）09-0062-04

*浙江省教育廳科研資助項(xiàng)目（編號(hào)：Y201327877）

2015年3月