基于案例推理的故障诊断系统软件开发

朱文博, 刘 莎, 甘 屹

(上海理工大学，上海 200093)

当前,企业为了在竞争中立于不败之地,采用了各种先进高档的制造设备,以最大限度地提高生产效率和产品质量。然而,设备日趋高速、精密、复杂,设备发生故障的潜在可能性则相应增加,并且故障特点更具复杂性、多样性、隐蔽性,这对设备的状态监控和故障诊断技术提出了更高的要求[1]。因此,故障诊断技术成为迅速发展起来的一门热门技术[2]。

有充分的事实证明,经验丰富的维修师总是比缺乏经验的维修人员诊断得更快、更好,这是因为有经验的维修师积累了大量成功或失败的维修案例和方法。基于案例推理(Case Based Reasoning,CBR)利用已有的相似案例来解决问题[3],将CBR应用于故障诊断系统是非常适合的[4-5]。本文将重点讨论CBR的故障诊断系统的软件开发。

1 典型的CBR模型

从目前的研究来看,普遍被接受的、典型的CBR模型是建立在Aamodt和Plaza[6]提出的“4R”循环基础之上的,即将CBR过程划分为4个主要阶段:①实例检索(Retrieve),根据问题的描述找到最相似的实例;②实例复用(Reuse),重用相似实例的建议解;③实例修正(Revise),如有必要,修正建议解以更好地适应新问题;④实例保存(Retain),将验证后的新解连同问题存储到实例库中。

根据文献[5],本文将典型的CBR模型描述为图1所示。

图1 典型的CBR模型

如图1所示,该模型主要由实例库和CBR的几个重要环节组成:①实例库。CBR首先需要建立一定规模的实例库。实例库相当于人的大脑,存储了一些过去的相关经历,这就是若干个实例。每一个实例至少包括问题和解答两部分。②实例表示。这些实例必须通过一定的表示方式和组织方式存储在实例库中,以便在需要的时候能被及时取出。③实例检索。当遇到新问题时,往往通过回忆类似情况来解决,回忆过程对应了CBR通过检索算法,比较新问题和旧问题之间的相似度,从实例库中找到一个或若干个相似实例。当然,新问题与旧问题都是通过统一的实例表示方法进行表示的,这样便于比较相似度。④实例重用。新问题若非常接近甚至完全与旧问题一致,则将旧问题的解答直接作为新问题的解。实例重用后不需要将新实例存储在实例库中。⑤实例修改。新问题往往和旧问题有一定差异,这时需要对旧问题的解进行修改。因为修改的是旧解答,故若找到的相似实例不止一个的话,在实例修改前应该先判断到底哪个相似实例的旧解答最容易修改,问题最相似,不等于解答最容易修改。修改后的解答是否符合新问题,还需要得到验证,最终得到新解答。新问题和新解答构成新实例。⑥实例存储。新实例是否应该存储到实例库中,需要一定的策略去判断。如果存储,则增加了实例的数量,实现了CBR的学习过程。

2 CBR的故障诊断系统软件功能模型

在故障诊断领域引入CBR是故障诊断系统软件进一步发展的客观要求。根据典型的CBR模型,建立CBR的故障诊断系统软件功能模型,用功能建模 IDEF0(Integrated Computer—Aided Manufacturing DEFinition)方法表示,如图2所示。该模型共由4部分组成,包括:故障案例表示、故障案例检索、故障案例重用与修改、基础数据管理。

2.1 故障案例表示

案例表示是CBR运行的基础。故障现象的描述及其所对应的故障解决方案采用一定表示方法、遵循一定的表示准则表示出来,并存储到案例库当中。一个故障现象可以对应一个合理的、实际采用的、成功的故障解决方案,也可以对应几个故障解决方案,成功的或失败的,均可以存储到案例库中。根据若干故障案例之间的逻辑关系,运用数学方法生成故障树。案例表示的约束不仅来自表示方法和表示准则,而且来自于下游的推理。案例表示时要考虑是否利于检索、修改、存储。案例表示同时也接受着反馈信息,案例检索、案例修改和案例存储对表示的评价,以便案例表示模块能够时时弥补表示的不足。

图2 CBR的故障诊断系统软件功能模型

2.2 故障案例检索

案例检索是CBR实现的手段。将案例库中已有故障现象和新故障(即需要进行故障诊断的,并且已经被案例表示模块表示过的故障现象)进行比较,找出与新故障现象相似的一个或几个旧故障现象(旧故障现象指的是案例库中已有的故障描述)。在这一模块中,要制定检索方法和检索准则,检索的快慢和有效性直接决定了整个CBR的推理效率。除此之外,还要考虑是否利于案例修改,同时要接受案例修改模块对案例检索的评价。

2.3 故障案例重用与修改

案例重用与修改是CBR推理的目的。如果从案例库中检索到的旧故障现象和新故障现象完全一样,则可照搬旧故障现象的解决方案,这就是案例重用的过程,简单易行。但是这种情况非常少见,通常需要根据新故障现象来修改检索出的相似旧故障解决方案。如果检索到的相似故障现象不止一个,或相似故障现象只有一个但对应的故障解决方案不止一个,那么要根据修改故障解决方案的难易程度进行判断,从中选择一个方案来执行案例修改。案例修改需要考虑修改的方法和修改准则,必定要参考故障诊断相关的理论。同时还要考虑下游模块是否利于存储,并接受案例存储模块对案例修改的反馈评价。案例修改的结果是输出新故障现象对应的故障解决方案,至此完成CBR的推理过程,得到问题的解答。

2.4 基础数据管理

基础数据管理是整个软件系统运行的基础,其中包括机床的基本信息、故障现象、故障部位、故障特征等的基本定义。基础数据信息的增减保证了故障诊断的合理性和有效性。

3 CBR的故障诊断系统软件模块

根据图2所示基于案例推理的故障诊断系统软件功能模型构建软件模块,主要包括:故障案例的录入、故障案例的查询、故障案例的修改、基础数据管理。

3.1 故障案例的录入

如图3～5所示,故障案例的录入包括案例号、案例名称、故障现象及部位(故障现象、故障现象的级别和故障部位)、检测对象(检测对象、检测对象特征和检测对象特征值)、故障诊断结果(故障原因和排除方法)、备注、故障图片、发生日期、操作人员、维修日期、维修人员等。故障案例的录入包括故障现象的描述及其所对应的故障解决方案,较为全面地反映了故障诊断的方法与知识。通过录入故障案例构建故障案例库。

3.2 故障案例的查询

图3 故障案例的录入——故障现象及部位

图4 故障案例的录入——检测对象

图5 故障案例的录入——故障诊断结果

故障案例的查询包括两个部分:按关键词查询和相似案例查询。如图6所示,当用户输入故障现象或故障部位(两者可同时输入,也可只输入其中任一项)后,系统进行查询,显示查询结果如图7所示。如果通过关键词查询不到案例库中已有案例,则可以进行相似案例查询。如图8所示,录入新故障的相关信息,系统通过相似度检索算法,从故障案例库中检索到相似案例(见图9)供用户参考。

图6 按关键词查询条件输入

图7 按关键词查询结果

图8 相似案例查询条件输入

图9 相似案例查询结果

3.3 故障案例的修改

如图10所示,故障案例的修改允许高级别用户修改故障案例库或者删除某一故障案例。对于检索出的相似案例进行修改以适合新故障的求解,将新故障描述以及排除方法作为新的案例存储到案例库中,体现了CBR的自学习功能。

图10 故障案例的修改和删除

3.4 基础数据管理

基础数据管理包括故障现象、故障部位、故障原因、排除方法、检测对象和检测对象特征等信息的添加、修改和删除。图11所示故障现象的添加。为了实现故障知识的有序储存与快速检索,系统对所有的基础数据进行了编码。

4 结 语

图11 基础数据管理——故障现象的添加

本文将CBR应用于故障诊断领域,研究了故障诊断系统的软件设计。构建了基于案例推理的故障诊断系统软件功能模型,并阐述了软件模块。通过故障案例的表示和录入将人的经验知识存储起来;通过案例的检索和查询,替代了人的回忆和判断;通过案例的修改和重用,完成了故障诊断。本文的研究在基于案例推理的数控轧辊磨床故障诊断系统中得到了良好的应用,显著提高了故障诊断的准确性和诊断效率。随着故障案例库的不断扩充,该故障诊断软件系统功能会得到进一步完善,系统会有更好的应用前景。

[1]张代胜,王 悦,陈朝阳.融合实例与规则推理的车辆故障诊断专家系统[J].机械工程学报,2002,38(7):91-95.

[2]杜海峰,王 娜,张进华,等.基于复杂网络的故障诊断策略[J].机械工程学报,2010,46(3):90-96.

[3]Watson I.Case-based reasoning is a methodology not a technology[J].Knowledge-Based Systems,1999,12(5/6):303-308.

[4]韩西京,史铁林,陈培林,等.故障诊断中事例推理的理论和方法[J].华中理工大学学报,1996,24(4):33-35.

[5]倪志伟,李建洋,李锋刚,等.案例决策技术及案例决策支持系统研究综述[J].计算机科学,2009,36(11):18-23,42.

[6]Aamodt A,Plaza E.Case-based reasoning:foundational issues,methodological variations,and system approaches[J].AI Communications,1994,7:39-59.