液压挖掘机故障诊断专家系统的设计

张庆伟张 盈

1.济南大学 山东济南 250022 2.济宁市公路管理局 山东济宁 272000

液压挖掘机故障诊断专家系统的设计

张庆伟1张 盈2

1.济南大学 山东济南 250022 2.济宁市公路管理局 山东济宁 272000

近年来，为了满足复杂系统的诊断要求，诊断技术已开始进入一个新的阶段，即智能化诊断阶段。这是一种基于专家知识和人工智能技术的诊断方法。通过专家系统和神经网络两种方法对故障诊断进行了研究。应用人工智能理论，开发了液压挖掘机的故障诊断专家系统。对液压挖掘机的故障原理进行了全面的分析，建立了故障知识库，实现了实时状态监测和故障诊断。

人工智能；状态监测；故障诊断；专家系统

液压挖掘机是非常复杂的机电液一体化的大系统，并不断向着高速度、高功率、高可靠性、大型化的方向发展，这就造成液压挖掘机的故障维修非常困难。本文提出用专家系统来诊断故障的方法，用这种方法可以不用对挖掘机进行解体而进行故障诊断，可以缩短挖掘机的故障停机时间，提高挖掘机的经济效益。

一、故障诊断系统结构

液压挖掘机的故障诊断专家系统是一个集信号、采集、工况分析、状态显示及故障诊断的多任务信息处理系统，由下位机和上位机两部分组成，下位机完成液压挖掘机的状态监测和数据采集功能，上位机完成液压挖掘机的故障诊断功能。系统结构如图1所示，该系统主要实现了液压挖掘机的运行状态在线监测和离线故障诊断功能。

图1 系统构成

二、故障诊断专家系统的组成

专家系统（Expert System，简称ES）是一种具有专家水平的、基于知识的、智能化的计算机程序，是研究如何利用专家知识来解决某专门问题而建立的人机系统的方法和技术。本故障诊断专家系统的结构如图2所示，它包括6个部分：知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释程序和知识获取程序。

图2 液压系统故障诊断专家系统结构图

1.人机接口

人机接口主要完成输入、输出和显示功能，输入功能是指使用户和专家可以方便地向知识库添加知识，输入人工排障指令、调用历史数据库中的指令、调用显示模块的指令和修改指令等。显示功能是指显示相应诊断模块的诊断结果，或以文字说明，或以图表显示。

2.推理机

推理机是专家系统的组织控制机构，它根据当前的输入数据（如机器运行过程中的各种征兆），运用知识库中的知识，按一定的策略进行推理，以达到要求的目标。在推理机作用下，一般用户能够如同领域专家一样解决某一领域的困难问题。在本系统中，推理机主要由逻辑推理1和人工神经网络两部分组成。逻辑推理1主要包括含有一些有关征兆参数方面的逻辑知识，逻辑推理1利用这些逻辑知识对所输入的数据进行处理，从而得到人工神经网络的输入信号；人工神经网络则通过它的结构中所包含的故障诊断知识来实现从故障征兆到故障类型的映射。

3.解释程序

解释程序向用户解释系统的推理过程并回答用户提出的问题，使系统具有透明性。系统在一次咨询结束后主动询问用户是否想知道系统如何得出结论。若用户要求解释，则系统从动态数据库中调出保存用过的规则名去查寻知识库，并在屏幕上显示所采用规则的内容。本系统设计逻辑推理2，通过逻辑推理2对诊断结果进行解释。在逻辑推理2中，根据不同的诊断对象总结了诊断对象的逻辑推理规则用来对神经网络的诊断输出进行处理，把处理的结果以故障表的形式输出，即通过逻辑推理2和故障表来对神经网络的诊断结果进行解释。

4.学习系统

系统的学习主要是指系统的神经网络利用知识工程师所建立的故障样本进行神经网络的训练，从而把故障诊断知识以神经网络权值和阀值的形式存储在神经网络的各个神经元当中，即学习系统的建立就是神经网络模型的建立，本系统选用BP网络进行知识的学习。本系统的故障诊断算法及信息流程如图3所示。

图3 故障诊断算法及信息流程图

5.数据库

数据库又称为工作存储区或动态数据库，是用于存储所诊断问题领域内原始特征数据信息、推理过程中得到的各种中间信息和解决问题后输出结果信息的存储器。

6.知识库

知识库包含了所要解决的问题领域中的大量事实和规则，即知识库是领域知识和该专家系统工作时所需的常识性知识的集合，包括逻辑性知识和启发性知识。逻辑性知识是指确保其准确无误的知识，通常是一些常识性的知识；而启发性知识是指领域专家所掌握的一些知识，它们通常没有严紧的理论依据，很难保证其普便正确性，也就使得专家系统在工作时会出错。

知识库中的知识可以用一种或几种知识表示方法来表示。知识的表示方法直接决定着知识库的组织结构并直接影响着整个专家系统的工作效率。知识库是一个独立的实体，它内存的知识可以通过程序来提取和管理。知识库应易于存入新知识而且不和已知的知识互相发生干扰，减少和已有知识之间的矛盾和沉余，确保知识的一致性和有效性。

三、系统的功能结构

本故障诊断专家系统的设计，采用软件工程的方法把故障诊断软件的开发和维护的复杂问题进行分解，把软件的开发依次分为若干个阶段，每个阶段有相对独立的任务，然后逐步完成每个阶段的任务，前一个阶段任务的完成时为后一个阶段任务开始的前提和基础，而后一个阶段任务的完成通常是使前一阶段提出的解法更进一步的具体化。据以上的分析，本文设计出如图4所示的诊断系统，包括系统管理、故障诊断、知识管理、神经网络等模块，用户接口通过菜单、对话框、系统信息等方式提供友好的人机界面。

图4 专家系统功能结构图

四、结束语

故障诊断专家系统软件设计采用VC++ 6.0，系统采用多文档窗体进行窗口显示，界面风格统一、美观，通过图文并茂的用户界面可以实现集信号采集、工况分析、状态显示及故障诊断、系统参数设置、历史记录查询、统计分析图、报表打印和数据传输等功能，十分方便用户使用。采用故障诊断专家系统来进行液压挖掘机的故障诊断，可以不用对挖掘机进行解体而进行故障诊断，缩短挖掘机的故障停机时间，提高挖掘机的经济效益。

[1]施锦丹，王凯，王伯成.液压系统故障诊断综述[J].机床与液压，2008，36（11）：175～179

[2]靳智明.论工程机械的智能化发展[J].辽宁工程技术大学学报，2008，27（5）：257～259

[3]杜鹏.面向对象的液压挖掘机故障诊断系统研究[D].：吉林大学，2008

[4]刘影，王耀华，王小强.浅析基于面向对象技术开发液压系统智能故障诊断系统的方法[J].矿山机械，2007，35（2）：124～126

[5]张震，崔林立，刘芬.基于人工智能的创造性思维的模拟方法[J].苏州科技学院报（自然科学版），2007，24（3）：59～63

[6]李伶.基于神经网络的液压挖掘机故障诊断推理技术及应用研究[D].浙江大学，2004

The design of an expert system on diagnosing the malfunction of hydraulic excavator

Zhang Qingwei1, Zhang Ying2
1.University of Jinan, Jinan, 250022, China
2.Jining highway administration, Jining, 272000, China

In recent years, diagnosis technology has already come into the new stage-intelligent fault diagnosis to satisfy diagnosis request in some complex system. This is a diagnosis method based on expert knowledge and intelligence technology. In this paper, research on fault diagnosis is based on expert system and neural network.Based on artificial intelligence theory, the author developed an expert system on diagnosing the malfunction of hydraulic excavator. The diagnosis principle of hydraulic excavator has been analyzed. The fault knowledge base has been built. The state monitoring and fault diagnosis can been carried out.

artificial intelligence; state monitoring; fault diagnosis; expert systems

2010-03-07

张庆伟，本科，在职硕士研究生，助理工程师。张盈，本科，助理工程师。