基于产生式规则和演绎推理的自动变速器诊断系统研究

张培明，马乐群，王春林

（潍坊科技学院，山东 潍坊 262700）

产生式这一术语是由美国数学家E.Post在1943年首次提出来的。1972年，纽厄尔和西蒙在研究人类的知识模型中开发了基于规则的产生式系统，产生式规则表示法具有便于推理的自然性、便于对规则库进行模块化处理、便于用统一的表示模式表达专家系统中多方面知识有效性和格式的规范性。产生式规则表示法已成为目前人工智能中应用最多的一种知识表示模式。随着人工智能的发展，专家系统用于复杂系统的故障诊断成为人工智能一个重要的应用领域。

1 专家系统结构方案设计

知识库包括用于存储电控自动变速器的数据库和规则库。数据库用于存储结构与工作原理知识、专家经验知识，规则库用于存储故障诊断规则。推理机是专家系统的核心，根据故障现象判断故障类型，分析故障原因，并提出故障排除措施。电控自动变速器故障诊断专家系统诊断过程是一个多级目标推理过程。推理过程按照元知识控制目标的执行顺序，对规则库进行搜索匹配。系统以黑板作为信息传输的介质，以实现各部分之间的信息交换。

2 知识库设计

专家系统知识库设计主要包括事实数据库设计和规则库设计。

2.1 事实数据库设计

2.1.1 电控自动变速器结构和性能数据库

电控自动变速器由液力变矩器、行星齿轮变速器、液压控制子系统、电子控制子系统和操纵机构五部分组成。不同型号的电控自动变速器在组成、结构、性能上存在很大差异，因此应分别建立相应的数据库，采用分层框架网络表示法。

2.1.2 故障类型数据库

首先对电控自动变速器可能发生的故障进行列举和分析，然后将全部故障类型定义为一个故障集合，用一个欧氏向量 S表示：

Si为第i种故障类型，n表示故障类型的总数。型号A（例如，01N型）电控自动变速器故障类型可以做出集合。

2.1.3 故障原因数据库

同样，将引起这些故障的原因、故障部位定义为一个故障原因集合，用一个欧氏向量X表示：

2.1.4 故障排除措施数据库

针对诊断出的不同的故障类型、故障原因，制定相应的故障排除措施指导。例如，油面过低X14，故障排除措施为添加变速器液。又如，电控单元失效X23，故障排除措施为更换。

2.2 规则库设计

根据电控自动变速器的工作原理，分析各种故障原因与故障的逻辑关系，制定正向推理规则，部分故障类型与故障原因的映射关系。

根据故障类型与故障原因的映射关系，制定的产生式正向推理规则，例如：

Rule F01: if S01then X05OR X06OR X25

Rule F02: if S02then X03OR X14

……

根据故障原因与故障类型的映射关系，制定的产生式正向推理规则，例如：

Rule B01: if X01AND X30then S16

Rule B02: if X01AND X30then S17

……

3 故障诊断专家系统推理机设计

3.1 与/或形正向演绎推理

电控自动变速器故障诊断专家系统诊断过程是一个多级目标推理过程。主要包括总目标的推理过程、次级目标的推理过程。与/或形演绎推理是基于经典逻辑的一种推理，其真值只有真和假两种，是一种精确性推理。

与/或形正向演绎推理要求已知事实不用蕴含符号“→”的与/或形表示，将所有事实表达式变换为与/或形。

故障原因与故障类型的映射关系，制定的产生式逆向推理规则。根据事实数据库中给出的假设，反向使用规则，即把规则的后件与当前数据库的内容进行匹配，若有多条规则可用，则按规则消除策略从中选择一条规则执行，将执行规则的结论添加到综合数据库中，直至问题求解或没有可用规则。

3.2 搜索匹配策略

电控自动变速器故障诊断专家系统规则匹配流程显示，用户通过人机界面输入故障特征，将搜索策略采用宽度优先搜索策略，从初始节点S1开始逐层对节点进行扩展，并考察它是否为目标节点。OPEN表中的节点总是按进入的先后顺序排列。

3.3 冲突消除策略

当已知故障类型与规则库中的多个规则匹配时，采用针对性排序的方法消除匹配冲突策略，选用针对性较强的产生式规则。当已知故障类型不能与规则库中的规则匹配时，需要对规则库补充新规则。否则，匹配失败。

3.4 软件结构

故障诊断系统采用Visual Basic 6.0 and ACCESS 数据库等开发工具进行开发。软件包括故障类型诊断模块、知识库模块和系统帮助模块三部分，具有通用性和可移植性，界面友好，同时支持多种数据库的应用。

3.5 专家系统推理机实例应用与试验验证

为验证故障诊断专家系统的有效性，对捷达轿车01N型电控自动变速器故障采用模拟故障的方法进行了实验验证，实验测试结果表明，诊断结果与实际故障基本一致，但某些故障出现误诊，其主要原因有：数据库和规则库有待完善，需要借鉴等维修经验；缺少故障出现时机和运车辆行状态约束条件。

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（7）：91～95