数控机床维修专家系统中的知识表示

燕继明，石荣波

(中航工业成都飞机工业 (集团)有限责任公司，四川成都610092)

数控机床维修专家系统的建立，是为了解决机床故障的预警、准确诊断和快速排除，以提高数控机床维修效率，保障数控机床的正常运行。为此，将数控机床维修领域内多位专家的知识和经验准确地表达出来，设计出高效的知识库，是维修专家系统成为实用的专家级系统的重要基础。

数控机床是机械、电子、计算机、光学、检测等高新技术高度集成的自动化设备，涉及到如此多的技术领域，并且又高度集成，造成机床发生故障的表现多种多样，并且即使表现相同，原因却可能不同。无论从涉及的技术领域的多样性，还是每种领域本身的复杂性，以及造成故障的不确定性，都使维修专家系统的知识表示异常困难。

有专家提出知识表示方法［1］，基本概括了专家系统知识库常用的知识表示法，共有11种，如图1所示。这些方法各有优缺点，如谓词逻辑表示法，能够精确地表示人类的某些思维和推理，并适于计算机处理，但是对于具有归纳结构的知识、多层次的知识就显得力不从心;又如产生式表示法，适合于表达具有因果关系的过程型知识，却不能表示具有结构关系的事物之间的联系等。在具体的应用中，由于领域的复杂性，选用单一的知识表示法往往不能准确地表示出该领域的知识，越是复杂的领域，所用的知识表示法越多样。

图1 常用的知识表示法

文中通过分析数控机床维修领域所涉及到的各种知识的特点，重点使用产生式知识表示法 (也称为基于规则的知识表示法)，并以特性表表示法和过程表示法作为补充，实现完整、准确、高效地表达数控机床维修领域内的知识。

1 数控机床维修领域知识特点

对数控机床进行维修，首先要对维修对象有较深入的了解，如机床的结构、行程、各种几何精度、控制系统型号、甚至于生产厂家等，这类信息的特点是一系列整齐的特征－值序列。

另外，还要了解正常使用机床时的各种工况信息以及对应的动态性能信息，这类信息的特点是每条信息都对应多元值。以上信息构成了对机床的基本特性的认识知识。

建立在对机床基本特性认识的基础上，还要准确把握机床从正常到故障的各个状态的特点和转换关系，这是一个动态的过程。

进行数控机床的维修，最关键是对故障的准确诊断。每种故障都表现出一些现象，而现象的发生必定是有原因的。由于数控机床是由多种不同的部件构成，每种部件的组成也很复杂，因此，一种故障现象往往是由多种可能的原因造成，如何从众多的可能原因中找到真正的原因，是故障诊断的实质。引起故障的原因和表现的现象之间是一种因果关系，现象和原因之间又是一种一对多的关系。某部件故障现象和原因关系结构如图2所示。

图2 某部件的故障现象和原因关系图

2 数控机床维修领域知识表示法

以上所述为数控机床维修时所涉及的主要知识的特点，具体可分为机床整机特性信息、部件特性信息、元器件特性信息、故障特征信息、故障预警规则、故障诊断规则、故障排除方法等。其中，前3种为针对某对象的特征信息，都用以描述对象的一系列基本的静态特性，可以使用特性表表示法来表示这类知识。后4种针对故障预警和诊断，用以描述故障的现象、原因及之间的关系、推理等，主要使用产生式表示法来表示这类知识，在推理的过程中也会使用过程表示法来提高效率。

2.1 特性表表示法

所谓一个特性是一个序偶 (特征，值)，如 (名称，三坐标立式加工中心)、(制造商，某公司)等。关于某事物的一组特性可以组织成一张特性表，用这种方法可以方便、直观地表示许多类型的知识。

一台数控机床的基本信息可以表示成一个特性表。如表1所示为一台三坐标立式加工中心的基本信息特性表。

表1 三坐标立式加工中心的特性表

有的特性并不是一个序偶，而是一个多元组，这时仍然可以用特性表来表示。对设备性能进行评价时用到的工况信息的特性表如表2所示。

表2 某设备工况信息特性表

关于特性表表示知识的推理，实际上就是基于关键字的一种检索。

2.2 产生式表示法

产生式表示法常用于表示因果关系的知识，其基本形式是

其中:P是产生式的前提，用于指出该产生式是否可用的条件;Q是产生式的结论或操作，亦可称为后件，用于指出当前提P所指示的条件被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。产生式的含义是:如果前提P被满足，则可推出结论Q或执行Q所规定的操作。

用产生式表示的知识是一组产生式的有序集合，语法上可用BNF((Backus－Naur Form，巴科斯－诺尔范式)描述如下:

产生式知识中，诸产生式的次序是有意义的，因为－般推理程序都是从前往后顺序地进行匹配，查找可被运用的产生式，因而放在前面的产生式就可能先得到匹配。从而执行其右部动作，或先推导出右部结论。

数控机床的故障呈现出一个现象、一种或多种原因的形式，并且，原因也是分层次的，各级原因又可看作为下一级原因表现出的现象，如表3所示为液压系统故障与原因关系表。这种特点很适合用产生式规则表示法来表示相关的知识。

表3 液压系统故障与原因关系表

在表3中，为了识别液压系统的故障，可以根据这种故障现象的特征，表示如下:

由上述产生式知识表示法表示知识的规则可以看出，设计的基本思想是:首先把故障现象分为若干类，如“不工作”、“报警”等，根据“类”的识别特征建立若干条规则，如规则Rl～R8，然后对属于各类的各个故障现象，根据其个性的识别特征建立各自相应的规则，如规则R16～R19。这样至少有两个好处:(1)当给出的己知事实不完全时，虽然不能得出最终结论，但可能会给出分类结果;(2)当需要增加对其他故障现象的识别要求时，规则库中只需增加关于这些故障现象个性方面的知识，对于规则库中已有的分类知识 (如R1～R8等)就可以直接使用。

2.3 过程表示法

过程即为一个子程序。所谓知识的过程表示就是把知识包含在若干过程之中，每个子程序完成特定的功能或利用知识解决特定问题。可以说过程表示是动态知识的表示模式。过程性知识表示强调知识的利用，即如何找出相关事实，如何去推理等等。一般来说，过程由两部分组成:一部分是表示数据和知识的数据结构，另一部分是基于这些数据结构的推理或问题求解。前者是过程的说明部，后者是过程体。

一个过程精确地告诉先做什么，后做什么，并能决定在不同情况下分别做不同的工作。而且能表示在出现异常情况时如何处理等等。过程能调用子过程，甚至调用自身 (递归调用)，因此，过程可以表示十分复杂的知识，可以把过程知识表示成层次嵌套结构。

使用过程表示法表示数控机床故障的预警过程。数控机床由各功能部件组成。故障在一定程度上有渐变性，即部件的故障是从无到有慢慢发展的，根据部件状态的变化趋势，可以对故障进行预警。如图3所示为机床状态变化。图3为过程表示法表示的故障预警过程。在图4中，将对机床部件的性能评估作为一个过程 (模块)，其输入为机床工况信息及在该工况下部件的运行状态信息，输出为对该部件的性能评估结论。将机床的状态变化评估作为一个过程 (模块)，利用该模块对性能评估结论进行评价，实现分级预警。

图3 机床状态变化图

图4 故障预警过程图

3 应用举例

数控机床故障预警和诊断系统是一个数控机床维修专家系统。系统结构如图5所示，由采集层、处理层、评估层和应用层构成。采集层获取或采集机床的底层运行状态数据并送往处理层;处理层分析和处理获取的数据，得到对象的特征信息并送入评估层;评估层实质上是一个专家知识库，主要分为机床基础数据、状态评估和性能评估3部分。应用层利用专家知识库的知识进行推理，实现机床故障预警和诊断，并给出相应的解决办法。

图5 数控机床故障预警和诊断系统结构图

该系统的核心是评估层，即专家知识库。其中，“基础数据”部分，主要涉及机床基本信息、机床资料和参数信息等，机床基本信息由一组序偶组成，机床资料和参数信息都是多元组，这些特点适合于利用“特性表表示法”。机床的控制系统及外围部件的状态变化表现出的现象以及产生的原因信息，具有典型的因果关系特征，使用“产生式表示法”表示这部分知识。在故障诊断和预警时发生的各种状态变化以及相应的评价，是一系列动态的过程，将其中的状态评测以及性能评价等作为过程，利用“过程表示法”实现评估。

专家知识库的开发使用ORACLE9i数据库技术，该数据库技术所拥有的强大的管理能力和搜索能力，足以支持维修专家知识库各种功能表设计及数据查询，甚至该维修专家系统的许多推理功能都是依赖于这种强大的数据查询能力实现的。也即维修专家知识库所使用的各种知识表示法是非常便于使用ORACLE数据库技术实现的。

该系统应用在一台国产三坐标立式加工中心上，已成功对该设备液压系统、换刀装置、y向传动系统发生的5次故障进行准确诊断，极大地提高了维修效率。因此，也证明文中所述的知识表示法是准确有效的。

4 结论

综合应用产生式表示法、过程表示法和特性表表示法于数控机床维修专家系统的知识表示，可以方便实现模块化，也便于检测出矛盾的知识和冗余的知识，同时便于实现高效率的推理功能，因此，可以有效地表示出数控机床故障现象、原因及排除方法等维修所需的知识。同时，结合现代数据库技术，开发的专家知识库，将很好地支持数控机床维修专家系统成为一个真正的专家级维修系统。

【1】郑丽敏．人工智能与专家系统原理及其应用［M］．北京:中国农业大学出版社，2004．

【2】尹朝庆，尹皓．人工智能与专家系统［M］．北京:中国水利水电出版社，2001．

【3】程伟良．广义专家系统［M］．北京:北京理工大学出版社，2005．

【4】凌志浩．从神经元芯片到控制网络［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2002．

【5】赵春元，张玉艳，韩希昌．基于神经网络技术的故障诊断专家系统及其应用［J］．沈阳化工学院学报，2005(2):116－119．