基于FTA的数控机床电源故障诊断专家系统研究

吴 毅杨文广 蒋东翔

（1.九江职业技术学院 江西九江 2.清华大学热能工程系 北京）

数控机床集计算机技术、自动控制技术、精密测量技术于一体[1]，结构复杂、功能繁多，发生故障的几率较高，而数控机床的电源系统是其高发故障设备之一。因此，对此类故障诊断的研究有实际意义。

一、故障树分析法简介

故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）是由美国贝尔实验室的Watson等提出和发展的一种将系统故障形成的原因由上至下，按产品层次以树枝状逐级细化的分析方法，是对复杂动态系统的设计、试验或使用中出现的故障进行分析的常用工具[2]。

FTA一般以系统中最不希望发生的故障状态为分析目标（顶事件），找出故障的全部原因（中间事件），再层层推演，直至得出不可分的基本事件（底事件）为止。然后将顶事件、中间事件和底事件的逻辑关系用逻辑门联系起来，形成树形图结构，表示故障的因果关系。FTA既可以用于对整个系统进行定性分析，也可以用于对系统进于定量分析。

二、数控机床电源系统故障树的建立

FTA的关键是建造故障树，故障树建造的完善程度将直接影响其定性分析和定量分析的准确性。

数控机床电源系统是数控机床的重要组成部分，其故障率较高，且具有一定的危险性，在日常维护和修理时要特别注意。选定数控机床电源故障为顶事件，以上电后系统无反应、上电即跳闸和工作过程中跳闸作为中间事件，分析导致顶事件和中间事件的各种原因及其组合，逐级向下演绎，一直追溯到引起系统发生故障的全部原因，即分析到底事件为止。然后，根据各级事件的逻辑关系，建成以顶事件为根、中间事件为节、底事件为叶的具有若干级的倒置故障树（图 1）[3]。

图1 数控机床电源系统故障树

图2 基于规则的专家系统结构

三、专家知识库的建立

数控机床电源系统的专家知识库是依据数控机床电源系统故障树建立的，专家系统是将人类专家的知识、经验输入到计算机中，使计算机能够“思考”和“推理”，从而解决问题的人工智能方法[4]。一个基于规则的专家系统由知识获取系统、知识库、推理机、解释器、输入输出系统组成（图2）[5]。

1.知识获取系统

知识获取系统是专家系统的界面，是知识工程师采用专题面谈、口语记录分析等方式取得知识，经过整理后再输入知识库。

2.知识库

知识库的设计与建造是专家系统中的一个关键性工作。知识库存储了大量的知识、经验和规则，以被系统推理判断之用，具有知识存储、编排、检索、增删、修改和扩充等功能。一个专家系统性能高低取决于知识库的可用性、确定性、完善性。

文中依据故障树来建立数控机床电源系统知识库，对于故障树的表述来说，故障树的顶事件对应于专家系统需要诊断的故障，底事件对应于专家系统的推理结果，故障树由顶到底的层次和逻辑关系对应于专家系统的推理过程，而最小割集是联系故障树与专家系统诊断知识库的关键，故障树的树枝对应于知识库中的规则，故障树的树枝数等于知识库所包含规则的个数，知识库中的知识来源于故障树[6]。从图1中可以看出数控机床电源故障的最小割集有X1、X2……X15，共计15个，故障树有24个树枝，对应在专家系统中存储为24条规则。

3.推理机

它利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去求解提出的专门问题，有启发推理；算法推理；正向、反向和正反向推理；串行推理和并行推理等功能。

4.解释器

解释器的主要作用是解释、翻译或说明专家系统与用户之间交互作用所涉及的问题、结论、推理过程、因果关系，通常推理结果只是简单的描述，而对于用户来说，还要将结果转换成可以理解的语言。

5.输入输出系统

输入输出系统是用户与专家系统人机交互界面，是数控机床电源故障专家系统与用户间交互的平台，通过这个平台，操作人员可以进行故障知识的积累，也可以进行故障的诊断操作。

四、系统实现

该系统基于清华大学自主研发的故障诊断专家系统IMDBuilder软件[7，8]开发，其平台软件支持模糊模板、前向推理树、故障树推理和通用后向链推理、产生式规则、模糊逻辑等多种知识表达方法。

此例中采用事件树规则，包含顶事件、中间事件、底事件和或门。使用静态单槽模板，左部和右部之间不使用模式变量。故障树节点定义的语法如下：

由于该系统采用.NET平台开发，使用模块化的组织方式，整个系统具有良好的交互性、可用性和可扩展性，有利于系统的维护和升级。

应用故障树技术进行数控机床电源故障诊断，可以大幅提高故障诊断效率。

五、结语

在深入分析数控机床电源系统典型故障后，结合当前先进的故障诊断技术，将故障树分析法和专家系统应用于数控机床的故障诊断。基于数控机床电源系统故障树，建立了专家系统的知识库和推理机，利用清华大学研发的基于.NET平台的故障诊断专家系统IMDBuilder软件，完成了数控机床故障诊断专家系统，便于用户对相关故障进行快速诊断和维修。

1 郑小年，杨克冲.数控机床故障诊断与维修[M].武汉：华中科技大学出版社，2005

2 周海京，遇今.故障模式、影响及危害性分析与故障树分析[M].北京：航空工业出版社，2003

3 吴毅.数控机床故障维修情境式教程[M].北京：高等教育出版社，2013.

4 黎奇志，胡国平.基于故障树和模糊推理的故障诊断研究[J].微计算机信息，2Oll，27(8)

5 Giarratano，J.专家系统原理与编程[M].北京：机械工业出版社，2006

6 朱传敏，周润青，陈明，李营垒.故障树与案例推理在数控机床故障诊断专家系统中的应用研究[J].制造业自动化，2Oll，33(5)

7 Wenguang Yang，Dongxiang Jiang.Fuzzy Rete-based Expert System for Wind Turbine Fault Diagnosis[A].International Congress on Materials and renewable energy（MRE 2013）[C]，Athens，Greece，2013

8 蒋东翔，杨文广，刘超.故障诊断专家系统辅助开发软件[P].中国.2013SR142671.2013-12-16