故障诊断系统设计

吴文辉　王燕妮

摘要：文章研究了故障诊断系统的实现方法，并设计了故障诊断系统。

关键词：故障诊断

中图分类号：TP399 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.022

0 引言

日常工作中经常需要处理故障，专业人士根据故障现象逐步判断分析，确定故障源，然后根据故障情况来确诊，找寻解决办法。以往的诊断依赖个人经验，经验越丰富的人员诊断的速度越快，诊断越准确，新工作人员需要长时间的积累经验才能达到工作要求。

利用故障诊断系统将每次故障的故障现象记录到数据库，使得具有专业知识的新手能快速熟悉系统，熟悉并掌握专家掌握的丰富故障知识，并进行故障诊断分析，可以通过系统对故障进行统计分析以便预防故障，同时加速新手技能的熟练进度。

故障诊断的过程实际就是一个模式识别的过程。先看看人员诊断的过程，首先发现易识别的故障现象，然后根据自己的经验，推断可能发生了什么故障，并进一步确诊故障的原因。从模式识别的角度看，就是故障现象的匹配过程，根据已知的故障现象从系统中检索可能的故障，并根据可能的故障中还未发现的故障现象一一确认、排除，最终确诊故障。

故障诊断系统的实现方法有很多，比如专家系统、决策树、人工神经网络、模糊逻辑、遗传算法11]，专家系统比较成熟，在诊断系统方面表现突出，这里采用专家系统来实现故障诊断系统，以满足基本要求、并快速实现。

1 系统实现方法

专家系统，将人类专家的经验、知识通过知识库的形式存储，使用计算机模拟人类专家的思维方式，使得计算机具有专家的水平解决复杂问题。

专家系统主要是知识库和推理机的设计，其它还有知识表示、人机交互等，下面主要说明故障诊断系统的知识库和推理机的设计。

1.1 故障诊断系统的知识库

系统发生故障时，常常伴有一些现象发生，如异常声音、某部件异常温度等，这些能被人直接感知、或通过仪器直接测量，并且不能再进一步细分的现象，将其称为故障基本现象，下文将其简称为故障现象。

这些故障现象及其与故障的关系构成知识库的基本内容，系统用两个关联的表存储，一是存储故障信息的表，二是存储故障现象的表，故障信息表的主键ID作为故障现象表的外键将两个表关联。

系统中存储的故障现象，应该描述准确、简单，一般各用户都可提交故障和故障现象，然后经过多个专家的评审，修改故障和故障现象的描述，然后存入知识库，确保准确、无歧义。这是系统的基础，需要经过长时间、大量人员的共同努力才能逐步完善。

1.2 故障诊断系统的推理机

推理机，实现知识的推理。故障诊断系统的诊断过程是，将已发现的故障现象和系统记录的每个故障的故障现象进行对比，按照匹配度从大到小排序，匹配度越高的越可能是发生的故障。系统的推理为故障现象集合的匹配，具体过程为：

设：

故障A（i）的故障现象为集合C（i）={c（i，1），c（i，2）…c（i，n）}（n>0）

现有故障现象集合T={t（1），t（2）…t（m）}（m>0）

从现有故障现象分析可能故障的过程等价于从已有故障现象集合c（1），c（2）…中找到与T最佳匹配的集合。两个集合的差异越小，匹配度越大。最佳匹配是已发现的故障现象和某个已知故障A（k）的故障现象集合完全相同。这里的差异包括两个方面：一是T中有c（k）中没有的，二是c（k）中有T中没有的。

用集合的方式表示集合匹配：

先说明一下3个表达式的含义

T-C（k）：T中含有的现象，并且不在C（k）中的现象

C（k）T：C（k）中含有的现象，并且不在T中的现象

Count（T）：T集合中现象的个数

最佳匹配就是将匹配结果按照Count（T-C（k））的降序、Count（C（k）-T）的降序排序，排序位置越靠前，匹配度越高。如图1所示，两个圆圈分别表示T和C（k），D1、D2是两个不同故障现象子集，S是相同的故障现象子集，D1、D2越小，S越大，则T和C（k）匹配度越高。

实际使用时，可能先发现一部分故障现象，然后根据系统提示，确认另外一些故障现象是否发生。复杂情况下，可能有几种故障同时发生。因此匹配的过程是动态的，随着已发现故障现象逐渐变化。

2 系统设计

系统采用BS结构，分为故障现象管理、故障诊断、故障现象统计分析、培训考核、用户管理五个部分。

2.1 故障现象管理

故障基本现象和故障之间关系是系统的知识库，是故障诊断的基础。有两类人员操作：

一是所有人员可以记录发现的故障和故障基本现象，如某部件的异常响声、异常温度，发生故障时的天气、温湿度等各种可能导致故障的因素。

二是经验丰富的专家对系统记录的故障和基本现象进行分析整理，删除不合适的基本现象，添加漏掉的基本现象，修改不准确的描述，合并重复的故障，并对各种疑难进行说明。

系统提供方便的操作界面方便各种增加、删除、修改操作，在初期将专家的经验存储到数据库中，在运行过程中不断丰富完善。

2.2 故障诊断

操作人员将已发现的故障现象录入系统，系统通过关键词匹配故障现象，方便用户进行选择，以免出现相同故障现象的描述出现偏差。系统根据已录入的故障现象集合进行匹配，展现匹配度最高的几个故障及其故障现象，用户查看未出现的故障现象，并一一确认，以便精确诊断故障。

2.3 故障现象统计分析

对记录的故障及故障现象进行各种统计分析，统计各种因素，如人、时间、地点、天气、温湿度等，将这些因素和故障现象进行关联分析，找到现象和各因素可能存在的关系，然后根据找到的规律调整改进诊断、预防策略。

如：统计故障的时间分布规律，找到故障多发时间段，在该时间段增加检测次数。统计各部件的故障规律，针对各部件定制检测时间，可以做到预防故障发生。

从系统统计的大量数据中，运用数据分析技术，尽可能的分析故障数据的关联关系，就可以有针对性的进行预防，如可以制定合适的检测时间周期，在温度达到边界值时增加检测频率，在部件运行达到一定时间后进行针对性的检测，预防故障发生。

2.4 培训考核

采用系统记录的故障现象，对工作人员进行培训考核，如网络考试方式，使工作人员尽快熟悉各种故障现象。

为保证公平，同场考试中，每人所用试卷的题目应该一样，同时至少保证相邻位置的试卷不同，可对答案和顺序通过处理，使得各试卷不一样。系统中，试题和答案随机排序，避免考试答案固定。用户可以通过多次答题，熟悉各种故障现象。

系统对用户的答题情况进行统计，分析出错率高的题目，并且有针对性的出题。统计每个用户擅长诊断的故障，并在分配工作时进行针对性的安排。

2.5 用户管理

对使用系统的用户进行增删改操作，并对用户的权限进行增删改操作。系统用户分为两种：普通用户、管理员。普通用户的主要功能有：注册、登录、提交故障数据、查询故障、评价修改故障数据、对故障数据进行统计分析、网络考试、修改个人密码等。管理员的主要功能有：普通用户的功能、管理用户、数据的导入导出、试卷的管理等。

系统需检查每个输入的合法性，防止非法数据导致的异常，如登录中非法字符、登录次数限制等。

3 小结

本文分析了故障诊断系统的原理，描述了系统功能设计。在实际应用中，系统实现了较好的效果。下一步需要简化故障现象录入工作，并考虑如何辅助故障的整理归档工作，以便减轻人员的工作量，并提高准确性。在特定的系统中，故障现象之间有稳定的关联关系，可以通过该关联关系进一步提高匹配的准确度。如果能和传感器网络结合起来，在特定的点采集相应的信息，比如温湿度、声音等，系统将在一定程度上达到自动故障预警的效果。