基于Android系统的油气管道施工设备故障诊断专家系统的研发

杜磊

摘要：基于Windows的油气管道施工设备故障诊断专家系统的研发，有效的提升了油气管道施工设备完好率，但不便携带的情况给现场使用带来了一定的困难。为此，笔者通过与现场人员沟通，在满足现场应用的提前下，研发了基于Android系统的油气管道施工设备故障诊断专家系统，该系统的研发有效解决原系统现场应用不便的难题。

Abstract： The development of a Windows-based expert system for fault diagnosis of oil and gas pipeline construction equipment has effectively improved the intact rate of oil and gas pipeline construction equipment， but the inability to carry it has brought certain difficulties to field use. To this end， the author developed a fault diagnosis expert system for oil and gas pipeline construction equipment based on the Android system by communicating with on-site personnel and meeting the on-site application in advance. The development of this system effectively solved the problem of inconvenient field application of the original system.

关键词：Android系统;故障诊断;专家系统;油气管道施工设备

Key words： Android system;fault diagnosis;expert system;oil and gas pipeline construction equipment

中图分类号：TP182;TP311.52                             文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）29-0211-02

0  引言

二十世纪中期，专家系统被成功开发出来，经历了数十年的理论开发和实际应用，专家系统技术越发的成熟，石油、石化、能源、机械、农业等领域均能发现专家系统的成果应用，目前专家系统已成为人工智能开始走向实用化的标志之一。作为专家系统应用的一个重要应用方面，故障诊断技术在引用专家系统技术后，使得工程的安全性与可靠性得到显著提升。在油气管道施工设备故障诊断方面，自基于Windows系统的油气管道施工设备故障诊断专家系统成功研发以来，在现场施工中得到了成功的应用，有效的提升了油气管道施工设备故障诊断和维修的效率，但随身携带笔记本电脑运行系统的情况，却并不适合施工现场作业人员的使用，制约了系统的进一步应用。近年来，搭载Android系统的移动终端越来越普遍的被广大用户所接受，同时Android技术及移动互联技术不断发展为解决移动性、语言差异、平台差异所带来的高代价系统集成提出了一个很好的解决方案。同时Android开放性的特点使得软件开发人员可以自由开发出优秀的软件。所以基于Android系统开发的故障诊断专家系统是此系统新的发展方向，是受现场人员欢迎的新模式。

1  故障诊断专家系统简介

1.1 专家系统技术介绍

专家系统是一类人工智能领域与计算机科学领域相结合的学科，究其本质，专家系统包含两部分内容的计算机程序，其一为大量的专家水平的知识与经验，该部分内容将以一定的方式在系统中进行存储，称之为知识库;其二为利用人类专家的知识及解决处理该领域问题的方法，该部分内容主要以算法的形式出现，称之为推理机。也就是说，专家系统是一个存储着大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术模拟人类专家的决策过程，依据所存储的知识和经验，进行推理和判断，以便解决那些需要依靠经验极其丰富的人类专家处理的复杂问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。从上世纪中叶至今，各领域均发现了专家系统的必要性及重要性，为此专家系统得到了足够的重视并取得了令人瞩目的成果。如今，我们身边的各个领域中均可以发现专家系统的应用成果，在农业生产、医疗诊断、地质勘探、智能决策、实时监控、教学和军事等，实现了解释、预测、诊断、设计、教学、分析、控制、维护、校准等功能，促進了国民经济发展，为社会带来巨大的经济效益。

1.2 故障诊断技术介绍

随着时代的不断进步，自动化技术的不断发展，为各领域内系统的可靠性与安全性提出了更高的要求，然而苦于瓶颈的限制，无法有本质上的突破，直至故障诊断技术的出现，为系统安全可靠地运行提供了一个新的方法。故障诊断技术并不是凭空出现的，而是理论发展与实际应用相互碰撞、相互协作产生的。

具体来说，在实际应用方面，自动化技术的持续发展使得各领域的系统越发复杂，而复杂的系统对可靠性及安全性的产生了影响，一旦系统出现异常，将直接影响到领域内生产、生活，降低经济效益和社会效益，为此故障诊断技术受到了工程界的高度重视;在理论发展方面，故障诊断技术涉及了众多的科学领域，且应用范围极其的广泛，所以领域、学科的交叉及其复杂，同时不同学科的不断地发展，相关领域内的理论也得到了进步，从而使得故障诊断技术也得到了进步，进而又推广至其他学科领域，最后又反馈至故障诊断技术的进步，由此不断地为故障诊断技术在解决复杂系统问题时提供理论基础及具体方法。

正是实际应用促使的市场需求与理论发展带来的技术进步促动下，故障诊断技术得到了足够的重视，取得了瞩目的成果，目前已有众多的实时故障诊断系统达到了实用阶段，理论技术也取得了重大突破，部分系统已应用到了工程施工领域，为提高系统可靠性和安全性提供了坚实基础，取得了显著的经济效益。

1.3 专家系统与故障诊断相结合

故障诊断依靠数据及经验诊断故障，而专家系统内的内容的也是数据与经验，所以说故障诊断与专家系统存在一定的相关性，然而故障诊断只是简单的数据对比判断，实现表层的分析，更进一步的判断往往需要依靠人类专家去判断，所以如果将专家系统与故障诊断相结合，应用故障诊断实现表层现象及原因的收集，应用专家系统模拟人类专家实现深层判断，可极大提高故障诊断的效率，所以故障诊断专家系统也是各个领域热门的研究方向。

2  移动互联技术简介

2.1 Android系统简介

Android系统中文名称为安卓系统，它是以Linux系统为基础，通过对系统内功能的裁剪与定制而形成的移动设备专用操作系统。由于Linux为开源系统，所以作为Linux的定制款，Android系统同样是开源的，正因为其开源性的特点，从而吸引了越来越多的开发者，随着用户和应用的日益丰富，Android系统也日渐成熟，目前已更新至Android10版本。

2.2 系统互联模式

目前移动系统的主流开发方案分为三种，分别是Web下的B/S构架、客户端下的B/S构架、客户端下的C/S架构。

Web下的B/S构架是基于前端构建HTML页面实现的，其不需要任何客户端，使用系统自带浏览器即可实现，其特点为不同平台的适应性，不同系统只需要使用浏览器打开特点页面即可，但处理能力及响应速度收到浏览器引擎的限制。

客户端下的B/S构架是通过将页面封装入自制的浏览器客户端实现的，其特点为开发较为容易，使用基于Web的开发即可，但自由度收到限制，同时无法使用某些移动设备特定功能。

客户端下的C/S架构是通过JAVA语言独立进行程序编制，并打包形成安装文件，随后被安装在移动设备上，其特点为开发自由度较大，能够本地精细化定制。

3  油气管道施工设备

油气管道施工设备主要包括吊管机、移动电站、对口器、空压机四大种类，但具体型号、生产厂家、机构形式多种多样，同时管道施工环境一般为山地、水网、沙漠、冻原等，非常恶劣，虽然维护保养及时，但故障发生率仍然较高，并且一旦发生故障，将严重影响管道施工进度。

目前油气管道施工设备多为机电液一体的施工设备，造成故障的原因也是非常复杂的，并且有些时候外在故障表象完全不同，但故障原因却大不相同，加大了故障原因的迷惑性，必须多名不同领域的维修工共同合作才能排除故障，这时候专家的经验和知识就显得特别珍贵，特别需要专家的知识经验去排查故障的共性和个性，以期“对症下药”对症下药，但维修工的缺乏使得共同協作很难实现，视频协助是一种解决方法，但部分国内外项目存在着时差，对时间的需求存在困难，所以急需开发包含油气管道施工设备故障诊断知识经验的专家系统。

4  油气管道施工设备故障诊断专家系统实现

4.1 系统总体需求

通过与油气管道施工设备维修人员沟通，确定了系统应用需求：①专家系统功能：系统能够应用专家的故障诊断知识，根据故障现象判断出故障发生的原因，并且为故障的维修提供相应的处理方法。②可扩展性要求：系统应用能够实现故障诊断知识的扩充。③移动应用需求：用户能够通过Android系统手机应用故障诊断专家系统。④网络应用需求：由于油气管道施工现场有时位于无信号区域，为保证现场使用，系统应具有离线使用功能。

4.2 系统体系架构

为保证离线使用，使用客户端为最佳选择;由于系统安全性及交互功能精细化要求，C/S客户端为最佳选择，所以系统体系为客户端下的C/S架构。

4.3 系统功能模块设计

根据专家系统构成，系统由三个部分构成：知识库、推理机、交互界面。

4.3.1 知识库设计与实现

知识库的核心是专家知识，知识的完整性决定了系统的能力，由于油气管道施工设备故障诊断知识具有交叉性，知识库的建立比较复杂，结合目前常用的知识表达形式，知识库中知识采用产生式的知识表达方式，并针对不同设备、不同结构，设立独立的知识存储方式，具体表示如下：

FACT知识库：“故障现象”

RULE知识库：“规则前提_规则结论_可信度因子”

4.3.2 推理机设计与实现

推理机是专家系统的灵魂。推理机就是根据一定的规则从已有条件推出结论的过程。推理机根据用户提出的条件，在知识库中选择合适的规则，找到合适的故障推理应根据用户当前输人的故障特征，利用知识库中的知识，模拟该领域专家的思维过程，按照一定的推理规则和策略进行推理，选择知识库中对当前问题可用的知识进行推理，求解出故障原因。根据产生式表达形式一般有正向推理、反向推理、混合推理三种。结合专家分析问题的方式、方法，同时为确保推理的效率，系统采用正向推理方式。

4.3.3 交互界面设计与实现

与知识库、推理机不同，交互界面是直接对接用户的窗口，与用户交互的平台，为保证系统的安全性，交互界面设计包含用户登录界面，设备类型的选择界面，故障现象输入界面，故障原因及处理界面。同时为了保证知识库、推理机的完整性和可扩展性，设计更新界面，网络连接时的系统升级。

5  结语

移动互联网飞速发展的今天，故障诊断专家系统有了新的机遇，移动便捷的基于Android的系统可以轻松的安装在手机上，方便现场工作人员携带，为在油气管道施工现场的工作人员提供了极大的便利，通过测试，为油气管道施工现场设备维修人员提供了一种新的诊断方式和方法，同时也为现场设备维修人员技能的提升创造了条件。

参考文献：

[1]刘白林.人工智能与专家系统[D].西安：西安交通大学，2012.

[2]安丽娜，张士杰.专家系统研究现状及展塑[J].计算机应用研究，2007，24（12）：1-5，19.

[3]郭宏志.Android应用开发详解[M].北京：电子工业出版社，2010.