滚齿机网络化故障诊断专家系统的设计及应用

第!!卷第期重庆大学学报#$%&!!’$&()*)年月+$,-./%$012$.345.36.578-95:;/;()*)!!文章编号!*)))=(?!()*))=)@(=*)滚齿机网络化故障诊断专家系统的设计及应用陈国荣*!(!鄢!萍*!刘!飞*!易润忠*!赵!静**&重庆大学机械传动国家重点实验室!重庆A)))AA’(&重庆科技学院电子信息工程学院!重庆A)*!!*#收稿日期!())B=*(=*)基金项目!国家@!重点项目!())XCC)A)X)*#重庆市教委自然科学基金项目!N+)B*A)A#教育部春晖计划合作研究项目!V())X=*=@!)*作者简介!陈国荣!*BXA=$男$重庆大学博士研究生$重庆科技学院讲师$主要从事制造系统工程%制造业信息化等方向的研究&鄢萍!联系人$女$重庆大学教授$博士生导师$!G=H/5%;T!J4H5&J.&摘!要!针对滚齿机生产厂商和用户对提高故障诊断服务质量!降低故障诊断成本的迫切要求!提出了一种滚齿机网络化故障诊断专家系统%探讨了系统的网络化故障诊断运行模式$专家系统的体系结构’分析了系统实现的关键技术!包括系统实现的多源数据采集方法$知识表达和推理机制以及基于P(PP88-=:$=P88-#的网络体系结构!重点研究了基于DPdD;9:8H=P28.$H8.$.=d/,%:#树的滚齿机网络化故障诊断系统的知识表达和推理机制实现方法!包括DPd树的定义$生成方法$树中元件的描述和树干的成长$树的数学描述$自学习过程$DPd树的检索和故障统计方法等%基于上述研究成果的原型系统在某滚齿机生产企业的初步应用表明!系统能够大幅度降低其售后服务成本!提高生产效率%关键词!专家系统’诊断’滚齿机’知识工程’DPd故障树!!中图分类号!Ec*X文献标志码!CU+’0(.V+*/&$%’*&A)(33+,-+.’373’+#(/2(55)A#&12)+C+/#0:%(K%&’*$($57#.&’*$3A,*.*$5AL:&(M?%&’*$6+74.&’*!*&D:/:8N8;L/O$-/:$-;$08J2/.5J/%E-/.9H5995$.$12$.345.36.578-95:;$12$.345.3A)))AA$P&Q&125./#(&12$.345.36.578-95:;$0DJ58.J8/.IE8J2.$%$3;$12$.345.3A)*!!*$P&Q&125./453’.&1’’C5H5.3/::28,-38.:.88I9$0:2$98H/.,0/J:,-5.30/J:$-589$02$OO5.3H/J25.8/.I:285-J$.9,H8-9$S2$S/.::$5HT-$78:284,/%5:;$00/,%:I5/3.$9595.:285-/0:8-98-75J89$/.I-8I,J8:28J$9:9$0988W5.30$-0/,%:9$/.8:S$-W8I0/,%:I5/3.$9598UT8-:9;9:8H0$-2$OO5.3H/J25.8:$$%9O/98IDPd:-88!D;9:8H=P28.$H8.$.=d/,%:59T,:0$-S/-I&E28$T8-/:5$.H$I8%$0:259S8O=O/98I9;9:8H/.I:28/-J25:8J:,-8$08UT8-:9;9:8H/-8O-$,32:$,:05-9:%;&F/98I$.:28H$9$H8W8;:8J2.$%$3589/-8I59J,998I$9,J2/9:28H8:2$I9$0H,%:5=9$,-J8I/://J4,595:5$.$W.$S%8I38-8T-898.:/:5$.$:28-8/9$.5.3H8J2/.59H$0:28W.$S%8I389;9:8H$/.I:28.8:S$-W/-J25:8J:,-8O/98I$.P(P!P88-=:$=P88-&CO$78/%%$:285HT%8H8.:/:5$.H8:2$I9$0W.$S%8I38-8T-898.:/:5$./.I-8/9$.5.3H8J2/.59HO/98IDPd:-88/-8:28T$5.:9$S25J25.J%,I8:28DPd39I805.5:5$.$O5-:2$I89J-5T:5$.$08%8H8.:9$3-$S:2$0:-88:-,.W$H/:28H/:5J9I89J-5T:5$.$%8/-.5.3=98%0T-$J899$9:/:59:5J$-8:-5875.3/.I8:/%&CT-$:$:;T89;9:8HO/98I$.:2599:,I;59:-58I$,:5./2$OO5.3H/J25.8J$HT/.;/.I5:908/95O5%5:;2/9O88.78-5058I5.:28/TT%5J/:5$.&6+70(.*3’8UT8-:9;9:8H9#I5/3.$959#2$OO5.3H/J25.8#W.$S%8I388.35.88-5.3#DPd:-88!!滚齿机是齿轮加工的重要设备$数量约占整个齿轮加工机床的Aj)**$因此$其在齿轮生产产业中占有重要的地位$但是$机械故障与滚齿机的应用相生相伴$不仅增大了滚齿机的维护和维修成本$而且严重影响着其产品的质量&所以$对滚齿机故障诊断问题的研究具有重要的价值&为了解决滚齿机的故障诊断问题$国内外许多学者对此进行了大量的研究&一方面$提高维修人员业务技能$利用其专业的个人能力来提升滚齿机的故障诊断能力#另一方面$利用故障树等方法$对故障现象进行直观描述)(!B*#近年来$利用知识推理%神经网络)*)!***%数据挖掘)*(!*@*%专家系统)*X!()*等方面的知识建立故障诊断算法$提升历史故障分析能力的方法也得到了快速发展&但是$第*种方法对维修人员个人能力的依赖非常严重$不适合大规模的经验推广#后(种方法对于现代加工技术中的故障诊断具有进步意义$提高了滚齿机故障诊断的效率$也出现了相关方法用于异地%现场%协作的故障检测和故障诊断的案例$但上述方法在滚齿机的故障诊断应用方面鲜有报道&笔者在上述故障诊断方法的基础上$提出了一种滚齿机网络化故障诊断专家系统$以满足滚齿机故障检测和故障诊断的异地%现场%协作需要&8!滚齿机网络化故障诊断运行模式现行的故障诊断模式由于无法在分布式网络环境下真正实现知识的共享和重用$但是$这却是故障诊断系统得以实现的基础&为了解决滚齿机生产企业和用户企业对网络化的故障诊断系统的迫切需要$笔者提出了一种新的-滚齿机网络化故障诊断专家系统.运行模式$其用户端如图*!/所示$服务提供端如图*!O所示&用户端在滚齿机网络化故障诊断专家系统运行模式中主要起到!个方面的作用$首先是通过系统收集用户滚齿机在运行过程中出现的各种问题及其解决方案$补充到现有的系统中$对知识库和数据库进行动态更新&信息收集方法采用传感器采集%人工输入等多源数据采集和知识获取方法&其次$在故障发生时$操作人员通过内置于人机交互终端的滚齿机网络化故障诊断专家系统$按照网络化专家系统提供的诊断结果$对滚齿机的故障进行诊断即可解决大部分故障&对于少量操作者通过本地无法直接解决的故障$在主管部门同意的前提下$可通过网络发起专家会诊$从而解决这些复杂的故障&另外$系统的使用方$在授权许可的范围内$可对滚齿机的运行状态进行本地或异地的监视和维护&图8!滚齿机网络化故障诊断专家系统运行模式从滚齿机生产者和服务提供方的角度$服务提供端主要由!部分组成’*有助于解决各种滚齿机疑难问题的专家$例如精通滚齿机的领域专家%滚齿机设计人员和专业的滚齿机售后服务人员&(知识库和数据库$前者提供了用于故障诊断的各种规则$通过这些规则用户可以方便地从纷繁复杂的各种故障信息中获取其想要的知识#后者主要存放已有的各种故障记录$这些记录是用户进行故障诊断的原始资料&!远程专家系统$包括各种登记在册的远程专家$以及未知的%隐藏于b.:8-.8:之中的%有助于解决问题的各类专家&服务提供端基本功能包括以下(个方面’一是接收来自各用户单位采集到的有关滚齿机的运行参数%故障现象和解决方案$进而!@第期!!!!!!!!!!!陈国荣!等(滚齿机网络化故障诊断专家系统的设计及应用对这些数据进行加工$提炼出故障诊断的规制和知识$更新数据库和知识库&二是向用户端提供服务$对于较为简单的问题$用户通过查阅知识库和数据库即可找到问题的解决方法#对于复杂的故障$服务提供端接收用户发起的专家会诊#对于特别困难的故障$不仅需要服务提供方提供的专家$还需要远程专家的参与&:!滚齿机网络化故障诊断专家系统体系结构!!为了实现滚齿机网络化故障诊断系统的运行模式$可将滚齿机网络化故障诊断专家系统体系结构从总体上划分成!个层次$从下到上依次为支撑层%业务层和应用层$如图(所示&图:!滚齿机网络化故障诊断专家系统体系结构:98!支撑层支撑层是基于作业车间和人员系统之上的第*个层次$涉及到专家系统和具体的操作者及操作对象的接口&数据的输入输出是其最基本的功能$为了能获得尽可能详尽%真实的故障信息$通常采用多源信息获取方法&支撑层的另一个重要内容是故障库和知识库$分别用于存储故障记录以及提取故障的规则#另外$本层还涉及到网络基础设施$信息安全基础设计等方面的内容&:9:!业务处理层业务处理层是将支撑层中的各种数据$包括存储在关系数据库和实时数据库中的数据进行处理$进而为用户提供应用基础数据的一个中间层$包括滚齿机故障知识的获取%知识表达%知识推理和知识库的维护等方面的内容&其中$针对不同的数据来源$知识获取可采用模式识别%词法分析%数据挖掘%语义识别等方法&多元故障知识的表达方式包括!个方面的内容’首先A@重庆大学学报!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!!卷是滚齿机故障的规范化描述和分类方法$例如滚齿机本身设备的层次结构划分$故障现象的划分$故障解决方法的描述等$进而绘制滚齿机的故障树图&滚齿机故障的规范化描述是故障表达式提取的基础&其次是多元故障信息的表达方式$包括基于自然语言%错误代码%测量信号等不同表现形式的故障信息的知识表达方式$从而得到故障推理的规则#第!是各类故障信息在知识库的存储方式和故障信息表达的数据结构&知识推理机制则采用故障检索%知识匹配等方法$通过有关知识的规则描述$获取故障库中的特定故障信息$为故障诊断提供服务&:9;!应用层应用层一方面面向操作者%专家和维护人员等用户$另一方面面向其他有关系统的集成需求$因此$应用层需要提供具体的功能$以满足用户的应用需求$例如故障信息的检索%故障数据的匹配%故障的诊断等方面的内容&滚齿机网络化故障诊断专家系统在功能内聚的同时$还很好地考虑了与其他系统的集成$例如与GQP%GD和1$.:-$%等各层面的集成&底层的硬件和人员系统对整个系统也起到重要作用&另外$本系统还涉及到网络基础设施$包括车间的现场总线%企业内部的局域网%企业联盟之间的GU:-/.8:和企业之外的b.:8-.8:等&;!关键技术分析;98!多源故障信息的获取方法故障信息的获取主要解决支撑层的信息来源问题&为了提高信息获取的有效性和准确性$本课题研究采用了多源信息采集方法$例如采用传感器!包括功率传感器%转速传感器%位移传感器%声波检测传感器%振动传感器%力矩传感器等和滚齿机系统提供的操作代码$同时$为了体现操作者的重要性$基于操作者的交互式输入也作为本专家系统信息采集的重要环节&滚齿机的多源故障信息的获取方法如图!所示&滚齿机正常运行时$各种传感器采集的信号以及滚齿机系统提供的操作代码均被实时存储到位于服务器的知识库中$形成基础数据#当滚齿机出现隐性故障时$由于采用了基于传感器%人机交互和滚齿机操作代码等多源信息采集方式$至少其中之一能采集到异常#当滚齿机出现明显故障时$多源信息采集措施同样有效$这样就保证了数据采集的有效性&另外$由于信息来源的不同$多源信息采集方案获得的数据有可能是不一致的$因此在本系统中还图;!多源故障信息的获取方法设置了前置处理功能&在滚齿机网络化故障诊断专家系统的开发过程中$为了实现多源故障信息的获取$采