某型飞机发动机故障诊断专家系统的研制.doc

某型飞机发动机故障诊断专家系统的研制潘全文，刘 琪（沈阳飞机设计研究所, 沈阳 110035） 摘要：该故障诊断专家系统建立在某型飞机发动机系统ATE的基础上，参照IEEE1232 AI－ESTATE（Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to All Test Enviroments）国际标准，采用CLIPS专家系统开发工具和Visual Basic6.0混合编程，实现了多策略诊断推理的某型航空发动机故障诊断专家系统 关键词：故障诊断；专家系统；组件对象某型；CLIPS飞机发动机是飞机的“心脏”，是全机安全保障的重点，随着高新技术的应用，发动机性能不断提高的同时其原理和结构也更加复杂，因此发动机的维护与故障诊断的难度愈来愈大，这是军用武器的后勤保障面临的一个巨大挑战随着人工智能技术发展，70年代末专家系统开始用于工程领域，国内外也取得了一些较为成功的应用，如用于感染性疾病的MYCIN系统，用于探矿的PROSPECTOR系统等专家系统被广泛应用于那些非结构化问题的求解，对于那些难以建立准确的数学模型或由于问题的复杂性难以在时域内得到较为精确的数值解或存在无法用算法求解的某类问题，构建专家系统是一个有效的解决途径。

某飞机发动机系统正是这样一个系统，目前由于尚未建立该发动机的准确的数学模型，因此我们组织开发了某发动机故障诊断专家系统1 开发背景图 1 AI-ESTATE标准体系结构的概念模型IEEE于1990年制订AI-ESTATE （Artificial Intelligence Expert System Tie to All Test Enviroments）标准并于1996年重命名为Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to All Test Enviroments，来规范智能诊断系统的知识表述和服务，使诊断推理系统相互兼容和独立于测试过程，测试诊断知识可移植、重用和共享AI-ESTATE标准体系结构的概念模型如图1分为：诊断推理机、应用执行、测试与维修信息管理、测试控制和用户界面等独立的模块/组件AI-ESTATE的应用实现可以是上述功能模块的各种组合本系统参照AI-ESTATE标准，由ATE对发动机进行实时检测和全面的数据采集，完成测试控制功能飞机发动机系统ATE采用现代流行的VXI总线技术实现，符合军方通用化、系列化、模块化的要求，基于虚拟仪器的设计思想，系统硬件方便扩充，系统功能实现灵活。

专家系统可通过数据共享或网络通讯的方式获取ATE测试数据库的数据，调用诊断知识库中的知识和规则进行推理完成发动机的故障诊断，原理如图2所示应用执行GUI数据库接口组件专家系统诊断推理机组件诊断知识库测试数据库测试控制设备驱动VXI/GPIB测试仪器开关矩阵接口适配器UUT图2 某型航空发动机诊断测试系统结构 2 专家系统的设计实现 专家系统的结构通常包括知识库、数据库、推理机、解释程序和知识获取程序五部分智能活动的过程就是获得并应用知识的过程，因此着重介绍发动机故障诊断专家系统的知识表示和推理以及系统实现的方法2.1 知识获取和诊断推理方法在航空发动机诊断专家系统中知识来源于两个方面：1）发动机的相关文献，包括技术说明书、故障模式及危害度分析、使用说明书、安装调试记录以及常见故障合排除方法等；2）领域专家的经验包括领域专家在问题求解过程中所利用的结构知识、因果知识、行为知识等诊断知识可以分为结构与功能知识和专家启发式经验知识两个主要方面，即所谓的深知识（Deep Knowledge）和浅知识（Shallow Knowledge）前者主要包括发动机的结构层次、功能层次和相互间的输入、输出行为关系以及发动机本身的工作原理等；后者主要包括表示故障、征兆和原因等直接相联系的一些规则。

在解决了知识的来源之后，知识的表示是构建专家系统的又一关键问题所谓知识的表示就是一种人类智能行为在计算机上的表示形式在选取知识表示模式时应考虑到知识表示的充分性，能有利于知识的利用以及具有合适的数据结构等方面目前应用较多的知识表示方法传统的有逻辑表示、语义网络表示、产生式规则表示、框架表示法等，还有面向对象的知识表示法，神经网络的知识表示法等每一种方法都有优缺点，但对待航空发动机的诊断我们选择基于规则的推理和基于案例推理方法1、产生式规则（Production Rules Reason）产生式规则是专家系统中用的最多的一种知识表示，通常用于表示具有因果关系的知识对于各事实之间的关系常用树状结构来表示在产生式表示法中，一条规则可表示为：RULE=（<规则名>（IF<事实1>；若事实1成立且…<事实2>；事实2成立且<事实n>；事实n成立（THEN<结论1>；则结论1成立且 <结论2>；结论2成立且 <结论m>）；结论m成立举本系统的一个实例：规则x＝（发动机起动时t4超温 （如果 t4＜40，t4＞2.34t1＋513.51；t4≥40，t4＞630持续5秒＝； (则为发动机起动超温)）把一组产生式规则放在一起，使之相互配合，协调作用，一个产生式生成的结论可以供另一个产生式作为前提使用，以这种方式求得问题的解决。

产生式表示法知识表示直观，便于推理，规则的增加、更改和删除方便，但顺序推理效率不高，不能表达具有结构性的知识2、基于案例的推理(Case-Based Reason)图 3 基于案例的推理基本过程问题提出案例重用案例修订新案例存储案例检索新案例建议方案案例库实际方案建议方案学习案例保留测试维修方案基于案例的推理是为了解决一个新问题，CBR首先从案例库Case Base中检索到一个与新问题相同或相似的源案例Source Case，然后把该案例的有关信息和知识稍加修改复用到新问题的求解之中，从而得到问题的解答如图3所示，典型的基于案例的推理包括相似案例检索、案例复用、案例修订、案例库更新等几个部分案例表示、对目标案例模型分析、案例检索、新问题进行特征获取、类比映射、类比转换、解释过程和案例修订是CBR中关键的问题由源案例来指导目标案例求解的方法，具有简化知识获取，通过直接复用提高求解效率，案例保存既是学习的过程，也是知识获取的过程2.3 基于组件技术的软件设计实现专家系统的推理机设计采用基于COM的组件化程序设计方法，使用专家系统工具CLIPS ActiveX作为核心，用Visual Basic编写GUI进行封装。

如图4所示图 4 故障诊断专家系统组成框图 Clips是美国国家航空和航天局（NASA）开发的专家系统开发工具，原代码开放，应用广泛Clips语言支持基于规则、面向对象和面向过程的编程，知识表达和推理能力强专家系统的诊断引擎组件采用CLIPS ActiveX作为核心，Clips推理机编程与调用动态链接库类似，首先安装、注册Clips控件ClipsActiveXControl.OCX，VB应用程序作为ActiveX控件包容器，然后插入Clips控件，VB便可使用控件的所有方法和属性3 结论 在专家系统的开发过程中，知识的获取和合理的知识表示是关键本系统通过对大量的发动机相关资料的消化理解，通过与领域专家的反复交流沟通，建立了一个较为实用的发动机智能诊断系统系统在使用的过程中还需要对规则库做进一步的优化与补充参考文献[1] Joseph Giarratano.专家系统原理与编程.机械工业出版社.2000.[2] 吴今培.智能故障诊断与专家系统.科学出版社.1997.[3] 潘爱民. COM原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社, 2000.[4] David Sceppa.ADO编程技术. 北京:清华大学出版社, 2001.。