刘承相,魏思东,熊俊杰

（空军航空大学,吉林长春 130022）

某型发动机故障诊断专家系统研究

刘承相,魏思东,熊俊杰

（空军航空大学,吉林长春 130022）

采用分类建库和精确与模糊相结合的综合推理策略,设计该型发动机故障诊断专家系统;运用知识库与系统分离模式,可以不断丰富知识库的知识,提高诊断准确率。

航空发动机;故障诊断;专家系统

航空发动机是飞机的动力部分,故障率高、调整复杂、维护工作量大。其运行状态的好坏直接影响到飞机的飞行安全和任务完成。由于现代航空发动机是典型的机电一体化的复杂系统,其结构和工作原理的复杂性导致了航空发动机的故障症状复杂,故障现象与故障原因之间的关系复杂,故障判读困难,[1]因此,长期以来航空发动机运行性能调整与故障诊断一直是个棘手的问题。

本文通过故障诊断专家系统,把设计所、院校、工厂和部队长期从事该型发动机设计制造、安装调整、使用维护等各领域专家的经验和知识系统化,输入计算机,建立知识库;利用自动检测设备获取发动机的故障信息,通过计算机的推理与判断,采用人机交互方式,开发出“某型发动机性能调整与故障诊断专家系统”。

该系统能够对发动机进行性能调整和预测,方便实施预防维护;能够对故障进行快速诊断,协助保障人员排除故障,缩短故障识别时间。由于该系统的知识库是开放式,随着对发动机的认识和诊断知识不断丰富,可以逐步进行扩充,提高系统预测和诊断的准确率。

1 总体结构

该专家系统主要由推理机、数据库和系统外壳组成（如图1所示）。通过人机界面,保障人员可以进行辅助诊断,提高诊断效率。动态数据库用来存储用户中间推理信息。同时系统还具备查阅和教学功能,可以随时了解诊断对象的基本情况,如原理、结构、功能等。

该系统设计为面向对象的开放式专家系统,用户可以参与诊断过程,选择诊断对象,进行故障诊断,确定故障部位。专家系统采用Delphi实现。[2]

系统结构采用模块化设计,共分为三个模块：数据获取模块、规则库模块、诊断推理模块。各功能模块之间即相互独立、又存在逻辑联系。数据获取模块用于检测所需数据的获取,并将数据进行处理,提供给诊断推理模块。规则库模块用于已知知识库的构造及维护,和各子系统对应规则的构造及维护。诊断推理模块根据设定的推理策略、检测数据和知识,进行故障推理,给出相应的推理结论和解释。推理过程,用户可以参与推理过程,如果初始事实输入不完备,诊断推理模块得不出任何结论,系统会给出相应提示,要求用户增加事实以便继续进行推理。如果推理模块已经得到一个结论,系统也会给出相应的提示,询问用户是否继续推理,以便推出更多的结论。

图1 专家系统总体结构

2 系统实现

2.1 数据获取

计算机判读所需要的数据来源于两个方面：人工输入与实时检测数据。实时检测数据来源于发动机固有和现场安放的各类传感器,经过信号调理和计算机采集,将采集数据处理后,送到动态数据库指定的存贮单元中[3];推理模块利用诊断程序控制动态数据库和知识库,根据推理策略对两库进行搜索以完成相应内容的匹配,从而推出诊断结论。如果记录数据不完备、或者数据不足以进行进一步推理,系统会向用户提出询问,要求用户可以输入补充条件。

2.2 数据库设计与管理

数据库管理主要包括规则库（包含知识库）管理和动态库管理。

规则库包含参数数据库、调整数据库和故障数据库三种数据库。这三种数据库之间相互关联,相互调用,实现了数据的共享,提高了数据库的利用效率。

参数数据库 用来存储发动机的参数。对发动机的各种技术数据进行存储和调用。在推理过程中,可以使用各种检索,调用库中的参数与被检测数据进行比较,确定发动机工作是否正常。

调整数据库 用来存储性能调整和故障修复的技术数据和步骤,包括常规检查的各种检测步骤和测定特定参数的规定步骤。在发动机诊断过程中,当推理机分析出故障原因,系统可以给出专家建议的维修步骤供用户参考。

故障数据库 用来存储前件系数、故障规则、规则系数等一切与故障推理有关的信息。推理机通过调用故障数据库中的数据和规则,推理出是否具有故障、故障的部位及故障的严重程度等信息。

在动态数据库中,每个诊断对象包含10多个状态监控数据库和基本数据库,可以存储大量的检测及分析数据。库中的每一项检测数据都能进行异常征兆分析、同比对照和趋势分析。异常征兆分析主要比较检测值与标准值,如果超出标准值范围,提示用户设备有异常,进行下一步诊断。同比对照是比较同类设备中的同一检测项的差异,用来判断同类设备的运行状况。趋势分析通过绘制检测参数在一定时间范围内的变化趋势图,根据相关理论预测其发展变化趋势。

2.3 推理机设计

本专家系统采用了精确推理和模糊推理两种方法。

精确推理 精确推理主要包含三个方面：模式匹配、冲突消解和推理控制。[4]本系统的模式匹配采用的是确定性匹配的原则,指的是知识中的主要技术参数完全一致即可认为匹配成功。冲突消解采用按可信度大小进行匹配。推理控制采用正向与反向推理相结合的方式。

模糊推理 本系统采用以下步骤建立模糊评判数学模型：[5]

1）建立故障征兆集合,即收集系统所有可能发生的故障现象,组成的集合U

式中,元素ui（i=1,2,…,un）代表所有可能发生的故障现象。

2）建立故障评判集合,即分析系统所有可能的故障原因,组成的集合V

式中,vj（j=1,2,…,m）元素代表所有可能的故障原因。

3）建立权重集,即各权数所组成的集合：A= （a1,a2,…,an）,其中ai反映了某一故障诊断结果对某一故障征兆的隶属程度。权数通常先由专家确定初始权重,然后在应用中通过专家系统的学习机制逐步修改逼近。

4）建立单故障因数模糊评判矩阵

对故障征兆集中第i个故障现象ui进行评判,其对故障评判集中第j个故障原因vj的隶属度为rij,则对故障现象ui的评判结果,可用模糊集合Ri =（ri1,ri2,…,rim）来表示,Ri是故障评判集v上的一个模糊子集。若rij越大,表明故障现象ui和故障原因vj之间关联程度越高。则单征兆因子评判矩阵R为

5）综合决策

l种单征兆因子诊断的结果得到故障域上的l个模糊子集bi（i=1,2,…,l）。则l个bi可构成一单征兆因子诊断结果矩阵B。

综合决策公式为

2.4 人机界面设计

人机界面包含普通用户界面和知识库维护界面。一般保障人员通过普通用户界面进行发动机检查和维护工作。专业人员可以通过知识库维护界面对规则和知识库进行添加、修改、删除等工作。

1）普通用户（保障人员）界面

图2 项目选择界面

图3 起动调整界面

进入系统后（见图2）,根据需要,用户可以选择性能调整或故障诊断项目。

性能调整界面：界面采用chm帮助文档的样式,并按系统进行了分类,方便用户查找使用。图3为起动调整阶段的操作界面。

选择故障诊断后,首先进入检测选择界面。这里按照专家建议和部队使用实际进行分类,把发动机划分为几个分系统,[6]方便用户进行选择,见图4所示。

图4 检测项目选择界面图

故障现象界面：这里根据故障数据库中的故障现象,列出该类故障的所有现象,让用户进行选择。同时用户还可以选择推理模式：精确推理或者模糊推理。

调整对话框：诊断结束后,系统向用户提供维修建议,供维修人员参考。

2）知识库维护界面

随着维护保障经验的不断丰富和对发动机认识的不断加深,专业人员可以通过知识库维护界面对知识库中各类规则和知识进行修改、增删等操作（见图5）,以提高系统的诊断效能。

图5 知识库维护界面

3 结束语

本系统应用于某型飞机检测系统,并取得良好的效果。随着进一步的使用,也发现了一些不足,本系统知识库虽然包含了该型发动机的使用、维护和管理方面的经验和知识,具有较高的推理和诊断效率,但仍需要进一步总结、归纳和整理,丰富知识库内容,提高诊断准确率和发动机的完好率,保证飞行安全。

[1]苗学问.基于VXI总线的某型航空发动机电子控制器自动测试设备组建[D].西安：空军工程大学,2002.

[2]飞思科技产品研发中心.Delphi7.0基础编程[M].北京：电子工业出版社,2003.

[3]关惠玲,等.设备故障诊断专家系统原理及实践[M].北京：机械工业出版社,2000.

[4]王永庆,等.人工智能原理与方法[M].西安：西安交通大学出版社,2001.

[5]杨叔子,等.人工智能与诊断专家系统[M].西安：西安交通大学出版社,1990.

[6]周宗才.×型发动机性能调整与排故手册[M].西安：空军工程大学,1998.

[编校：张芙蓉]

Design of Fau lt Diagnosis Expert System for a Certain Aero-engine

LIU Chengxiang,WEISidong,Xiong Junjie
（Aviation University of Air force,Changchun Jilin 130022）

With integrated reasoning strategy by buildingknow ledge databasewith classification and combining certainty reasoning,the expertsystem on diagnosis system for the aero-engine is designed. With the model of separating knowledge database from reasoning system,the konw ledge in the know ledge database can be increasingly enriched and the diagnostic exactitude of the expertsystem improved.

aero-engine;fault diagnosis;expert system

V 263.6

A

1671-9654（2010）02-030-04

2010-03-08

刘承相（1979-）,男,山东邹城人,讲师,工学硕士,研究方向为空中机械控制与仿真。