基于產(chǎn)生式規(guī)則和演繹推理的自動變速器診斷系統(tǒng)研究

張培明，馬樂群，王春林

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700）

產(chǎn)生式這一術(shù)語是由美國數(shù)學(xué)家E.Post在1943年首次提出來的。1972年，紐厄爾和西蒙在研究人類的知識模型中開發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)，產(chǎn)生式規(guī)則表示法具有便于推理的自然性、便于對規(guī)則庫進行模塊化處理、便于用統(tǒng)一的表示模式表達專家系統(tǒng)中多方面知識有效性和格式的規(guī)范性。產(chǎn)生式規(guī)則表示法已成為目前人工智能中應(yīng)用最多的一種知識表示模式。隨著人工智能的發(fā)展，專家系統(tǒng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷成為人工智能一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

知識庫包括用于存儲電控自動變速器的數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。數(shù)據(jù)庫用于存儲結(jié)構(gòu)與工作原理知識、專家經(jīng)驗知識，規(guī)則庫用于存儲故障診斷規(guī)則。推理機是專家系統(tǒng)的核心，根據(jù)故障現(xiàn)象判斷故障類型，分析故障原因，并提出故障排除措施。電控自動變速器故障診斷專家系統(tǒng)診斷過程是一個多級目標(biāo)推理過程。推理過程按照元知識控制目標(biāo)的執(zhí)行順序，對規(guī)則庫進行搜索匹配。系統(tǒng)以黑板作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，以實現(xiàn)各部分之間的信息交換。

2 知識庫設(shè)計

專家系統(tǒng)知識庫設(shè)計主要包括事實數(shù)據(jù)庫設(shè)計和規(guī)則庫設(shè)計。

2.1 事實數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1.1 電控自動變速器結(jié)構(gòu)和性能數(shù)據(jù)庫

電控自動變速器由液力變矩器、行星齒輪變速器、液壓控制子系統(tǒng)、電子控制子系統(tǒng)和操縱機構(gòu)五部分組成。不同型號的電控自動變速器在組成、結(jié)構(gòu)、性能上存在很大差異，因此應(yīng)分別建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，采用分層框架網(wǎng)絡(luò)表示法。

2.1.2 故障類型數(shù)據(jù)庫

首先對電控自動變速器可能發(fā)生的故障進行列舉和分析，然后將全部故障類型定義為一個故障集合，用一個歐氏向量 S表示：

Si為第i種故障類型，n表示故障類型的總數(shù)。型號A（例如，01N型）電控自動變速器故障類型可以做出集合。

2.1.3 故障原因數(shù)據(jù)庫

同樣，將引起這些故障的原因、故障部位定義為一個故障原因集合，用一個歐氏向量X表示：

2.1.4 故障排除措施數(shù)據(jù)庫

針對診斷出的不同的故障類型、故障原因，制定相應(yīng)的故障排除措施指導(dǎo)。例如，油面過低X14，故障排除措施為添加變速器液。又如，電控單元失效X23，故障排除措施為更換。

2.2 規(guī)則庫設(shè)計

根據(jù)電控自動變速器的工作原理，分析各種故障原因與故障的邏輯關(guān)系，制定正向推理規(guī)則，部分故障類型與故障原因的映射關(guān)系。

根據(jù)故障類型與故障原因的映射關(guān)系，制定的產(chǎn)生式正向推理規(guī)則，例如：

Rule F01: if S01then X05OR X06OR X25

Rule F02: if S02then X03OR X14

……

根據(jù)故障原因與故障類型的映射關(guān)系，制定的產(chǎn)生式正向推理規(guī)則，例如：

Rule B01: if X01AND X30then S16

Rule B02: if X01AND X30then S17

……

3 故障診斷專家系統(tǒng)推理機設(shè)計

3.1 與/或形正向演繹推理

電控自動變速器故障診斷專家系統(tǒng)診斷過程是一個多級目標(biāo)推理過程。主要包括總目標(biāo)的推理過程、次級目標(biāo)的推理過程。與/或形演繹推理是基于經(jīng)典邏輯的一種推理，其真值只有真和假兩種，是一種精確性推理。

與/或形正向演繹推理要求已知事實不用蘊含符號“→”的與/或形表示，將所有事實表達式變換為與/或形。

故障原因與故障類型的映射關(guān)系，制定的產(chǎn)生式逆向推理規(guī)則。根據(jù)事實數(shù)據(jù)庫中給出的假設(shè)，反向使用規(guī)則，即把規(guī)則的后件與當(dāng)前數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容進行匹配，若有多條規(guī)則可用，則按規(guī)則消除策略從中選擇一條規(guī)則執(zhí)行，將執(zhí)行規(guī)則的結(jié)論添加到綜合數(shù)據(jù)庫中，直至問題求解或沒有可用規(guī)則。

3.2 搜索匹配策略

電控自動變速器故障診斷專家系統(tǒng)規(guī)則匹配流程顯示，用戶通過人機界面輸入故障特征，將搜索策略采用寬度優(yōu)先搜索策略，從初始節(jié)點S1開始逐層對節(jié)點進行擴展，并考察它是否為目標(biāo)節(jié)點。OPEN表中的節(jié)點總是按進入的先后順序排列。

3.3 沖突消除策略

當(dāng)已知故障類型與規(guī)則庫中的多個規(guī)則匹配時，采用針對性排序的方法消除匹配沖突策略，選用針對性較強的產(chǎn)生式規(guī)則。當(dāng)已知故障類型不能與規(guī)則庫中的規(guī)則匹配時，需要對規(guī)則庫補充新規(guī)則。否則，匹配失敗。

3.4 軟件結(jié)構(gòu)

故障診斷系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0 and ACCESS 數(shù)據(jù)庫等開發(fā)工具進行開發(fā)。軟件包括故障類型診斷模塊、知識庫模塊和系統(tǒng)幫助模塊三部分，具有通用性和可移植性，界面友好，同時支持多種數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用。

3.5 專家系統(tǒng)推理機實例應(yīng)用與試驗驗證

為驗證故障診斷專家系統(tǒng)的有效性，對捷達轎車01N型電控自動變速器故障采用模擬故障的方法進行了實驗驗證，實驗測試結(jié)果表明，診斷結(jié)果與實際故障基本一致，但某些故障出現(xiàn)誤診，其主要原因有：數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫有待完善，需要借鑒等維修經(jīng)驗；缺少故障出現(xiàn)時機和運車輛行狀態(tài)約束條件。

1 張代勝、王悅、陳朝陽.融合實例與規(guī)則推理的車輛故障診斷專家系統(tǒng)［J］.機械工程學(xué)報，2002（7）：91～95