专家系统在电梯控制柜故障诊断中的应用

【论文摘要】本文介绍了对某电梯厂出厂前对电梯控制柜进行调试的在线状态监测及其故障诊断的专家系统的研究和实现，对研究和开发同类的专家系统有参考价值。

1引言
        由于电子技术的高速发展，电梯控制技术也发生了很大的变革，由以前的简单的继电器——接触器控制发展成为可编程程序控制器（PLC）控制和微机控制，而微机控制技术现在更是得到了长足的发展，使电梯运行速度、质量和可靠性都有了很大的提高。为了减少在现场的接线和调试时间，电梯控制柜都是先按照要求在厂里接好并调试好，但微机电梯控制柜的参数众多，接线复杂，传统的人工查找故障和处理故障的方式就越来越不适应了，为了减少工人的调试时间，提高工作效率，我们设计了一个电梯测试平台，以模拟电梯在现场运行所需要的各种信号，同时用专家系统建立了一个专家系统，用于测试时的在线监测以及实时故障的诊断。

2系统结构
         该故障诊断专家系统以研华工控机为主机，它主要功能是通过软件模拟电梯运行现场的各种信号，对电梯控制柜的端口状态进行监测利用5块研祥的PCL-722直接和工控机的总线相连，通过软件设置各个通道的I/O状态配合相应的输入/输出端口板直接与电梯控制柜的端口相连，完成数据的实时采集和发送，采集的实时数据送给故障诊断专家系统的数据库中，故障诊断专家系统根据现场的实时数据对电梯控制柜当前的状态进行监控和诊断。系统的结构图如图1所示。


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3电梯故障诊断专家系统的结构
本故障诊断专家系统主要由知识库、实时数据库、推理机、知识获取机制、解释机制、人机接口和系统数据接口7个部分组成，故障专家系统结构图如图2：

       知识库用于存放领域专家提供的专门知识，设计和建造知识库是建造专家系统中的一个关键工作，其实质就将专家的知识和经验分成实事和规则，以便于将使用和管理的形式组织起来存入计算机，用于问题的求解。专家系统的问题求解是运用专家的知识来模拟专家的思维方式进行的，所以，知识是决定一个专家系统性能优越与否的关键因素，一个专家系统的能力就取决于其知识库中所含知识的数量和质量。 
       推理机在一定的控制策略下，对实时数据库中的当前问题信息进行识别和选取知识库中的可用知识进行推理，以修改实时数据库直至最终得出问题的求解结果。推理机可以采用正向推理、逆向推理及双向推理等策略，推理机的程序与知识库的具体内容无关。
         实时数据库反映具体问题在当前求解状态下的符号或事实的集合，它由问题的有关初始数据、现场实时数据以及系统求解过程中所产生的所有中间信息所组成。
         知识获取机制 负责建立、修改与扩充知识库，以及对知识库的一致性、完整性等进行维护。知识获取机构可以仅仅是一个知识编辑程序，也可以是一个复杂的知识获取子系统，用来完成自动知识获取、自动知识求精等功能。
         解释机制用于对求解过程作出说明，并回答用户提出的问题。它模拟专家在解决问题时对其推理过程进行解释，负责对推理结论进行解释，是专家系统透明的集中表现。在专家系统中设置解释机制的目的在于使用户更容易接受整个推理过程和所得出的结论，同时也为系统的维护和专家经验的传授提供方便。
         人机接口在信息的内部形式和人可接受的形式之间进行交换。很多系统都提供了用户熟悉的表现形式如自然语言、图形、表格等。这些形式与信息的内部表示形式相差很远，必须由人机接口加以转换。
        系统数据接口主要是完成数据的发送和接受。将电梯控制柜上的各端口数据采集进工控机，同时将工控机发出的模拟现场的电梯命令送给电梯控制柜，电梯控制柜根据送来的命令进行工作。

4电梯控制柜故障诊断专家系统的具体实现
       电梯控制柜故障诊断专家系统开发环境为：Windows 98中文操作系统，Access2000数据库，整个系统用Visual Basic6.0开发完成。
4.1知识的获取
       知识获取是将人类专家获取领域知识并将其转化为知识库的过程，是建造专家系统的主要困难阶段，而知识库的质量直接决定了专家系统解决问题的能力。因此，知识获取是建造专家系统的瓶颈问题。知识的自动获取是未来专家系统进一步研究的方向，目前主要采用领域专家和知识工程师相结合的人工获取知识方式。在这里，我们采用工厂调试专家向知识工程师提供故障时端口的状态和目前故障的类型以及它们之间的相互关系等领域知识，同时知识工程师现场调试获取故障信息，知识工程师对这些信息进行分析和处理，建立合适的结构和规则，最终变成知识系统接受的知识表示形式，设计出专家知识库，同时在实际的测试过程中，如果没有发现适合的知识，则对知识库进行必要的完善，以达到真正的实用、好用为止。
4.2知识库的建立
        知识库存放问题求解需要的领域知识，知识的种类一般包括作为专家经验的判断性知识，以及描述各种事实的知识。知识的表示形式是多样的，包括产生式规则表示法，语义网络表示法，框架表示法，概念表示法等。专家系统的利用以拥有知识为前提，而知识在系统中有一定的表达模式。
        在本系统中，系统的知识由诊断知识构成，知识的表示采用框架表示法。所谓框架，就是表示实体类型的数结构，一个框架由一组槽组成，每个槽表示对象的一个属性，槽的值就是对象的属性值，一个槽可以由若干个侧面所组成每个侧面可以有一个或者多个值。系统主要由两个框架所组成，一个是故障框架，一个是判断规则框架。故障框架主要包括故障名称槽，电梯控制柜各端口当前状态槽，判断故障规则槽。判断规则框架主要有判断规则正文，故障原因，解决故障的方法。框架容易由面向对象方法设计和实现，系统中框架的表示形式如下图：

例如：
故障框架一
故障名称：电梯不能启动
确认条件：有呼梯信号，方向信号
判断规则：
判断规则框架一
判断规则正文：有变频器故障信号
故障原因：变频器故障
原因置信度：0.8
处理方法：检查变频器设置
判断规则框架二
判断规则正文：有速度信号，方向信号，无运行信号，关门信号，关门到位信号
故障原因：电梯控制柜有超载信号输入，或者关门到位接线错误
原因置信度：0.6
处理方法：检查超载信号端和关门到位信号
……
4.3推理机的建立
        专家系统中的推理方式通常有三种：①从目标出发，以反向验证的方式进行推理；②从所收集的原始数据出发，以向目标归纳的方式进行的推理；③将以上两种方式的推理结合起来的，以双向混合方式进行的推理。
         电梯的故障有两类，一类使电梯禁用，即使故障排除，也必须由维修人员到现场使电梯控制柜恢复正常，另一类是使电梯不禁用，故障解除后，电梯控制柜能自动的正常运行。我们根据电梯控制柜故障的特点，采用深度优先的搜索策略，利用正向端口数据推理和逆向目标推理相结合的方式，快速查找故障原因。
        在实际测试的时候，如果电梯控制柜端口不正常，则根据当前的电梯控制柜状态，得出出现故障的名称，然后根据故障名称查找故障判断规则，根据置信度的大小从大到小查找，找到对应的错误，则系统立即通过对话框的方式提示给测试人员，并同时将故障方式的时间和原因写进故障数据库。整个推理机的程序流程如下图所示：
4.4实时数据库的建立和故障的实时性判断
         由于我们测试的电梯控制柜在运行过程中，如果出现故障，出现故障的状态保持的时间相对来说比较短，然后控制柜自动将根据故障类型，自动停止或者是处于锁定状态。为了能实时的检测控制柜的故障，我们利用PCL-722自带的Windows下的端口采集函数，利用定时器，每隔200ms采集一次端口，采集满100次后向实时数据库写一次数据，以减少写数据库的时间。为了能实时识别故障，我们每秒将电梯控制柜当前各端口的状态与电梯控制柜正常运行时的各端口状态表中的状态进行比较，如果正确就继续，如果不正确，才启动推理机进行判断，以减少故障查询时间，满足实时性的要求。
        同时因为电梯控制柜上的端口可以自定义，我们在程序中设置了一张参数表，用于用户选择端口的定义，该定义应该和实际的电梯控制器上的端口定义一样，然后程序会自动的动态生成一样端口数据<