基于故障树的故障诊断专家系统研究

【摘要】故障树分析方法是通过树形逐级细化分析，将系统故障的成因由总体到部分详细表示出来，将故障树分析方法应用于故障诊断专家系统，不但能解决诊断知识获取的难题，还能够使专家知识库尽可能的简化，降低冗余。

【关键词】故障树；故障树分析法；故障诊断专家系统

1.故障树分析法与故障诊断专家系统的概念

故障树是一种能体现故障传播关系的逻辑关系图，反映了系统故障与导致系统故障的各种因素之间的逻辑关系[1]。故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）方法[2]，是一种将系统故障形成原因由总体到部分按树状逐级细化的分析方法，是对复杂系统进行可靠性分析的有效工具，目的在于判明基本故障，确定故障原因、影响和发生故障的概率。

故障诊断专家系统是将专家知识与计算机结合在一起，按照规定的推理算法，通过人机接口让使用者与计算机进行对话，由使用者回答系统提出的问题，系统根据提问和回答问题的答案进行推理，最终给出诊断结论。

2.故障树分析法与故障诊断专家系统的共同点

将诊断专家系统和故障树分析法进行对比，可知故障诊断专家系统与故障树分析法之间存在相同点。

（1）故障树可以作为故障诊断专家系统的故障模型。诊断专家系统的任务是当部件失效时利用各种信息，依据知识库中的知识，通过推理确定部件失效的故障模式，找出故障源和故障原因，推理过程与故障树的逻辑关系相似。

（2）从知识获取的角度来看，故障树具有标准化的知识结构[3]，若利用故障树知识结构生成诊断专家系统知识库，可表示诊断问题的求解策略，同时可以极大地降低系统知识获取的难度。

实际上，故障树的顶事件（故障现象）是对应于专家系统要分析解决的任务，其底事件（故障原因）对应于专家系统的推理结果，而故障树由顶到底的层次和逻辑关系对应于专家系统的推理过程。

3.故障树分析法适合于专家系统知识库的建造的原因

将故障树的割集同诊断专家系统的知识库联系起来，故障树的一个割集是系统的一种失效模式，同时对应于知识库的一条规则。割集里的基本事件是该失效模式的最基本原因，对应知识库中规则的结论(故障源或故障原因)；从顶事件到割集的路径，是该割集区别于其它割集的中间条件，对应于知识库中规则的前提。故障树分析法适合于专家系统知识库的建造的主要原因有：

（1）对于一个系统的描述，当其真实性与完整性一经核实，就能建造若干描述系统性故障的故障树，这些树可为系统的描述所包含的知识和专家系统要用到的知识库之间提供联系。

（2）故障树分析法的主要概念是把一特定系统的知识转化成用逻辑关系表示的图形(故障树)，在故障树中一定数量的基本事件的组合可得出系统某些不希望的或关键性的状态，即故障树的顶事件、中间事件和底事件之间可以用逻辑门(与门和或门)联系起来。

（3）当专家知识可以用工程图形、运行规则、维护步骤以及试探规则等形式表示时，特别适合用故障树分析法来建造知识库。

（4）故障树的建造可以用手工方法，也可以借助于计算机程序，而故障树的自动建造特别适合于专家系统知识库的知识获取，因为它可以把除了故障模式、故障原因及逻辑关系以外的包括故障模式的文字说明、图形参考、检查方法及针对具体故障原因的补偿措施等描述性知识添加到树的相应节点处，并且这些最终都将是诊断知识库的不可缺少的组成部分。

4.基于故障分析建立知识库的特点

基于故障树分析法建立起来的知识库，知识一般具有经验性、因果关系的特点。知识库中的结论知识之间具有故障树所独有的层次关系，也就是说，知识库中的一个结论性知识有可能是另一个结论知识的前件，也可能是其后件。

结合本文前述知识，我们可将故障树转化为框架和产生式规则相结合的知识结构，转化过程中故障树的一个节点转换成知识库中的一个框架结构，如图1。

在将故障树知识转化成产生式规则知识过程中，我们还需要将故障树转化成一组“最小”故障树，也即每个故障树仅含有一个逻辑门(与门、或门)。而且，每个最小故障树能转换成诊断知识库中的一个或多个产生式规则，如图2所示，一个“与门”相当于一个规则，一个“或门”可以转化为与输入或门事件数相等的多条规则。

通过运用故障树分析法对所建的故障树进行定性分析，再将简化与等效树用于专家知识库的建立，既能解决诊断知识获取的难题，又使得生成的知识库尽可能地简化，降低冗余，便于推理的进行[4]。

参考文献：

[1]朱建军．基于元件故障模式的控制系统故障书的生成[D].大连理工大学，大连，2004，3．

[2]R G B. On the Analysis of Fault Trees [J] . IEEE Trans.1975: 175~185.

[3]丁玉兰，石来德．机械设备故障诊断技术[M]．上海：上海科学技术文献出版社．1994，7．

[4]蒋红枫．电喷发动机故障诊断专家系统的研制[D]．东南大学，2006，3．