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          摘要: 為提高熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程中故障診斷的效率，對熱模鍛壓力機(jī)的故障機(jī)理進(jìn)行了分析; 應(yīng)用規(guī)則推理與案例推理的智能方法對熱模鍛壓力機(jī)的故障診斷進(jìn)行研究。結(jié)合熱模鍛壓力機(jī)的特點(diǎn)并針對兩種推理技術(shù)各自的局限性，提出了將規(guī)則推理與案例推理相結(jié)合的、適用于熱模鍛壓力機(jī)故障診斷的人工智能方法; 構(gòu)建了熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程中故障診斷的故障樹，并得到導(dǎo)致故障現(xiàn)象的最小割集; 建立了表示故障案例的五元組，以離合器打滑與制動器打滑為例進(jìn)行案例推理的分析。本研究在一定程度上解決了知識獲取困難的問題。

  
          熱模鍛壓力機(jī)在制造業(yè)中用于進(jìn)行成批大量黑色和有色金屬的模鍛，其構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)生故障時(shí)需要現(xiàn)場擁有大量經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備專家與工藝專家憑借自身豐富的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行排查，找出故障源。某一局部故障的產(chǎn)生，使得整個(gè)設(shè)備生產(chǎn)停頓，甚至整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)停頓，引發(fā)安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失 。在生產(chǎn)中發(fā)生連擊、悶車等故障對于鍛壓車間來說是非
常嚴(yán)重的故障現(xiàn)象，故障現(xiàn)象發(fā)生后若不及時(shí)處理得當(dāng)，不僅影響生產(chǎn)效率，而且嚴(yán)重減少壓力機(jī)壽命 。因此，對熱模鍛壓力機(jī)故障診斷方法的研究是十分有意義的。

      故障診斷技術(shù)是一門涉及到控制與建模等多方面的綜合性技術(shù)。隨著人工智能方法的滲入，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。數(shù)控軋輥磨床應(yīng)用案例推理建立了數(shù)控軋輥磨床智能故障診斷系統(tǒng) ，曲柄壓力機(jī)高頻震動故障診斷上應(yīng)用故障樹進(jìn)行分析 ，軋機(jī)液壓故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用案例推理，開發(fā)應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場的液壓故障診斷系統(tǒng) ，以上故障診斷技術(shù)多是應(yīng)用一種人工智能方法，唐宇等 在飛機(jī)維護(hù)與排故專家系統(tǒng)中將案例推理與故障樹集成進(jìn)行故障診斷，在一定程度上避免了單種人工智能方法應(yīng)用在診斷中存在的局限性。嚴(yán)愛軍等 采用導(dǎo)致豎爐故障的過程參數(shù)變化特點(diǎn)來描述案例，成功對豎爐焙燒過程的異常情況進(jìn)行了預(yù)測。

      本文針對熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程中發(fā)生的故障，運(yùn)用人工智能方法模擬專家經(jīng)驗(yàn)找出故障源及解決方案。提出了將規(guī)則推理與案例推理相結(jié)合的熱模鍛壓力機(jī)故障診斷方法。便于知識的獲取，為提高熱模鍛壓力機(jī)故障診斷系統(tǒng)的可擴(kuò)展性奠定了良好的基礎(chǔ)。

      1 、熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程故障描述

      熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程中，常見的對生產(chǎn)影響較為嚴(yán)重的故障包括悶車、滑塊停在上死點(diǎn)以外的位置、主電機(jī)電流過高、壓力機(jī)連沖、軸瓦溫升過高、潤滑故障。

      這6 種故障被引發(fā)的原因很多。對悶車來說，若封閉高度調(diào)整過低，因鍛件體積固定，滑塊打下來會因?yàn)閴簷C(jī)過載發(fā)生悶車的現(xiàn)象，同樣因壓機(jī)過載造成悶車的原因還包括鍛件溫度低、毛坯尺寸過大。曲軸角度對應(yīng)滑塊位置，生產(chǎn)過程中通過曲軸角度的信號來控制離合器、制動器的動作，如果離合器過早脫開，或離合器打滑，由于動力輸出不夠，
曲軸－ 連桿－ 滑塊系統(tǒng)在壓機(jī)滑塊向下運(yùn)動時(shí)，其動能不足以克服工件的變形能、壓力機(jī)彈性變形能和滑動軸承中摩擦損失，就可能會發(fā)生悶車現(xiàn)象。若離合器打滑，壓機(jī)滑塊回程運(yùn)動時(shí)，滑塊因動能不足導(dǎo)致停在上死點(diǎn)之前的位置; 制動器打滑，滑塊越過上死點(diǎn)停在上死點(diǎn)以外的位置; 離合器、制動器凸輪開關(guān)的調(diào)整不當(dāng)也會導(dǎo)致滑塊停在上死點(diǎn)之外的位置。軸瓦間隙不合適或潤滑不良，可能導(dǎo)致主電機(jī)電流過高、軸瓦溫升過高。離合器制動器復(fù)位失靈、凸輪開關(guān)失靈等可能會造成壓力機(jī)連沖。熱模鍛壓力機(jī)上的制動器與離合器在機(jī)理上十分類似，故障現(xiàn)象不明顯，發(fā)生故障不好判斷故障源。本文旨在利用長期積累的經(jīng)驗(yàn)為熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障制定一套診斷方法，對故障現(xiàn)象明顯、容易判斷故障源的事件建立直接、明了的故障樹; 故障現(xiàn)象不明顯、故障源不好判斷的事件，利用所掌握的狀態(tài)信息構(gòu)成案例。意在幫助操作人員進(jìn)行操作指導(dǎo)，分析、得到故障現(xiàn)象的引發(fā)原因，為構(gòu)建熱模鍛壓力機(jī)故障診斷系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。

      2 、故障診斷方法的研究

      經(jīng)由上述分析，難以在線測量反映故障征兆的一些過程參量，而熱模鍛壓力機(jī)的過程機(jī)理較為復(fù)雜，又難以應(yīng)用精確的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)，并且一般操作者因領(lǐng)域知識不完整、不集中使得知識獲取困難。由此本文提出了規(guī)則推理與案例推理相結(jié)合的熱模鍛壓力機(jī)故障診斷方法。通過融合熱模鍛壓力機(jī)結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)系而構(gòu)建的故障樹，可以保證診斷知識結(jié)構(gòu)的完整性和知識的條理性，同時(shí)也能提高故障診斷專家系統(tǒng)的診斷速率; 針對熱模鍛壓力機(jī)的機(jī)理復(fù)雜，規(guī)則提取困難的情況，以案例推理作為故障診斷系統(tǒng)的后援，降低了知識獲取的負(fù)擔(dān)，也改善了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

      2. 1 總體設(shè)計(jì)

      基于規(guī)則推理與案例推理的熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程故障診斷方案的總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。知識庫用來存儲領(lǐng)域?qū)＜覍崮ｅ憠毫C(jī)生產(chǎn)過程故障診斷的經(jīng)驗(yàn)知識，包括故障樹轉(zhuǎn)化的規(guī)則; 數(shù)據(jù)庫用來存儲熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程中的狀態(tài)信息、分析出的中間數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及熱模鍛壓力機(jī)本身的基本參數(shù); 案例庫用來存儲熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程故障診斷的典型案例。

     圖1 熱模鍛壓力機(jī)故障診斷總體設(shè)計(jì)圖

     故障征兆與故障關(guān)系明確，則根據(jù)故障現(xiàn)象利用故障樹轉(zhuǎn)換的規(guī)則來進(jìn)行診斷。在知識庫中搜索相匹配的規(guī)則直到推理到達(dá)底層事件( 故障源) ，從而得到故障源信息及解決方案指導(dǎo)。推理過程中沒有相應(yīng)規(guī)則與之匹配時(shí)，根據(jù)已獲取的狀態(tài)信息進(jìn)行案例推理。在案例庫中檢索與當(dāng)前工況相似度較高的典型案例進(jìn)行重用，得到結(jié)果。相似度較低則對案例進(jìn)行修改，更新案例號，存入案例庫中。

     2. 2 規(guī)則推理

     采用正反混合推理的方法，首先根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行反向推理，在故障樹中搜索匹配規(guī)則，推理達(dá)到底層事件( 故障源) 時(shí)采用正向推理驗(yàn)證故障源的準(zhǔn)確性。以與門、或門、非門等邏輯門表示事件間的相互關(guān)系。其中故障樹為規(guī)則推理的可靠性、安全性提供了有力保障，是故障診斷的一個(gè)有力工具。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，故障總是與設(shè)備及其功能相關(guān)聯(lián)的，以故障現(xiàn)象作為頂事件，熱模鍛壓力機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為次級事件，將造成熱模鍛壓力機(jī)故障的原因按照其結(jié)構(gòu)逐級分解為中間事件，直到得到作為底事件的故障源。體現(xiàn)了故障傳播的層次性，故障源與故障現(xiàn)象間的因果關(guān)系。通過對故障樹的定性分析，以指明故障原因?yàn)槟繕?biāo)，有效找出導(dǎo)致故障現(xiàn)象發(fā)生的所有可能的故障規(guī)則，即尋找故障樹的全部最小割集 ，以故障現(xiàn)象滑塊停在上死點(diǎn)外、軸瓦溫升過高為例建立故障樹，如圖2、圖3 所示。

     
  
     圖2 滑塊停在上死點(diǎn)外故障樹

     故障樹的一個(gè)割集的狀態(tài)表示了頂事件發(fā)生的一種可能性，而最小割集則表示了導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最

     圖3 軸瓦溫升故障樹
 

     2. 3 案例推理

     案例推理的主導(dǎo)思想是利用過去故障診斷經(jīng)驗(yàn)中的特定知識，即具體案例來解決新問題。檢索針對熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)故障建立的案例庫，計(jì)算案例庫中舊案例與新案例的匹配程度，獲得一個(gè)或多個(gè)類似的故障案例( 集) 。選取匹配較好的案例直接應(yīng)用其解決方案。若沒有與新案例匹配度較好的案例，則對已有的案例進(jìn)行修正，經(jīng)過驗(yàn)證，確定可行性后作為新案例存入庫中。

     通過對熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)過程中的故障分析，將其中故障現(xiàn)象不明顯、故障源不好確定的故障提出來作為典型案例，把引發(fā)生產(chǎn)過程中故障的狀態(tài)信息作為組成案例的故障特征。將故障診斷案例表示成五元組，即故障案例特性、故障狀態(tài)特性、故障特性權(quán)值、診斷結(jié)果、故障處理方案。五元組表示為CASE = { G，S，W，C，M} ，其中G 為案例所屬種
類，與案例的狀態(tài)特性和案例號有關(guān); S = { S1，S2，…Sn} 是故障特征的有限非空集合，Si∈S 表示與熱模鍛壓力的工藝參數(shù)或過程參數(shù)相關(guān)的特征屬性，根據(jù)案例的需要設(shè)為打擊力，電機(jī)轉(zhuǎn)速，彈簧壓縮量等; W = { W1，W2，…Wn} ，0≤Wi≤1，是由熱模鍛壓力機(jī)設(shè)計(jì)專家與現(xiàn)場擁有大量操作經(jīng)驗(yàn)的操作工提供的故障特征參數(shù)的權(quán)重; C 表示案例的診斷結(jié)果，即故障的原因; M 表示相關(guān)的故障解決方案和操作建議。

      案例檢索的策略是相似度與閾值Simv相比較，針對不同類型的故障特征值選擇適當(dāng)?shù)南嗨坪瘮?shù)進(jìn)行處理求得相似度，這些案例不一定是完全相似的，提取不小于相似度閾值的所有案例作為當(dāng)前工況描述下故障診斷的匹配案例。例如離合器與制動器打滑，這是很難發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象，但兩者機(jī)理十分類似。某舊案例是離合器打滑，故障特征給出內(nèi)部沒
有進(jìn)油，行程調(diào)整值，故障原因是行程調(diào)整不當(dāng)，解決方案是調(diào)整彈簧壓縮量?，F(xiàn)有一新案例是制動器打滑，內(nèi)部沒有進(jìn)油，行程調(diào)整值與離合器打滑案例中的行程調(diào)整值及其接近，這就需要對這次檢索出的不完全相似案例進(jìn)行重用，那么就可以推斷出制動器打滑的原因是行程調(diào)整不當(dāng)，應(yīng)調(diào)整制動器的彈簧壓縮量。但若新案例為離合器內(nèi)部有油，行程調(diào)整值與舊案例差距很大，而在案例庫中未找到相似度超過該案例的值，那么就可以修改這個(gè)舊案例為離合器部有油并且輸入新的行程值，更新案例故障原因與解決方案，填寫新的案例號保存到案例庫中，用于下一次的案例推理。
 

      3 、結(jié)語

     綜上所述，在對熱模鍛壓力機(jī)分析的基礎(chǔ)上本文主要研究并提出了規(guī)則推理與案例推理相結(jié)合的熱模鍛壓力機(jī)故障診斷方法; 利用此診斷方法，結(jié)合熱模鍛壓力機(jī)實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象討論了其中的規(guī)則推理與案例推理在故障診斷中的應(yīng)用; 并提出了將規(guī)則推理與案例推理相結(jié)合的適用于熱模鍛壓力機(jī)實(shí)際故障診斷的人工智能方法; 構(gòu)建了其生產(chǎn)過程中故障診斷的故障樹，并通過故障樹得到了導(dǎo)致故障現(xiàn)象的最小割集; 建立了表示故障案例的五元組，以離合器打滑與制動器打滑為例進(jìn)行實(shí)際案例的推理分析，并成功解決了所產(chǎn)生的問題。通過以上的研究和分析，證實(shí)了通過規(guī)則推理與案例推理相結(jié)合的診斷方法，并利用構(gòu)建故障樹，建立五元組的方法成功的解決了熱模鍛壓力機(jī)相關(guān)問題的方法可行，為熱模鍛壓力機(jī)故障診斷開辟了新的途徑。