CN105225049A - 一种高可扩展性故障诊断专家系统 - Google Patents

Abstract

一种高可扩展性故障诊断专家系统，其中故障诊断模块对所采集的数据进行诊断与推理，得出故障与否与故障等级，提供给数据库管理模块进行历史记录与数据管理，和/或进行存储或显示。故障诊断模块包括引擎、存放诊断算法变量数据的文件、存放功能函数的功能函数文件以及算法主文件，引擎用于执行算法主文件，诊断算法变量数据由功能函数或算法主文件进行调用，且设置成可按需进行扩展增加；功能函数由功能函数文件或算法主文件进行调用，故障诊断算法通过增加功能函数文件来进行扩展；算法主文件为执行算法的起始文件，其构建故障诊断算法所实现的框架，并与图形化编程软件接口进行直接交互。

Description

一种高可扩展性故障诊断专家系统

技术领域

本发明涉及一种高可扩展性故障诊断专家系统。

背景技术

随着高新技术进步和信息时代的发展，现代装备系统复杂性、综合化、智能程度不断提高，而随着复杂装备系统的大量应用，为应对高成本停机或装备失效引发的巨大灾难，对相应的后勤维护工作要求越来越严格。伴随于此，后勤维护工作困难大、成本高的特点逐步显现出来。根据美军综合数据，使用与保障费用可在武器装备的全寿命周期总费用中占到72％，而相比使用费用，维修保障费用在技术方面更具备压缩性，所以装备后勤保障技术研究是降低保障成本的关键。

目前，常规的后勤维修体系在进行故障维修决策时通常是事后维修(CorrectiveMaintenance,CM)体系或者定期维护(Time-basedMaintenance,TBM)体系，即在装备故障或失效发生后进行维修或者事先确定一个与装备实际退化状况无关的时间段为周期来进行装备维护。这样就很少考虑装备的实际健康状态，当前一般采用传统仪器仪表进行系统检测获得数据而后由人工进行故障判断的方法，不仅效率较低，可靠性差，而且很难发现系统设备潜在的轻微故障。

故障诊断专家系统具有测试速度快、测试结果精确、测试功能完善、输出显示方式多样化、操作简单并且系统自身可以自检和自诊断等特点，在大型的测试任务中已经逐步取代了传统的人工测试，但随着电子技术和计算机技术的高速发展，电子设备变得越来越先进，需要测试的参数多，精度高，使得与之配套的故障诊断专家系统变得越来越复杂，开发难度不断增加，交付后维护保障费用也不断增加，而且故障诊断专家系统必须及时地更新与升级才能满足日益增长的复杂电子装备测试的需求，因此由于故障诊断专家系统因为更新换代所带来的装备全寿命周期保障费用快速增长的问题已不容忽视。

因此，在保证测试正确率的同时，提高诊断系统的可扩展性，使诊断系统可以根据不同的应用场景调整系统模块，降低故障诊断专家系统的研制开发成本，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种高可扩展性、低成本的故障诊断专家系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高可扩展性故障诊断专家系统，包括：数据输入模块、数据库管理模块、故障诊断模块、数据显示模块、以及数据存储模块，其中，所述数据输入模块与所述故障诊断模块、所述数据显示模块和所述数据库管理模块分别连接，所述故障诊断模块、所述数据显示模块和所述数据库管理模块相互连接，所述故障诊断模块和所述数据库管理模块还连接所述数据存储模块，从而提供系统的各种数据服务功能，其中，所述故障诊断模块对所述数据输入模块所采集的数据进行诊断与推理，得出故障与否与故障等级，提供给所述数据库管理模块进行历史记录与数据管理，和/或导出至所述数据存储模块，或发送到所述数据显示模块进行显示，其中，所述故障诊断模块包括引擎、存放诊断算法变量数据的文件、存放功能函数的功能函数文件以及算法主文件，所述引擎用于执行算法主文件，所述诊断算法变量数据由所述功能函数或所述算法主文件进行调用，且设置成可按需进行扩展增加；所述的功能函数由所述功能函数文件或所述算法主文件进行调用，所述故障诊断算法通过增加所述功能函数文件来进行扩展；所述算法主文件为执行算法的起始文件，其构建故障诊断算法所实现的框架，并与图形化编程软件接口进行直接交互。

进一步地：

所述系统具有以LabVIEW图形化编程软件实现的软件平台框架，所述软件平台框架包括人机交互界面和后台处理程序，优选地，所述人机交互界面包括故障诊断标题、数据输入选择列表、流程控制及保存数据按钮、当前诊断数据组数及信号波形显示、当前诊断结果故障等级指示灯、当前及历史诊断结果表格显示、故障汇总结果表格显示、故障说明文本框显示、或当前日期及时间显示，或上述选项的组合。

所述后台处理程序包括初始化模块、流程控制模块、显示处理模块或后台接口模块。

所述初始化模块实现软件中路径的设置、表头及表格的初始填写、指示灯的初始设置、按钮信息的初始显示、图像的清空、或对程序开始运行时系统参数的设置以保证程序能够稳定正确运行，或上述选项的组合。

所述流程控制模块包括后台对按钮、表格的点击响应处理，用于将用户操作传递给相应模块，控制其完成开始运行、中间暂停、循环执行、或结束运行操作，或上述选项的组合。

所述显示处理模块包括对程序运行过程中故障等级警示灯与控制按钮颜色的设置、保存数据按钮使能的设置、故障诊断结果动态显示处理、故障汇总过程对数据的过滤，或从波形、颜色、文字方面与用户进行信息交互，或上述选项的组合。

所述后台接口模块包括LabVIEW与MATLAB交互接口、LabVIEW与Access交互接口、LabVIEW与TDMS文件交互接口、LabVIEW与Excel交互接口，用于实现故障诊断、与数据库交互信息、导入测试数据、保存故障汇总数据。

所述数据库管理模块的数据库服务基于关系数据模型和TDM数据模型联合实现，具体地，基于MicrosoftOfficeAccess软件与TDMS文件联合实现。

所述故障诊断模块由MATLAB工程软件实现。

LabVIEW与MATLAB交互接口由MATLABscript节点实现；MATLABscript节点包括输入数据、输出数据、及MATLABscript节点执行文本；所述输入数据包括采集到的分组数据信号及文件路径，所述文件路径处有存放所述诊断算法变量数据的“.mat”文件、存放所述功能函数的m文件；所述输出数据包括故障诊断结果；所述MATLABscript节点执行文本包括所述算法主文件；优选地，所述故障诊断模块的故障诊断算法由基于深度神经网络的故障分类算法实现。

本发明的有益效果：

本发明提供一种具备高扩展性的故障诊断专家系统，能够针对采集到的设备系统数据，进行故障诊断与推理，得出故障与否与故障等级，并根据得出的诊断结果给出合适的建议与措施，同时模块化的系统构建使得可以根据应用对象的不同，更换相应的系统模块，在保证故障诊断可靠性的前提下，降低故障诊断专家系统的成本。与现有技术相比,本发明包括以下突出优点：本发明通过图形化编程软件进行开发，集成了故障诊断算法功能、混合数据库服务功能，不仅开发周期短、难度低，而且功能充分利用软件接口，使得本故障诊断平台功能强大，能够实现复杂的诊断算法，并能灵活存储调用不同类型数据与信息。本发明的故障诊断专家系统通过采用模块化的系统构建方式，提升了系统的可扩展性，可根据应用对象的不同灵活的替换系统模块，使得本故障诊断专家系统可以不断完善功能，整合多种故障诊断算法，并且可以灵活存储调用不同类型数据与信息，在保证测试结果可靠性的时候，降低系统的开发成本，开发周期短、难度低。

附图说明

图1是本发明故障诊断专家系统实施例的功能结构图；

图2是本发明故障诊断专家系统实施例的前面板界面图。

图3是本发明故障诊断专家系统实施例的初始化模块示意图；

图4是本发明故障诊断专家系统实施例的ODBC数据源自动配置程序流程图；

图5是本发明故障诊断专家系统实施例的“MATLABscript”节点示意图；

图6是本发明故障诊断专家系统实施例的操作流程图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中,一种高可扩展性故障诊断专家系统，包括：数据输入模块、数据库管理模块、故障诊断模块、数据显示模块、以及数据存储模块，其中，所述数据输入模块与所述故障诊断模块、所述数据显示模块和所述数据库管理模块分别连接，所述故障诊断模块、所述数据显示模块和所述数据库管理模块相互连接，所述故障诊断模块和所述数据库管理模块还连接所述数据存储模块，从而提供系统的各种数据服务功能。

本系统具有采集数据输入、故障诊断、结果显示汇总、数据存储等功能，可以LabVIEW图形化编程软件为开发工具的软件平台框架；以数据输入模块、数据存储模块、数据显示模块、数据库管理模块组成数据管理中心；故障诊断模块提供功能核心。

其中，所述故障诊断模块对所述数据输入模块所采集的数据进行诊断与推理，得出故障与否与故障等级，提供给所述数据库管理模块进行历史记录与数据管理，和/或导出至所述数据存储模块，或发送到所述数据显示模块进行显示，其中，所述故障诊断模块包括引擎、存放诊断算法变量数据的文件、存放功能函数的功能函数文件以及算法主文件，所述引擎用于执行算法主文件，所述诊断算法变量数据由所述功能函数或所述算法主文件进行调用，且设置成可按需进行扩展增加；所述的功能函数由所述功能函数文件或所述算法主文件进行调用，所述故障诊断算法通过增加所述功能函数文件来进行扩展；所述算法主文件为执行算法的起始文件，其构建故障诊断算法所实现的框架，并与图形化编程软件接口进行直接交互。

在优选实施例中，所述系统具有以LabVIEW图形化编程软件实现的软件平台框架，所述软件平台框架包括人机交互界面和后台处理程序，

故障诊断专家系统主要包括1)以LabVIEW图形化编程软件为开发工具的软件平台框架；2)以数据输入模块，数据存储模块，数据显示模块，数据库管理模块为组成部分的数据管理中心；3)以故障诊断模块为组成部分的功能核心，如图1所示。

如图2所示，人机交互界面提供软件平台的前面板，其可以包括故障诊断标题、数据输入选择列表、流程控制及保存数据按钮、当前诊断数据组数及信号波形显示、当前诊断结果故障等级指示灯、当前及历史诊断结果表格显示、故障汇总结果表格显示、故障说明文本框显示、当前日期及时间显示。

在优选的实施例中，软件平台的后台处理程序包括初始化模块、流程控制模块、显示处理模块以及后台接口模块。

如图3所示，后台处理程序的初始化模块，优选包括软件中测试数据文件与诊断算法文件路径的设置、表头及表格的初始填写、指示灯的初始设置、按钮信息的初始显示、图像的清空，用于对程序开始运行时系统参数的设置，保证程序能够稳定正确运行。

后台处理程序的流程控制模块，优选包括后台对按钮、表格的点击响应处理，用于将用户操作传递给相应模块，控制其完成开始运行、中间暂停、循环执行、结束运行操作。

后台处理程序的显示处理模块，优选包括对程序运行过程中故障等级警示灯与控制按钮颜色的设置、保存数据按钮使能的设置、故障诊断结果动态显示处理、故障汇总过程对数据的过滤，用于使软件平台更加人性化，从波形、颜色、文字方面与用户进行信息交互；

后台处理程序的接口模块，优选包括LabVIEW与MATLAB交互接口、LabVIEW与Access交互接口、LabVIEW与TDMS文件交互接口、LabVIEW与Excel交互接口，用于实现故障诊断、与数据库交互信息、导入测试数据、保存故障汇总数据。

数据管理中心部分可以基于关系数据模型和NI公司TDM数据模型联合实现，具体可基于MicrosoftOfficeAccess软件与TDMS文件联合实现。

如图4所示，在优选实施例中，LabVIEW与Access交互接口先由Access配置开放数据库互连(OpenDatabaseConnectivity，ODBC)数据源，再由LabVIEW与ODBC数据源交互实现；Access配置ODBC数据源采用通过直接修改注册表自动配置数据源的方式，具体通过编写LabVIEW程序进行实现。

LabVIEW与ODBC数据源交互可通过第三方开发的免费工具包LabSQL实现，具体由输入的SQL语言命令文本进行信息交互。

LabVIEW与TDMS文件交互可由LabVIEW自带的TDMS程序模块来实现；所述的TDMS文件可以单独访问查看，具体由LabVIEW编程实现。

作为功能核心部分，故障诊断模块可由MATLAB工程软件实现。在优选的实施例中，故障诊断模块包括MATLAB引擎、存放诊断算法变量数据的“.mat”文件、存放功能函数的m文件以及算法主文件；MATLAB引擎用于执行算法文件；所述的诊断算法变量数据由功能函数或算法主文件进行调用，可进行扩展增加；所述的功能函数有功能函数或算法主文件进行调用，当进行故障诊断算法扩展时，即增加功能函数文件；所述的算法主文件为MATLAB执行算法的起始文件，用于构建算法实现的框架，也用于与LabVIEW接口进行直接交互。

故障诊断算法可以由基于深度神经网络的故障分类算法实现，可对所采集的数据进行诊断与推理，得出故障与否与故障等级。基本深度神经网络的故障分类算法的具体原理为本领域技术人员所知，在此不做详细说明。

参阅图5，在优选的实施例中，LabVIEW与MATLAB交互接口由MATLABscript节点实现；MATLABscript节点包括输入数据、输出数据、MATLABscript节点执行文本；输入数据包括采集到的分组数据信号、文件路径，文件路径处有存放诊断算法变量数据的“.mat”文件、存放功能函数的m文件；输出数据包括故障诊断结果；MATLABscript节点执行文本包括算法主文件。

如图6所示，故障诊断专家系统的具体工作流程包括两个步骤，第一步为软件平台的初始化配置，第二步为故障诊断操作流程。

软件平台的初始化配置主要指故障诊断的数据源配置。为了节省计算机资源，在每台计算机上第一次运行时，手动运行一次自动配置程序。操作分为两步，第一步为选择数据库文件，第二部选择“配置”按钮即可。

故障诊断操作流程主要分为四步：1)选择要进行诊断的数据并输入；2)对输入数据进行动态显示与故障诊断；3)对诊断结果进行记录、过滤汇总以及显示；4)对故障汇总结果的导出与保存。

结合图2，已进行过软件平台的初始化配置，此处主要详细讲述故障诊断操作流程。在打开故障诊断软件平台后，第一步进行诊断信号选择控制，包括两步，首先进行组选择，之后进行通道选择，二者顺序不能改变。第二步便可以点击“开始”按钮进行故障诊断分析。开始后，被诊断的信号会动态地显示出来，同时每组信号的诊断结果会以列表的形式展现在诊断结果中，诊断结果信号灯会根据诊断结果来显示不同的颜色，其中无故障为绿色，一级和二级故障为黄色，三级和四级故障为红色，具备一定的警示作用。点击列表中的诊断结果或者故障汇总，会在诊断信号说明框中显示详细说明，包括故障序号、故障类型、严重程度、建议采取的措施等等。在开始运行后，“开始”按钮变为“暂停”按钮，通过点击，可以暂停故障诊断过程。在暂停过程中，可以详细查看诊断结果、故障汇总，还可以导出诊断结果，保存于Excel表格中。点击“暂停”按钮后，重新变为“开始”按钮，点击可以使故障诊断继续进行，直至将被诊断信号处理完。故障诊断完成后，可以点击“退出”按钮，会弹出提示框进行确认退出，点击确定即可退出本故障诊断软件平台。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，包括：数据输入模块、数据库管理模块、故障诊断模块、数据显示模块、以及数据存储模块，其中，所述数据输入模块与所述故障诊断模块、所述数据显示模块和所述数据库管理模块分别连接，所述故障诊断模块、所述数据显示模块和所述数据库管理模块相互连接，所述故障诊断模块和所述数据库管理模块还连接所述数据存储模块，从而提供系统的各种数据服务功能，其中，所述故障诊断模块对所述数据输入模块所采集的数据进行诊断与推理，得出故障与否与故障等级，提供给所述数据库管理模块进行历史记录与数据管理，和/或导出至所述数据存储模块，或发送到所述数据显示模块进行显示，其中，所述故障诊断模块包括引擎、存放诊断算法变量数据的文件、存放功能函数的功能函数文件以及算法主文件，所述引擎用于执行算法主文件，所述诊断算法变量数据由所述功能函数或所述算法主文件进行调用，且设置成可按需进行扩展增加；所述的功能函数由所述功能函数文件或所述算法主文件进行调用，所述故障诊断算法通过增加所述功能函数文件来进行扩展；所述算法主文件为执行算法的起始文件，其构建故障诊断算法所实现的框架，并与图形化编程软件接口进行直接交互。

2.如权利要求1所述的高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述系统具有以LabVIEW图形化编程软件实现的软件平台框架，所述软件平台框架包括人机交互界面和后台处理程序，优选地，所述人机交互界面包括故障诊断标题、数据输入选择列表、流程控制及保存数据按钮、当前诊断数据组数及信号波形显示、当前诊断结果故障等级指示灯、当前及历史诊断结果表格显示、故障汇总结果表格显示、故障说明文本框显示、或当前日期及时间显示，或上述选项的组合。

3.如权利要求2所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述后台处理程序包括初始化模块、流程控制模块、显示处理模块或后台接口模块。

4.如权利要求3所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述初始化模块实现软件中路径的设置、表头及表格的初始填写、指示灯的初始设置、按钮信息的初始显示、图像的清空、或对程序开始运行时系统参数的设置以保证程序能够稳定正确运行，或上述选项的组合。

5.如权利要求3所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述流程控制模块包括后台对按钮、表格的点击响应处理，用于将用户操作传递给相应模块，控制其完成开始运行、中间暂停、循环执行、或结束运行操作，或上述选项的组合。

6.如权利要求3所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述显示处理模块包括对程序运行过程中故障等级警示灯与控制按钮颜色的设置、保存数据按钮使能的设置、故障诊断结果动态显示处理、故障汇总过程对数据的过滤，或从波形、颜色、文字方面与用户进行信息交互，或上述选项的组合。

7.如权利要求3所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述后台接口模块包括LabVIEW与MATLAB交互接口、LabVIEW与Access交互接口、LabVIEW与TDMS文件交互接口、LabVIEW与Excel交互接口，用于实现故障诊断、与数据库交互信息、导入测试数据、保存故障汇总数据。

8.如权利要求1至7任一项所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述数据库管理模块的数据库服务基于关系数据模型和TDM数据模型联合实现，具体地，基于MicrosoftOfficeAccess软件与TDMS文件联合实现。

9.如权利要求1至8任一项所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，所述故障诊断模块由MATLAB工程软件实现。

10.如权利要求9所述的一种高可扩展性故障诊断专家系统，其特征在于，LabVIEW与MATLAB交互接口由MATLABscript节点实现；MATLABscript节点包括输入数据、输出数据、及MATLABscript节点执行文本；所述输入数据包括采集到的分组数据信号及文件路径，所述文件路径处有存放所述诊断算法变量数据的“.mat”文件、存放所述功能函数的m文件；所述输出数据包括故障诊断结果；所述MATLABscript节点执行文本包括所述算法主文件；优选地，所述故障诊断模块的故障诊断算法由基于深度神经网络的故障分类算法实现。