專利名稱：快速故障診斷推理機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
推理機是專家系統(tǒng)的主要組成部分，故障診斷推理機能夠根據(jù)檢測到的故障征兆，利用規(guī)則和故卩章征 兆進行推理運算，最終得到故障征兆所表征的故障。當檢測信息量大，信息更新速度快，故障診斷需要在
短時間完成時，反復(fù)讀取數(shù)據(jù)庫中的規(guī)則的推理方式，推理速度較慢，增加了整個診斷系統(tǒng)的運行時r司。
本發(fā)明目的是實現(xiàn)故障診斷的快速推理。
背景技術(shù)：
在航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域中，系統(tǒng)組成龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性要求高，要求系統(tǒng)具有實時故障 檢測、診斷能力。因此在設(shè)計上述系統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)時，需要設(shè)計推理速度快速、可靠性高的推理
機。常見的故障診斷專家系統(tǒng)，采用"IF THEN"型規(guī)則表示形式，利用數(shù)據(jù)庫軟件存儲規(guī)則，推理機采 用字符串比較方式，逐條從數(shù)據(jù)庫中讀取規(guī)則，與征兆進行匹配運算。常見的推理機在逐條讀取數(shù)據(jù)庫規(guī) 貝U、字符串比較匹配運算過程中，時間開銷大，影響推理速度。
故障診斷所需的規(guī)則事先存放在數(shù)據(jù)庫文件中，故障診斷專家系統(tǒng)可以設(shè)置知識庫管理組件對規(guī)卯J進 行管理。規(guī)則的"IF"部分是規(guī)則前件，表示規(guī)則成立的前提條件，規(guī)則前件中包含事實和其它規(guī)則的結(jié) 論。"THEN"部分是規(guī)則結(jié)論，代表某種系統(tǒng)故障。當規(guī)則前件全部滿足時，可推出規(guī)則結(jié)論。設(shè)規(guī)貝U i 表示為式l-
式1表示的規(guī)則i內(nèi)容是如果事實f,…，《與結(jié)論/p…，人同時被滿足，則可以得到結(jié)論/,。
為滿足某型號運載火箭分布式故障診斷的實時性要求，在分析常見推理機的時間開銷因素發(fā)現(xiàn)，當規(guī) 則庫和故障征兆信息量龐大時，推理機讀取調(diào)用規(guī)則的時間占整個推理時間的絕大部分。因此，減少讀取 調(diào)用規(guī)則的時間，可以提升推理速度。本推理機采用位向量存儲"IF THEN"型規(guī)則，在故障診斷前，一 次性從數(shù)據(jù)庫中讀入規(guī)則，以位向量的形式把規(guī)則庫存放在計算機內(nèi)存中，減少了推理過程調(diào)用規(guī)則的時 間開銷。位向量以計算機位為單元存儲數(shù)據(jù)，內(nèi)存占用少，可以存儲大量規(guī)則。本推理機為配合規(guī)則存儲 方式，采用位向量邏輯運算推理算法，進行匹配運算。位邏輯運算是計算機底層計算模式，計算速度快。 本發(fā)明有效的提高了推理算法的速度。
通過在某型號運載火箭分布式故障診斷專家系統(tǒng)實際應(yīng)用本推理算法，經(jīng)測試比較表明，本算法在推 理用時、計算機內(nèi)存開銷上優(yōu)于常見的故障診斷推理機。

發(fā)明內(nèi)容
快速故障診斷推理機是故障診斷專家系統(tǒng)主要組成部分，在專家系統(tǒng)接收到故障征兆后自動運行，首 先將接收到的故障征兆保存在事實黑板中，事實黑板在計算機內(nèi)存中以位向量的形式存儲；在專家系統(tǒng)開 始運行時，推理機將所需的規(guī)則以位向量的形式一次性載入到計算機內(nèi)存中，并根據(jù)規(guī)則的重要等級i講規(guī) 則位向量進行排序，保證重要的規(guī)則在推理時得以首先匹配；推理機利用事實黑板，先與規(guī)則事實前f畔進 行位向量邏輯運算，更新結(jié)論黑板后，利用結(jié)論黑板與規(guī)則結(jié)論前件進行位向量邏輯運算，達到規(guī)則匹配 的目的。規(guī)則匹配成功后產(chǎn)生的結(jié)論，保存在結(jié)論黑板中，當結(jié)論黑板沒有更新時，表明推理結(jié)束，結(jié)論 黑板中的內(nèi)容就是診斷出的故障，將輸出給故障診斷專家系統(tǒng)的人機界面。為實現(xiàn)故障快速診斷，快速故 障診斷推理機包含一下技術(shù)內(nèi)容故障征兆、規(guī)則載入；分級推理；規(guī)則快速匹配算法；事實前件推理和 結(jié)論前件推理。
故障征兆、規(guī)則載入進行故障快速診斷前，預(yù)先在系統(tǒng)所運行的計算機內(nèi)存中載入知識庫(知iR庫 載入部分在分報告中另有詳細介紹)，其中包括對知識規(guī)則的載入，規(guī)則載入的模式將決定規(guī)則匹配和推 理的方法、效能。規(guī)則可分為規(guī)則編號、規(guī)則事實前件、規(guī)則結(jié)論前件、結(jié)論前件存在標識、規(guī)則結(jié)論、 規(guī)則重要性、規(guī)則解釋評估七個部分載入。與故障快速推S相關(guān)的規(guī)則事實前件、規(guī)則結(jié)論前件采用位向 量形式描述，用C++ STL中的bitset類進行定義。故障征兆位向量表示形式與規(guī)則事實前件位向量表示 形式一致。
分級推理故障快速診斷過程中，如果被測系統(tǒng)發(fā)生危險級別較高的故障時，系統(tǒng)能快速檢驗出來，
并顯示故障內(nèi)容。分級推理是在故障快速診斷前，對載入的規(guī)則按規(guī)則的重要等級進行重新排序，將重要 等級高(意味著如果該規(guī)則匹配成功，所得到的故障對被測系統(tǒng)危害性高)的規(guī)則放在規(guī)則序列的前面， 故障快速診斷中會首先得到匹配。
規(guī)則快速匹配算法，采用位與運算模式進行匹配，此方法在匹配速度上優(yōu)于通常所采用的循環(huán)比較推
理算法。位與運算在CPU運算中是最直接的底層運算模式，采用此方法大大節(jié)約了匹配的時間開銷。位與
邏輯易于理解，描述匹配過程直觀，不會產(chǎn)生匹配錯誤。采用位與算法，保證了故障診斷的快速性和準確 性。
事實前件推理和結(jié)論前件推理推理過程中要兼顧推理速度和推理的完全，因此采用事實前件推理和
結(jié)論前件推理結(jié)合的推理模式，首先對規(guī)則的事實前件進行匹配，記錄下故障征兆滿足事實前件的規(guī)則， 然后在對記錄下的規(guī)則進行結(jié)論前件的匹配，此種方式縮小了推理過程中對規(guī)則的遍歷范圍，就能快速準 確的找到被測系統(tǒng)的故障。
通過以上設(shè)計，有效的支持了故障快速推理的功能實現(xiàn)，完成了故障快速診斷技術(shù)要求。位向量的使 用是本發(fā)明的核心，以下對位向量的表示與邏輯運算做具體解釋。
故障征兆、規(guī)則位向量表示方法
首先定義位向量類型，向量中每個位代表一個事實/結(jié)論，向量的長度值大于知識庫中事實/結(jié)論的數(shù)
量。位向量第i位置l，表示該規(guī)則前件中包含第i個事實/結(jié)論，位向量第j位置0，表示該規(guī)則前件中不 包含第j個事實/結(jié)論。然后，讀取全部規(guī)則到計算機內(nèi)存中，組成規(guī)則類數(shù)組。
定義事實黑板和結(jié)論黑板-
黑板是故障診斷專家系統(tǒng)保存推理過程中所需數(shù)據(jù)的空間。根據(jù)獲得的故障征兆，對事實黑板各位進 行附值，定義事實黑板的代碼如下
bitset〈BITSIZE〉 factBlackboard; 〃事實黑板
事實黑板同規(guī)則事實前件的數(shù)據(jù)形式保持一致，其位向量長度與規(guī)則事實前件相等，向量中每一位代 表的事實，對應(yīng)規(guī)則前件相同位置的位所代表的事實。例如故障征兆為K,g,F，，事實黑板的第4、 5、 n位值為l,其余各位值為0，表示事實^，A,《存在。
如果規(guī)則前件匹配成功，該規(guī)則的結(jié)論記錄到結(jié)論黑板中，定義結(jié)論黑板的代碼如下 bitset<BITSIZE> resultBlackboard; 〃結(jié)論黑板
結(jié)論黑板與規(guī)則結(jié)論前件數(shù)據(jù)形式保持一致，在推理運行前，結(jié)論黑板各位數(shù)值均為0,表示沒有診 斷出任何故障。當推理得到結(jié)論/,時，結(jié)論黑板向量的第k位置為l。
位向量邏輯運算
對事實黑板與各個規(guī)則事實前件、結(jié)論黑板與各個規(guī)則結(jié)論前件的位向量邏輯"與"運算，通過比較 "與"運算結(jié)果同規(guī)則前件是否相等，判斷規(guī)則是否匹配成功。對某個事實/結(jié)論而言，"&"運算符左側(cè) 的數(shù)值代表在規(guī)則前件中的存在情況，"&"運算符右側(cè)的數(shù)值表示在黑板中的存在情況。當規(guī)則前件中所 有的事實/結(jié)論，在事實/結(jié)論黑板中都存在時，則該規(guī)則匹配成功。此種情況所包含的"與"運算式為-0&1 = 0、 1&1'1、 0&0 = 0。以上三個等式中，"&"左側(cè)數(shù)值都等于"="右側(cè)的數(shù)值。即位向量"&" 運算結(jié)果與規(guī)則前件位向量相等時，規(guī)則前件匹配成功。當規(guī)則前件中某個事實/結(jié)論在黑板中不存在時， 則規(guī)則前件匹配不成功，即位向量"&"運算結(jié)果與規(guī)則前件位向量不相等。
將規(guī)則前件與黑板的匹配，轉(zhuǎn)化成規(guī)則前件位向量和黑板位向量"與"運算結(jié)果，與規(guī)則前件的比較。 兩者相等則表示規(guī)則前件匹配成功，不相等則表示匹配失敗。規(guī)則的事實前件、結(jié)論前件都匹配成功時， 則規(guī)則匹配成功，即得到該規(guī)則的結(jié)論。


圖1:快速故障診斷推理機功能結(jié)構(gòu)圖； 圖2:規(guī)則前件載入流程圖； 圖3:事實黑板設(shè)置流程圖； 圖4:位向量邏輯算法舉例示意圖； 圖5:事實前件推理算法程序流程圖； 圖6:結(jié)論前件推理算法程序流程圖。 難錯誠 圖1:
在C++ Builder編程環(huán)境下，對本發(fā)明進行編程實現(xiàn)，推理機各主要功能組件關(guān)系如圖1所示l為
故障診斷推理機與外部的數(shù)據(jù)接口，用以讀取故障測試到的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)被處理成表示故障征兆是否
存在的狀態(tài)量；3為寫入事實黑板模塊，將1傳送的數(shù)據(jù)表示成位向量的形式；2為信息存儲單元中保存 管理的規(guī)則知識庫，故障診斷所需規(guī)則以數(shù)據(jù)庫的形式被保存；4為規(guī)則載入模塊，在故障診斷開始之前， 4被執(zhí)行，將2中的規(guī)則以位向量的形式保存在內(nèi)存中，在保存規(guī)則時，4會按照規(guī)則重要等級對規(guī)卯J進 行排序；5為推理機進行匹配運算的核心模塊，當4中成功載入規(guī)則，3中的事實黑板得以更新時，5被自 動啟動，5中首先進行一次規(guī)則事實前件與事實黑板的匹配，得到滿足事實前件的規(guī)則列表，然后循環(huán)進 行規(guī)則結(jié)論前件與結(jié)論黑板的匹配，直至結(jié)論黑板沒有更新，5運行結(jié)束；6為推理機與故障診斷專家系 統(tǒng)的接口，推理機的運行結(jié)果，通過6出給專家系統(tǒng)人機界面。
圖2:
規(guī)則前件即規(guī)則的前提條件，是規(guī)則匹配的依據(jù)，當規(guī)則前件得到完全滿足后，規(guī)則匹配成功，得到 規(guī)則的結(jié)論。規(guī)則前件定義如下
bitset〈BITSIZE〉 *factreason:〃規(guī)則的事實前件； bitset〈BITSIZE〉求resultreason:〃規(guī)則的結(jié)論前件；
規(guī)則前件采用位邏輯形式描述，用C++ STL中的bitset類給予定義。載入程序流程如圖2所示在 專家系統(tǒng)運行之前，推理機逐條讀取規(guī)則知識庫中的規(guī)則，依次用位向量來表示規(guī)則前件中的事實和結(jié)論， 直至讀完最后一條規(guī)則。
舉例說明，假設(shè)在故障診斷知識庫中有N個事實和M個結(jié)論，規(guī)則i如式2所示
<formula>formula see original document page 6</formula>
規(guī)則i在內(nèi)存中表示成三部分:
*規(guī)則事實前件位向量向量長度大于N，向量中第2、 4、 n位值為l,其余各位值為0;
*規(guī)則結(jié)論前件位向量向量長度大于M,向量中第l、 m位值為l,其余各位值為0; *規(guī)則結(jié)論為整數(shù)值k。
假設(shè)故障診斷知識庫中有1024條事實、1024條結(jié)論、1024條規(guī)則。按8位一個字節(jié)，整型數(shù)據(jù)占4 個字節(jié)計算，通過本方法將所有規(guī)則載入內(nèi)存后，所占內(nèi)存空間約為260k?？梢娎梦幌蛄康男问?，在計 算機內(nèi)存中保存大量規(guī)則，內(nèi)存資源開銷少。使用0++ STL中的"bitset"類，可以實現(xiàn)推理規(guī)則位向量 數(shù)據(jù)類型定義。定義規(guī)則位向量程序代碼如下(BITSIZE為大于事實/結(jié)論數(shù)量的常數(shù)值)
bitset<BITSIZE> *factreason; 〃規(guī)則事實前件
bitset<BITSIZE> *resultreason; 〃規(guī)則結(jié)論前件
int *rule—base—result; 〃規(guī)則結(jié)論
推理規(guī)則位向量表示方法具有程序?qū)崿F(xiàn)簡便、占用內(nèi)容空間少等優(yōu)點。
分級推理是在故障快速診斷前，對載入的規(guī)則按規(guī)則的重要等級進行重新排序，使故障快速診斷中會 首先得到匹配。規(guī)則重要等級有5級，數(shù)值5表示最為重要的規(guī)則，l為重要性最弱的規(guī)則，排序時先逐 條讀取規(guī)則重要等級值，如果值為5，這把該規(guī)則序號放置在預(yù)先定義好的診斷規(guī)則列表中。然后再依次 找重要等級為4、 3、 2、 1的規(guī)則，依次把規(guī)則序號放入規(guī)則列表中，在推理時，程序會按照列表的規(guī)則 順序進行規(guī)則匹配。
圖3:
推理機匹配過程中，程序首先要建立其事實黑板和結(jié)論黑板 bitset〈BITSIZE〉 factBlackboard;〃事實黑板。 bitset〈BITSIZE〉 resultBlackboard:〃結(jié)論黑板。
事實黑板中存儲的是系統(tǒng)檢測得到的征兆數(shù)據(jù)，在診斷前需要按照征兆數(shù)據(jù)內(nèi)容對事實黑板進4亍設(shè) 置。設(shè)置流程如圖3所示，結(jié)論黑板記錄了匹配成功后得到的規(guī)則結(jié)論，在推理前聲明就可以了，在 夷層 推理和深層推理中隨著規(guī)則匹配成功而不斷擴充，并最為深層推理的中的匹配依據(jù)。事實黑板與事實前件 匹配，結(jié)論黑板與結(jié)論前件匹配，匹配算法是一致的。
圖4:
匹配過程將規(guī)則(事實、結(jié)論)前件與(事實、結(jié)論)黑板匹配，返回匹配是否成功的結(jié)論，算法實 現(xiàn)示意圖如圖4所示，規(guī)則事實/結(jié)論前件第2、 6位為1，其余各位均為0，表示該規(guī)則前件中包含第2、 6個事實/結(jié)論。事實/結(jié)論黑板第2、 4、 6、 8、 9……位為l，表示第2、 4、 6、 8、 9……事實/結(jié)論已經(jīng)存 在。兩者位向量"與"運算之后所得到的結(jié)果，等于規(guī)則前件，則說明規(guī)則前件匹配成功。兩者按位相與， 得到的結(jié)果按位與運算結(jié)果所示。如果兩個匹配成功，則按位與運算結(jié)果同前件是相等的，如果沒有匹配 成功，兩者不相等。由此可以判斷規(guī)則與黑板是否匹配成功。
圖5:
事實前件推理是在得到故障征兆，并將征兆表示成位向量形式的事實黑板之后，利用事實黑板位向量， 按照規(guī)則重要等級順序，逐條與規(guī)則事實前件位向量進行位向量邏輯運算的過程。位向量邏輯運作中會產(chǎn) 生三種結(jié)果1、位向量邏輯與的結(jié)果不等于規(guī)則事實前件位向量，表示現(xiàn)有故障征兆不能滿足該規(guī)貝U， 該規(guī)則在此次診斷中不被釆用；2、結(jié)果相等，并且該規(guī)則沒有結(jié)論前件，表明規(guī)則前件完全得到滿足， 該規(guī)則被激活，規(guī)則的結(jié)論成立，被記錄到結(jié)論黑板中；3、結(jié)果相等，但規(guī)則還存在結(jié)論前件，表示規(guī) 則還需要在結(jié)論前件推理中進一步驗證，這部分規(guī)則被記錄下來。
圖6:
結(jié)論前件推理是一個循環(huán)過程，事實前件推理結(jié)束后，存在需要近一步推理的規(guī)則記錄時，結(jié)論前件 推理開始，當規(guī)則前件滿足后，該規(guī)則的結(jié)論載入到結(jié)論黑板，直至結(jié)論黑板沒有更新，才停止結(jié)論前件 推理，整個推理過程結(jié)束。
權(quán)利要求
1. 一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有至少一個信息存儲單元，用于存儲故障診斷所需規(guī)則；具有至少一個計算機單元，用于接收故障檢測的征兆信息，用位向量表示；將規(guī)則表示成同長度的位向量形式，一次性載入計算機內(nèi)存；使用位向量邏輯運算實現(xiàn)故障診斷快速推理；其特征是，以位向量表示規(guī)則將推理所需規(guī)則整體載入內(nèi)存；接收到故障征兆后，將故障征兆表示成位向量；進行位向量邏輯運算，實現(xiàn)快速知識匹配推理。
2. 如以上權(quán)利要求所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征是 在存儲單元中存放故障診斷所需規(guī)則。
3. 如以上權(quán)利要求所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征是 以位向量表示規(guī)則，在推理前一次性將規(guī)則讀入到計算機內(nèi)存中。
4. 如以上權(quán)利要求所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征是 接收到的故障征兆信息以位向量形式表示，并啟動推理算法。
5. 如以上權(quán)利要求所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征是利用故障征兆位向量和規(guī)則位向量進行位邏輯運算，實現(xiàn)規(guī)則匹配推理。
全文摘要
本發(fā)明涉及故障診斷推理機，其用于通過位向量表示故障檢測所得到的征兆信息，用同長度的位向量表示出所有故障診斷需要的規(guī)則，按位向量邏輯運算，實現(xiàn)快速故障診斷。規(guī)則表示成位向量形式，載入計算機內(nèi)存，可以接受內(nèi)存空間，避免推理過程中對規(guī)則數(shù)據(jù)庫反復(fù)讀去，減低規(guī)則使用時間的開銷，提升推理速度。計算機處理位向量邏輯運算快速，使推理機進行規(guī)則匹配處理速度得以進一步提升。該系統(tǒng)可在被測試系統(tǒng)規(guī)則知識庫龐大，檢測信息量大的情況下，進行快速故障診斷推理。本發(fā)明已在某型運載火箭故障診斷專家系統(tǒng)的研制中得以應(yīng)用。
文檔編號G06N5/04GK101388085SQ20071015120
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者李清東 申請人:李清東