基于专家系统的故障诊断

基于专家系统的故障诊断一基本概念1.专家系统的定义专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。

也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。

2.专家系统的要素（基于规则的专家系统的结构）具备应用领域的专家级知识能模拟专家的思维能达到专家的结题水平二专家系统的推理机制1 推理方式（5类）1 演绎推理规划推理默认推理2 确定性推理不确定性推理3 单调推理非单调推理4启发式推理非启发式推理5 基于知识的推理统计推理直觉推理2 推理控制策略正向推理逆向推理混合推理双向推理3 模式匹配对两个知识模式的比较和耦合，即检查两个知识模式是否完全一致或近似一致如果完全一致或者虽然不完全一致但其相似程度落在指定范围，则称可匹配4 冲突消解策略1 按针对性排序2按已知事实的新鲜性排序3按匹配度排序4根据专业领域特点排序5按荣誉限制排序6按条件个数排序三专家系统的知识库知识库用来存放专家提供的知识。

专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。

一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。

人工智能中的知识表示形式有产生式、框架、语义网络等，而在专家系统中运用得较为普遍的知识是产生式规则。

产生式规则以IF…THEN…的形式出现，就像BASIC等编程语言里的条件语句一样，IF后面跟的是条件（前件），THEN后面的是结论（后件），条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。

在这里，产生式规则的理解非常简单：如果前提条件得到满足，就产生相应的动作或结论。

四污水处理厂故障诊断专家系统案例分析开发了一个用于诊断城市污水处理厂日常运行故障的专家系统。

系统采用了正反向混合推理机制，并采用故障树的形式将知识库中的知识组织形式向用户公开，便于用户使用和对系统的维护。

现已用于北京某污水处理厂中。

关键词专家系统故障诊断活性污泥法污水处理厂运行（一）背景：经验表明，城市污水处理厂长期稳定运行是较为困难的，在一些污水处理厂理效果不佳、运行费用高和污染环境等现象常常是由运行的问题引起的。

由于针对污水处理厂日常运行问题的解决策略在书籍中难以找到，长期以来运行人员往往是根据多年积累的经验对污水处理厂进行管理。

然而这些经验的积累要求具有较长时间的实际操作经验和广泛的知识，所以只为少数人员所掌握。

目前我国环境保护事业正在蓬勃发展，各地新建了不少城市污水处理厂。

在这些新建的污水处理厂中，由于缺乏有经验的运行管理人员，污水处理厂的运行就显得更加困难。

因此十分有必要开发一套用于指导城市污水处理厂日常运行的决策支持系统。

根据目前的实际情况采用专家系统是较好的解决方法。

（二）专家系统功能：1 、本专家系统是污水处理厂日常运行决策支持系统的一个组成部分，其主要功能为：1故障诊断功能：根据用户输入的数据和信息，对污水处理厂的实际运行情况作出分析，确定运行中出现的问题并给出解决的办法。

2 故障检索功能：对污水处理厂运行中经常出现的问题，采用故障列表的形式进行检索，对具体的故障给出原因和解决策略的详细分析。

3活性污泥法的培训功能：充分利用计算机多媒体的优势，运用文字、图形等多种方式向用户介绍活性污泥法的有关知识，对污水处理厂的职工进行培训。

2 、本专家系统和污水处理厂日常运行决策支持系统的另一个组成部分———0123 模型数值模拟软件相互支持、相互验证，共同为污水处理厂的日常运行提供帮助。

（三）专家系统的开发软件设计基于windows95或更高版本的操作系统，采用visual sudio 6.0版本作为开发工具，其中采用visual basic6.0作为专家系统的开发工具，采用microsoft access6.0为相应的数据库开发工具，在数据库的操作中，采用microsoft transact-SQL的结构化查询语言。

系统的开发过程可以分为以下几个步骤。

1 知识的获取这是专家系统开发过程中最为重要的阶段。

专家系统的成功在很大程度上取决于从人类专家处获得的知识。

在本系统的开发过程中，从水处理专家、污水处理厂工程师、实际运行人员和运行指导书籍中获得了大量有用的知识。

2 知识的转化在系统的开发过程中，采用假设和结论的形式将从人类专家处获得的知识转化成为适合于计算机表达的形式，存储在系统的知识库中。

在此过程中，不断从人类专家处获得反馈信息，及时对知识转化和表达中出现的错误进行修改。

3专家系统的构建根据知识库的结构，确定推理的方式并编程实现推理，开发友好的用户界面，实现和完善专家系统的功能。

4专家系统的验证在本专家系统开发完成以后，首先由水处理专家对知识的转化过程进行了验证，确定污水处理的知识被正确地转化成为知识库中的知识；然后针对污水处理厂中的具体问题，与人类专家给出的解决方案比较，验证专家系统的准确性。

本专家系统的验证工作是在北京某污水处理厂进行的，根据实际使用情况，对知识库中不合理的规则和知识表达形式进行了修改。

（四）专家系统的总体结构1 知识库从人类专家处获得的知识，经过组织后以规则IF⋯，THEN⋯的形式存储在知识库中。

根据以往的经验，知识的良好组织是系统能够灵活应用的必要条件［)］。

为此知识库采用了模块化结构，即把知识分成若干相互独立的知识库，如故障诊断知识库，故障检索知识库，活性污泥法培训知识库等。

系统在工作时，推理机根据实际情况将相应的知识库调入内存使用。

为了便于用户根据自身的实际情况对知识库进行相应的修改和完善，系统采用了故障树的形式将污水处理厂故障诊断知识库向用户公开。

故障树的方法本质上是一个分解的等级逼近法：从故障树的根结点出发，通过对输入信息的分析以及运行人员和系统之间的交流，将故障逐级分解，直至找到引起污水处理厂运行故障的基本原因，最后给出故障的解决方案2 推理机包含解决问题的策略和推理方法，接收从“人机界面”部分传送来的信息，根据数据库汇总的记录，调用知识库中的有关知识对该信息进行相应的处理，并将处理结果送往人机界面或其它结构。

本系统在运行过程中，根据不同情况，采用不同的推理机制。

由于故障诊断是一个典型的解析问题的过程，而决策过程则是一个典型的合成过程，所以在故障诊断过程中使用与其特点相适应的反向推理机制，在决策过程中使用与其特点相适应的正向推理机制,这两种推理机制的混合使用，使系统避免向使用人员提出冗余的问题，从而使提出的问题数最少，方便了用户和系统的交流，提高了运行速度。

3 数据库存放所有的原始数据资料，求解过程中的中间数据、动态数据查询表、最后结果及推进记录。

4 用户接口负责将用户输入的信息转化成系统内规范化的表示形式，再把这些内部表示交给相应的模块去处理，系统输出的内部信息也由它转化成用户易于理解的外部表示形式显示给用(五) 专家系统的应用实例本专家系统在北京某污水处理厂的运用中已取得实际效果。

该污水处理厂长期在污泥浓度较低（1000mg/L) 左右）的情况下运行，存在的主要问题有：氨氮基本得不到去除（平均去除率低于5%），总氮去除率低（平均去除率低于20%），曝气池白色泡沫过多，二沉池内藻类滋生等。

专家系统对该污水处理厂近! 年的运行数据和现象进行了分析，认为这些问题是相互联系的，主要原因是：剩余污泥排放量过大，污泥龄短。

由于硝化细菌的生长需要较长的时间，在该厂的运行条件下，污泥龄小于硝化细菌的世代时间，曝气池中的硝化细菌流失殆尽，硝化反应不能正常进行，氨氮得不到去除。

出水中氮磷等营养元素浓度高导致了二沉池中藻类的滋生。

同时，曝气池出现大量白色泡沫也表明污泥龄短，污泥不成熟。

以上诊断得到了水处理专家、污水处理厂工程师的认可，并且得到了IAWQ模型数值模拟软件的模拟计算结果的验证（硝化细菌浓度近似为零）。

针对这些问题，系统给出了相应的解决办法：增加污泥回流比、降低污泥排放率、提高曝气池污泥浓度和延长污泥龄。

并对各解决办法的执行过程进行了具体的解释。

这些对策的正确性得到了水处理专家的证明，表明了本专家系统能够完成故障诊断并给予解决的功能。

（六）结论（1）本系统具有以下特点：准确性：收集整理了大量水处理专家、污水处理厂工程师等的专业领域知识，确保了知识来源的准确性；建立了准确的知识库和高效的推理机，保证了结论的准确性。

通用性：实现了知识库和推理机的分离，使解决问题的知识和使用知识的程序分离开来，保证了专家系统的透明性和灵活性，提高了系统的可移植性，通过对知识库的修改，可以适用于不同的污水处理厂。

方便性：用户界面简单易学，用户不必经过专门的培训就能够使用本系统，适合于污水处理厂日常的运行管理人员使用。

（2）专家系统内包含了完整的有关活性污泥法处理工艺的知识，可以对污水处理厂内职工进行培训指导。

（!）本专家系统作为污水处理厂日常运行决策支持系统的一部分，和数学模型模拟计算部分（IAWQ模型）相互支持，能更好地为污水处理厂运行决策提供帮助。