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摘要：本文将以空调器为研究对象，讨论在线检测及其实现技术，并结合空调系统的控制要求，对故障诊断专家系统的系统结构、特性、知识库构建以及推理机制做出一定的探讨。从而实现空调器故障诊断专家系统的构建，达到较好的控制空调系统的目的。
关键词：专家系统 故障诊断 空调
1 概述
近年来，随着人们生活水平的不断提高，空调已经得到广泛应用。它能够使人们的生活环境更舒服，但是也给相关的技术人员提出了一些要求，比如怎样才能更好地保持空调的正常运行，怎样才能对正在运行的空调系统实时在线检测，并且能够及时排除故障等。将专家系统应用到故障检测领域，充分利用专家积累的经验知识，模拟人的逻辑思维进行推理来解决实际问题，可降低对专家的依赖，减轻设备管理人员的工作量，减少人为失误，使计算机可以高效、准确地从事大型制冷设备的维护管理工作，也有利于专家从这些工作中解脱出来，使他们有更多的时间和精力去研究本领域中的一些有规律的实质性问题。
2 实时故障诊断专家系统的实现
2．1 系统结构
2.1.1 专家系统的结构
专家系统的主要模块有：故障诊断知识库，故障诊断推理机，故障诊断综合数据库，解释程序，空调状态知识获取和人机接口。其中知识库和故障综合数据库为系统的基本数据库。
2.1.2 空调状态检测系统结构
空调器状态检测系统主要核心部分由：传感器子系统、数据采集子系统和计算机信号分析子系统。当然，另外也包括数据分配子系统、基本输入输出(I/O)子系统。
2.2 知识表示
2.2.1 知识表示需求
针对解决问题的需要，空调器的诊断知识应包括如下六个方面：
①设备运行的维护经验；
②机械设备结构原理及功能知识；
③诊断案例知识；
④设备运行状态知识；
⑤征兆知识；
⑥推理机制。
2.2.2 知识表达
知识是专家的经验知识，是专家经过不断的实践积累获得的，适宜用产生式规则表示，因为系统设备有很多种，结构上也存在着许多差异，这样就会使得规则库非常大，而且不一样的设备出现故障的模式和原因也是不一样的，因此各规则的针对性和适用性并不是统一的。如我们可以用式子IF<故障现象>，THEN<结论>，CF来表示模糊推理规则的关系。在这个式子中，规则可信度用CF来表示， [-1，1] 为其取值区间，它表示的是规则条件为真时对结论的信任程度；当CF=1时，表示是确定性规则。我们可以以标识的形式给规则做一个明确的分类。这样不仅能够更快地检索到规则，还能够把某些专用规则区分出来，适应了系统的诊断要求。
2.2.3 知识库建立
首先建立规则库，这里需要注意两点：最大限度地简化定义规则的充分条件，防止冗余情况的发生；规则间不要有冲突。
下面向我们展示了本系统有关空调器的很多诊断规则，括号中的数字表示可信度，缺省状态下可信度为100%：
规则1：如果空调器产生了不制冷的情况，但是却没有发现压缩机及室内外风扇有任何的异常，而且旋松室内外机连接阀接头螺母无法喷出制冷剂，那么造成这种现象的原因是系统发生泄漏（90%）。
规则2：如果空调器不制冷且冷凝器不热，蒸发器不冷且，万用表检查控制电路正常压缩机运转正常，制冷剂无泄漏 则室内外机连接阀未打开（60%）。
…… …… ……
规则N：如果空调器制冷效果好且噪声大则机内运转产生的异常声音（80%）安装不当引起（60%）。
将以上的规则输入数据库，完成知识库的建立，然后等待调用。
2.2.4 知识库维护
在知识库初始化时，大量收集知识的同时，还要提供一些获取知识的工具，这样就能够更好地保障现场技术人员及相关专家将新知识写入知识库更方便，从而不断地完善知识库性能。我们可以运用知识调整方式处理新知识，视新知识输入知识库为正确，也就是说我们可以通过知识获取工具中的“检查”功能对新写入的规则进行检查，并且还要对已存在的知识进行检测处理，如果发现有冲突的情况，用新知识调整更新。
在对知识库进行维护时，我们要保证新增加的知识或者是改动过的知识与原有的知识是一致的，不能出现重复的现象，也不能有冗余或者是冲突，如果一旦有重复的，那么就一定要删除与之重复的知识。我们可以通过调用检查函数来检查是不是有重复的现象。
2.3 推理机
基于知识的诊断推理的计算机实现构成了诊断推理机，从本质上来讲就是一组计算机程序，可以用来控制、协调整个专家系统。推理机的设计要包括推理方法、推理方向和搜索策略。
2.3.1 推理方法与控制策略
知识具有不确定性。本系统中，规则的不确定是由可信因子CF说明的，规则的如果部分和规则部分的CF决定了该规则输出结论的CF。结论的CF是经过如下两个步骤得到的：①计算如果部分的CF，如果部分的CF的有效值是由各个如果子句的CF值以及连接它们的逻辑联结词综合决定的。假如各个如果子句由“与”联结，则各个如果子句CF值的最小值就是该如果部分CF的有效值；当如果子句是由“或”联结时，各如果子句CF的最大值就是该如果部分CF的有效值。②运用简单的算术乘法可以将如果部分的CF和规则部分的CF合成为一个数值，这个数值就是规则结论的CF值。
2.3.2 推理的方向
常用的推理策略有正向推理、反向推理和混合推理。正向推理是指从原始数据和已知条件推断出结论的方法，故又称为数据驱动策略或有底向上策略；本系统知识库采用正向推理的策略。
正向推理一般包括：一组初始事实和终止条件、一组正向规则和正向推理机。
给出了终止条件，系统相当于只是求证目标；若是不给出终止条件，正向推理在两种情况下可以自动停止：①推理达到推理网络的目标终点时；②没有新的可供使用的规则时，系统将目前已经推出的事实（中间结论）作为输出目标；或认为没有解。 通常情况下，系统知识库中存在若干条规则，这些规则中的任何一条的前提部分的事实通常都有很多条。要想使某一规则匹配成功，必须要满足该条规则前提部分的所有事实。
2.3.3 搜索策略
根据搜索过程中是否需要智能决策，搜索策略往往包括两种：盲目搜索和启发式搜索。盲目搜索法在搜索过程中没必要了解前后相关的问题域的专门信息，而后者则需要这种信息。本系统即采用这种搜索方法，常见的盲目式搜索深度优先搜索方法：从树跟节点出发，逐步向下搜索；广度优先搜索法：在进入下一层次以前先检查处于同一层次的每一个节点，逐层进行搜索。用这种方法，在问题存在解的情况下，就能够最快地查到解。但是当搜索的深度越来越大时，搜索节点可能会变多，这样所用的时间也会越来越多。
相比较而言，不难实现深度优先，根据本系统的特征，我们不仅要做到深度优先，并将空调器的类型分类，这样就能够用更少的时间进行搜索了。
2.4 解释和咨询机制的设计
解释程序负责回答用户可能提出的各种问题，包括与系统运行有关的问题以及系统自身的问题。在本系统的解释程序设计过程中，运用预置文本和路径跟踪法。这种解释方法应用起来更简单，知识工程师在对系统每个问题的求解方法进行解释设计时，要尽量采用自然语言等一些比较容易让用户接受的形式，设计好后插入程序段或相应的数据库中，同时生成解释信息，当用户询问时，这些解释信息被填入解释框架内，形成文本的形式去解释已有征兆和用户提供征兆下所产生故障的原因。
咨询的设计目的有两个：一是向用户提供有关空调器诊断维修方面的知识，使用户能够进行这方面的咨询活动；二是向一般的用户提供学习、掌握空调器故障诊断与维修技术的手段和机会。
3 结语
随着空调在居民生活中的普及，空调的故障诊断成为一个新兴的课题，它包括了自动控制、计算机技术等许多不同领域的知识，我们需要不断地更新其知识库，本研究主要是遵循了系统工程思想，充分运用计算机人工智能技术，较好地整合了空调故障诊断专家的知识、经验和解决问题的方法，并且建成了空调故障诊断专家系统，起到了部分代替专家指导现场检修的作用，可以更准确地识别故障，并采用相应的方法解除故障，不仅能够使现场检修效率越来越高，还能够减少检修成本。
参考文献：
[1]Joseph Giarratano & Gary Riley.专家系统原理与编程[M].北京:机械工业出版社，1998.
[2]杨叔子.基于知识的诊断推理[M].北京:清华大学出版社，1993.
[3]陈焕新，张俊.客车空调机组故障诊断专家系统[J].制冷学报，2002（2）.
[4]袁洪芳，曾昆，蒋志农.FMs智能故障诊断专家系统的建立与开发[J].自动化技术与应用，2003（5）.
[5]曹元大.专家系统与数据库的结合[J].北京理工大学学报，1998.(1).
[6]罗锦.基于关系型数据库的故障诊断专家系统设计[J].电测与仪表，2002，39.
关键词：专家系统 故障诊断 空调
1 概述
近年来，随着人们生活水平的不断提高，空调已经得到广泛应用。它能够使人们的生活环境更舒服，但是也给相关的技术人员提出了一些要求，比如怎样才能更好地保持空调的正常运行，怎样才能对正在运行的空调系统实时在线检测，并且能够及时排除故障等。将专家系统应用到故障检测领域，充分利用专家积累的经验知识，模拟人的逻辑思维进行推理来解决实际问题，可降低对专家的依赖，减轻设备管理人员的工作量，减少人为失误，使计算机可以高效、准确地从事大型制冷设备的维护管理工作，也有利于专家从这些工作中解脱出来，使他们有更多的时间和精力去研究本领域中的一些有规律的实质性问题。
2 实时故障诊断专家系统的实现
2．1 系统结构
2.1.1 专家系统的结构
专家系统的主要模块有：故障诊断知识库，故障诊断推理机，故障诊断综合数据库，解释程序，空调状态知识获取和人机接口。其中知识库和故障综合数据库为系统的基本数据库。
2.1.2 空调状态检测系统结构
空调器状态检测系统主要核心部分由：传感器子系统、数据采集子系统和计算机信号分析子系统。当然，另外也包括数据分配子系统、基本输入输出(I/O)子系统。
2.2 知识表示
2.2.1 知识表示需求
针对解决问题的需要，空调器的诊断知识应包括如下六个方面：
①设备运行的维护经验；
②机械设备结构原理及功能知识；
③诊断案例知识；
④设备运行状态知识；
⑤征兆知识；
⑥推理机制。
2.2.2 知识表达
知识是专家的经验知识，是专家经过不断的实践积累获得的，适宜用产生式规则表示，因为系统设备有很多种，结构上也存在着许多差异，这样就会使得规则库非常大，而且不一样的设备出现故障的模式和原因也是不一样的，因此各规则的针对性和适用性并不是统一的。如我们可以用式子IF<故障现象>，THEN<结论>，CF来表示模糊推理规则的关系。在这个式子中，规则可信度用CF来表示， [-1，1] 为其取值区间，它表示的是规则条件为真时对结论的信任程度；当CF=1时，表示是确定性规则。我们可以以标识的形式给规则做一个明确的分类。这样不仅能够更快地检索到规则，还能够把某些专用规则区分出来，适应了系统的诊断要求。
2.2.3 知识库建立
首先建立规则库，这里需要注意两点：最大限度地简化定义规则的充分条件，防止冗余情况的发生；规则间不要有冲突。
下面向我们展示了本系统有关空调器的很多诊断规则，括号中的数字表示可信度，缺省状态下可信度为100%：
规则1：如果空调器产生了不制冷的情况，但是却没有发现压缩机及室内外风扇有任何的异常，而且旋松室内外机连接阀接头螺母无法喷出制冷剂，那么造成这种现象的原因是系统发生泄漏（90%）。
规则2：如果空调器不制冷且冷凝器不热，蒸发器不冷且，万用表检查控制电路正常压缩机运转正常，制冷剂无泄漏 则室内外机连接阀未打开（60%）。
…… …… ……
规则N：如果空调器制冷效果好且噪声大则机内运转产生的异常声音（80%）安装不当引起（60%）。
将以上的规则输入数据库，完成知识库的建立，然后等待调用。
2.2.4 知识库维护
在知识库初始化时，大量收集知识的同时，还要提供一些获取知识的工具，这样就能够更好地保障现场技术人员及相关专家将新知识写入知识库更方便，从而不断地完善知识库性能。我们可以运用知识调整方式处理新知识，视新知识输入知识库为正确，也就是说我们可以通过知识获取工具中的“检查”功能对新写入的规则进行检查，并且还要对已存在的知识进行检测处理，如果发现有冲突的情况，用新知识调整更新。
在对知识库进行维护时，我们要保证新增加的知识或者是改动过的知识与原有的知识是一致的，不能出现重复的现象，也不能有冗余或者是冲突，如果一旦有重复的，那么就一定要删除与之重复的知识。我们可以通过调用检查函数来检查是不是有重复的现象。
2.3 推理机
基于知识的诊断推理的计算机实现构成了诊断推理机，从本质上来讲就是一组计算机程序，可以用来控制、协调整个专家系统。推理机的设计要包括推理方法、推理方向和搜索策略。
2.3.1 推理方法与控制策略
知识具有不确定性。本系统中，规则的不确定是由可信因子CF说明的，规则的如果部分和规则部分的CF决定了该规则输出结论的CF。结论的CF是经过如下两个步骤得到的：①计算如果部分的CF，如果部分的CF的有效值是由各个如果子句的CF值以及连接它们的逻辑联结词综合决定的。假如各个如果子句由“与”联结，则各个如果子句CF值的最小值就是该如果部分CF的有效值；当如果子句是由“或”联结时，各如果子句CF的最大值就是该如果部分CF的有效值。②运用简单的算术乘法可以将如果部分的CF和规则部分的CF合成为一个数值，这个数值就是规则结论的CF值。
2.3.2 推理的方向
常用的推理策略有正向推理、反向推理和混合推理。正向推理是指从原始数据和已知条件推断出结论的方法，故又称为数据驱动策略或有底向上策略；本系统知识库采用正向推理的策略。
正向推理一般包括：一组初始事实和终止条件、一组正向规则和正向推理机。
给出了终止条件，系统相当于只是求证目标；若是不给出终止条件，正向推理在两种情况下可以自动停止：①推理达到推理网络的目标终点时；②没有新的可供使用的规则时，系统将目前已经推出的事实（中间结论）作为输出目标；或认为没有解。 通常情况下，系统知识库中存在若干条规则，这些规则中的任何一条的前提部分的事实通常都有很多条。要想使某一规则匹配成功，必须要满足该条规则前提部分的所有事实。
2.3.3 搜索策略
根据搜索过程中是否需要智能决策，搜索策略往往包括两种：盲目搜索和启发式搜索。盲目搜索法在搜索过程中没必要了解前后相关的问题域的专门信息，而后者则需要这种信息。本系统即采用这种搜索方法，常见的盲目式搜索深度优先搜索方法：从树跟节点出发，逐步向下搜索；广度优先搜索法：在进入下一层次以前先检查处于同一层次的每一个节点，逐层进行搜索。用这种方法，在问题存在解的情况下，就能够最快地查到解。但是当搜索的深度越来越大时，搜索节点可能会变多，这样所用的时间也会越来越多。
相比较而言，不难实现深度优先，根据本系统的特征，我们不仅要做到深度优先，并将空调器的类型分类，这样就能够用更少的时间进行搜索了。
2.4 解释和咨询机制的设计
解释程序负责回答用户可能提出的各种问题，包括与系统运行有关的问题以及系统自身的问题。在本系统的解释程序设计过程中，运用预置文本和路径跟踪法。这种解释方法应用起来更简单，知识工程师在对系统每个问题的求解方法进行解释设计时，要尽量采用自然语言等一些比较容易让用户接受的形式，设计好后插入程序段或相应的数据库中，同时生成解释信息，当用户询问时，这些解释信息被填入解释框架内，形成文本的形式去解释已有征兆和用户提供征兆下所产生故障的原因。
咨询的设计目的有两个：一是向用户提供有关空调器诊断维修方面的知识，使用户能够进行这方面的咨询活动；二是向一般的用户提供学习、掌握空调器故障诊断与维修技术的手段和机会。
3 结语
随着空调在居民生活中的普及，空调的故障诊断成为一个新兴的课题，它包括了自动控制、计算机技术等许多不同领域的知识，我们需要不断地更新其知识库，本研究主要是遵循了系统工程思想，充分运用计算机人工智能技术，较好地整合了空调故障诊断专家的知识、经验和解决问题的方法，并且建成了空调故障诊断专家系统，起到了部分代替专家指导现场检修的作用，可以更准确地识别故障，并采用相应的方法解除故障，不仅能够使现场检修效率越来越高，还能够减少检修成本。
参考文献：
[1]Joseph Giarratano & Gary Riley.专家系统原理与编程[M].北京:机械工业出版社，1998.
[2]杨叔子.基于知识的诊断推理[M].北京:清华大学出版社，1993.
[3]陈焕新，张俊.客车空调机组故障诊断专家系统[J].制冷学报，2002（2）.
[4]袁洪芳，曾昆，蒋志农.FMs智能故障诊断专家系统的建立与开发[J].自动化技术与应用，2003（5）.
[5]曹元大.专家系统与数据库的结合[J].北京理工大学学报，1998.(1).
[6]罗锦.基于关系型数据库的故障诊断专家系统设计[J].电测与仪表，2002，39.