基于Agent的远程协同故障诊断系统研究

基于Agent的远程协同故障诊断系统研究刘建辉1张俊利2王爽3西安建筑科技大学，机电学院，西安，710055摘要：以机电设备故障诊断为目的，远程协同为手段，给出了远程协同故障诊断系统定义及CSCW、多AGENT系统在该领域的必然结合。介绍了Agent技术在系统中的基于改进合同网的任务协同管理应用，以及在专家系统知识库中路径搜索时采用了蚁群算法。最后，在某机器人网络系统中论证实现了系统设计思想，突出了本系统的智能性、开放性和协同性。关键词：远程协同故障诊断系统CSCW合同网蚁群算法ResearchonRCFDSbasedonAgentTechnologyLiuJianHui1Zhangjunli2ZhuyangpengMachineryandElectronicsEngineeringCollege，Xi’anUniversityofArchitecture&Technology，Xi’an，710055ABSTRACTS:InordertomechanicalfaultdiagnosingandwithRemoteCollaboration,Thispaper,first,presentsthedefinitionofRCFDS,considerthatthecombineofCSCWandMulti­AgentSysteminthisfieldisnecessary.Secondly,introducestheassignmentCollaborationmanageapplicationsofAgenttechnologywithimprovedCNET,ACOalsoisusedwhensearchingthebestwaytosolutionsintheExpertSystemknowledgedata­base.Finally,thethoughtwayarerealizedinonerobotnetsystem,thecharacteristicofintelligent、openandcollaborationarestandedoutaswell.KEYWORDS:RCFDSCSCWCNETACO一简述1，故障诊断是指系统在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性质，判断劣化状态发生的部位或部件，预测状态劣化的发展趋势等，并采取有效措施来消除和避免故障造成的不利影响,是故障状态检测、故障模式识别以及故障程度预测的总称（1）。目前，故障诊断系统正从传统的单系统封闭形式转向远程多智能体协同诊断形式，后者更具开放性、集成性和智能性。定义：远程协同故障诊断系统RCFDS（RemoteCollaborationFaultDiagnosticsSystem）是在计算机学、网络通信技术、移动计算技术和DAI等学科的综合基础上为在时空二维空间内任务关联的多个领域专家和技术人员提供一个计算机支持的开放协同诊断环境，并跟踪诊断过程，综合分析诊断结果，使他们能够针对某项或多项故障任务进行有效诊断的体系模式。RCFDS可由一个五元式S=(I，A，M，O，B)表示，I是系统的广义信息输入；A是Agent诊断系统结构；M为系统的广义诊断推理方法；O是系统的广义信息输出；B是系统的广义诊断效益比。2，远程故障诊断、CSCW、多AGENT系统的必然结合。（1），CSCW所强调的协同性、交互性和共享性与远程故障诊断的发展方向是基本一致的。远程故障诊断是一个多源的复杂处理过程，从本质上讲，它具有协作性，即具有社会性。远程故障诊断的一种重要工作形式就是由多个领域专家在不同地域相同时间，通过网络支持对指定的疑难故障现象进行协同会诊。这种工作方式需要CSCW环境支持，属于分布式同步作者简介：1：刘建辉（1976­），男，西安人，西安建筑科技大学机电学院教师，西北工业大学机电学院在读博士研究生。从事远程协同故障诊断及工业自动化控制的理论研究、工程实践和教学。2：张俊利（1975­），女，西安人，西安建筑科技大学机电学院讲师,从事微机及自动化控制的理论研究和教学。3：王爽（1977­），男，西安人，陕西碑林教师进修学校助理讲师，从事信息技术的教学与科研。协同。也是协作式计算机辅助支持系统。随着机器视觉技术的发展应用，专家完全可以通过网络传输的现场故障超文本文件来进行具体分析，而不再要求现场技术人员对故障信号进行分析整理，完全实现“WYSIWIS”功能。（2），远程故障诊断和Agent技术的关系。Agent技术是分析设计和实现复杂软件系统的新方法。移动Agent技术的发展为Agent技术的网络应用提供了支持。Agent技术也弥补了传统故障诊断专家系统的不足，如：经典专家系统是与现实分离的，通过用户作为中间人，不能采取反应式、预动的动作，而且一般没有社会行为能力，难以进行合作协调。（3），CSCW和Agent的结合（2）。多Agent系统适应于CSCW应用的原因主要有：首先，人是现实中人类社会活动协同工作的单元，CSCW系统是群体协作活动的抽象，Agent作为人的自主性部分的抽象实体，成为构造CSCW系统的基本单元具有自然性和必要性；CSCW系统的发展要求其成员的个体行为智能化，来提高其自组织和自适应能力，Agent的自主性适应了该需求。其次，Agent间的通讯行为和特性也与协同工作中群体成员的交流行为相适应。Agent之间是平等协作关系的对等实体，强调Agent间通过通讯而完成任务，因此由Agent自主性引发的协同性使得Agent可以更好反映协作群体或组织的结构和联系特征。此外，也希望从Agent的研究为CSCW的研究开辟新的途径、方法，进一步探索CSCW的本质和特征，Agent可以将原来的各个异构的诊断系统进行统一封装，实现协作达到透明协同，但应区分共享工作空间和私有工作空间及二者的无缝连接。其实，三者的有机结合也可用图2来模块表示。各模块可以相互嵌套，从而其角色任务也会变化。CORBACORBA图2CSCW体系结构与远程故障诊断系统模块类比二远程故障诊断系统分类及典型系统功能分析从诊断系统工作方式和发展历程看，故障诊断系统有4种：离线故障诊断、单机在线故障诊断、集中式在线故障诊断、远程故障诊断系统（IRDS）。后两种属于集成诊断。从计算结构看，IRDS是一种复杂的广域分布计算系统；从人工智能的角度看，IRDS是一种典型广域DAI系统。从远程诊断系统的网络模式发展趋势出发，可分为：基于TCP/IP协议的C/S网络模型和基于WEB的远程B/S网络模型。从系统结构角度看，远程诊断系统可分为四种：1，金字塔型的递阶诊断系统结构，相邻诊断层次存在严格主从关系，所以系统层次结构很难改动，柔性不够。2，有一个位于中央控制整个诊断推理的系统平台，星型拓扑结构，主持人转发模式；属于集中式CSCW系统结构。设计概念简洁、可靠易管理但不利于并行处理的开发和通信阻塞等瓶颈问题的解决，系统可靠性差，设计实现较困难，因为若系统有N个诊断节点，每个节点有M中诊断情形，则要考虑到MN种处理。用户端作用降低，对专家会议参与不充分。3，无系统平台、功能分协作管理平台CSCW应用层协作支持层信息服务层网络通讯层用户1次Agent用户n次Agent远程诊断中心专家系统次Agent主Agent布（包括物理分布）的协作诊断系统，主要是诊断专家系统的远程分布，效率高，只需要考虑M2(N-1)种处理。全互连模式，属于分布式CSCW系统结构。缺点是信息交换量大和协调复杂。4,前二者的区分也表现在具体模块任务分配上各有轻重，后者更能代表发展的趋势。二者可以本身和相互嵌套。在前两种基本方式的基础上为了兼顾诊断的实时性及诊断的精密性要求，又出现了在线实时诊断与离线精密诊断相结合的模块式结构,属于CSCW的混合结构。现今远程协同故障诊断系统多有诊断平台，可简要分为三部分：用户端、远程监测诊断平台和诊断专家系统库（RESD），可参见图2。其中，用户端包括实时监控单元、数据采集单元、故障诊断单元等，其功能有：（1），现场信息的采集、分析并提取整理；一个故障信息可以用信息集合的方式描述：故障信息={设备名，设备状态，故障特性，相关特征量，辅助信息}。因此，故障信息的充分描述需要建立以下的XML定义:物理设备名称及组成关系、设备或系统状态及故障特性、标准特征量名称及属性表征形式、标准故障特征描述词(模糊词)、其它相关辅助信息；（2），基于本地诊断知识数据库的自监测诊断；（3），需要时，将需诊断素材数字签名并整理打包后以标准格式传输给诊断中心；（4），将已处理故障的新规则知识等信息整理存入本地诊断知识数据库。远程监测诊断平台（中心）是系统调度核心，功能流程包括：（1），定时通过多用户接口主动与各用户端联系，及时获取诊断请求，提供并发控制机制，以解决因多用户同时操作而可能产生的冲突。（2），将有效的诊断要求进行诊断任务分解（类似于仿真科学的还原论）。用系统检索工具在分类的中心知识数据（仓）库中搜寻匹配故障原因及处理方法等，本系统在专家系统中的知识库路径搜索方面运用蚁群算法(ACO)。有相关存储信息时，将其发送给特定用户；无相关信息（为新故障）时，立即建立健全的网上主题专家会议（本系统采用改进合同网机制），会议交流界面要统一，应有意见冲突解决机制、会议信息堵塞控制、专家动态加入退出机制、对专家的奖惩方法等协作机制的细节处理，裁决并整理会议结果。若与会人员是随机参与的，则在系统协同过程中应对参与人员从认识上和影响力等方面进行分类（可用改进投票决策法），保证参与人员的广泛性和不同影响力；专家、个人访客和设备设计制造、销售及维护者等访问者的管理应具有分布性、多主体性、协同性、共同性和灵活性等CSCW特点。需要时，可与其它诊断平台联系；（3），将诊断结果通报给该用户，并要求处理故障。此过程将重复到该故障成功解决；（4），将该成功案例以简报等形式组播给系统其它相关用户达到一定粒度的协同感知，并将其通过数据库接口加入中心知识数据库（可选用）；用户可以通过人机接口订制相关简报。此处注意隐私保密和信息共享的权衡；（5），诊断中心知识数据库分为三类：基于案例的诊断知识库；基于模型的诊断知识库；基于规则的诊断知识库。其它扩展的功能或要求简述如下：（1），结果存储包括文本、声音、图像、超文本等流形式；（2），考虑到系统的扩容，当诊断对象特别多时，应建立基于CSCW的分布式数据库。协同共享机制（维护共享数据的整体、局部一致性）是关键；（3），可为诊断会议提供动态的针对性强的虚拟会议环境并提供离线的信号分析、诊断分析和信息查询服务；（4），建立协同网络安全机制。大多数采用Internet技术的CSCW网络常用基于路由器及路由协议的安全措施、RADIUS、身份认证、访问控制、加密、代理服务器、VLAN技术、网络管理及检测等作为诊断中心的安全措施。数字签名保证了传输数据文件的有效性，加密技术则保证了数据的正确性、保密性。值得一提的是我国《电子签名法》的2005年4月1日起实行。至于诊断专家系统库，A.Barr和E.A.Feiaenbaum指出：专家系统的性能水平主要由它拥有的知识数量和质量的函数来决定。专家系统的基本特征是：启发性（Heuristic）-不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识；透明性（Transparency）-能向用户解释自己的推理过程，也能回答关于自身的问题；灵活性（Flexiblity）-系统中知识便于修改和补充。远程诊断专家系统意味着不用在使用专家系统之前设置和安装专家系统软件，可直接在所需的时间地点应用它。远程诊断专家系统可以是异域异构的，其本身可被多个诊断平台共享，该专家系统还须具有缺陷库自我丰富、判断规则自我扩充的功能，能在不断判断故障进行分析的过程中，提高诊断准确程度，逐渐丰富自身功能。建立诊断专家系统要解决以下集成问题:（1）诊断知识的合理表达。知识的表示方法有多种，但都有一定适用性限制，综合应用是集成诊断的要求；（2）人机协同的诊断集成，不仅有人对诊断对象的故障感知信息的集成，而且有诊断过