失效分析专家系统优化建议

失效分析是包括事故分析、失效机理的提出与事故的预防等在内的综合研究。到目前为止，人们主要依据经验和已经获得的断口、裂纹、金相图谱等经验资料进行分析。现有的图谱与案例集基本上是针对具体情况的“特殊分析”的分析，并且是定性的分析。这种分析的准确性取决于分析人员的素质。初步涉入失效分析领域的技术人员，分析出的结论往往可靠性偏低。只有长期从事失效分析工作的专家，得到的分析结果才具有很高的可靠性。

为了使一般的工程技术人员也能够进行失效分析，并且达到快速、准确的目的，从20世纪60 年代开始，人们将失效分析获得的大量经验构建成数据库并与计算机结合，构建了利用计算机对结构件进行失效分析的专家系统，这是失效分析领域最引人注意的进展。

所谓专家系统，是指在某一特定领域内，将人类失效专家积累的丰富经验与计算机强大计算能力结合，通过一定的逻辑推理编制出的计算机求解的应用程序系统。理论上希望系统具有该领域专家级水平的知识、经验和能力，可以求解出只有高级专家才能解决的问题，使一般的工程技术人员在计算机的帮助下，具有专家的思路、知识系统、经验，能解决实际问题。

可见专家系统实际上是模拟人类专家，对失效的结构件进行失效分析的计算机系统。因此专家系统的构建，是模拟人类专家的知识结构、解决问题的思路和方法进行构建的。

所谓专家，只能是某一领域的专家，不可能成为各个领域的专家。因此，建立失效分析专家系统均是针对某个特定区域建立的系统。这是因为尽管构件失效分析所采用的手段类似、分析过程类似，但是由于不同的构件所处的工作环境不同、受力状态不同，所以失效分析所需要的基础知识有很大差别，为某个特定系统服务而建立的计算机专家系统，很难用于另一个系统之中。原因是：建立计算机专家系统所需要的基础知识、专业知识等有很大的系统依赖性。目前专家系统软件虽然很多，但是真正能够实际应用、很好地解决实际问题的却很少。一个原因是系统本身需要不断地发展与完善，另一个原因是在建立系统前，均希望尽可能多地解决各类问题，结果是大而不精，影响实际应用效果。针对这种现状，美国T.W.Liao 针对化工设备常见的失效模式开发了专家系统[10－11]，我国学者针对特定的航空发动机多发事故的现状，专门构建一个适用于航空发动机故障的专家系统[12]，对航空发动机中的零部件（如轴、叶片、盘等）故障进行智能化分析。建立专家系统的思路简介如下[12－13]：

1.人类专家进行失效分析时需要具备的素质与分析基本思路

首先人类专家必须具备深厚的知识结构，这种知识结构可以分成两大类，一类是在此领域的基础知识，另一类是丰富的实践经验，即他本人分析过的大量的案例。为模拟人类专家，专家系统也必须具备这样的“素质”，即通常所说的计算机中的数据库。

对于一个具体的失效构件，人类专家对其进行分析的基本思路是：以失效分析的规律、相关基础知识作为分离的理论依据，将通过调查、试验获得的信息（失效现象、分析结果）分别加以考察，然后有机地将相关信息进行结合，作为一个整体进行综合考察，利用头脑中的知识结构，应用逻辑推理方法对具体失效构件进行分析判断。在分析判断时分成两种情况：以前是否遇到过类似的失效案例（需要分析的失效案例称为目标案例）？如果遇到过类似案例，就采用类比推理的方法进行分析，即比较目标案例与之前遇到过的案例在材料加工、断裂方式、断口特征、金相组织等方面有哪些相同之处？有哪些不同之处？再利用基础知识、专业知识进行推理分析，在分析过程中不可避免地要查阅一些资料并进行必要的讨论，最后得出结论与改进措施（即对失效问题求出解）。

如果没有遇到过类似案例，就采用逻辑推理方式进行分析。所谓逻辑推理方式，是指运用专家在此领域深厚的基础知识，如相关学科基础知识、断口学知识、力学知识、微观组织分析知识等对失效构件进行分析，推出结论包括失效模式、失效机理、失效原因和改进措施等。同样在分析过程中，也需要查阅一些资料并进行必要的讨论。为模拟人类专家，专家系统也必须具备“调用知识的能力”与这种“逻辑推理能力”。

2.失效分析专家系统模型构建思路

专家系统是模拟人类专家进行分析求解，因此也必须具备人类专家的“知识结构”“调用知识的能力”与“分析问题的能力”。模拟人类专家的知识结构就是建立数据库。人类专家的知识结构在头脑中，表达这些知识内容是用人类的语言、数字及各种数学表达式。计算机要利用这些知识必须将人类专家的这些知识转换成计算机可以识别的形式。文献7 采用了综合失效分析知识获取方法，见图1-15。

图1-15　知识获取及表达方式

在收集大量案例的基础上，分析、总结、归纳这些失效案例，用字典库中术语描述案例，得到以框架形式表达的案例文本，存入案例库中。对案例文本进行分类，用归纳法找出失效特征与失效机理间的关系，根据失效机理建立起规则。这些规则由一系列if…then…else…组成，对数据进行分类，存入知识库中。同时开发自动知识获取模块，应用于失效分析领域。

这样构建的数据库相当人类专家知识结构系统，并且计算机可以调用。

专家系统具备知识结构后，还要运用这些知识进行推理分析的能力。专家系统也采用类比推理与逻辑推理两种方式进行分析，构建两个系统。

将需要解决的失效分析问题（目标案例）与数据库中存储的案例（称为源案例）进行对比，如果目标案例与某个源案例完全一致，就可以将源实例的结论与解决问题的方案，作为目标实例的解决方案。否则选取与目标案例接近的案例作为参考，对源案例进行改编，以获得对目标案例的解决方案。这就是类比推理。类比推理系统的实现包括实例的表示与索引、实例检索、目标案例的自学习。图1-16 所示为类比推理方式的求解过程[7]。

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图1-16　类比推理的求解过程

当没有检索到与目标案例类似的源案例，只能采用逻辑推理方式进行分析。在专家系统中有大量失效规律及相关学科的基础知识，并且均转换为计算机可以识别与调用的形式。计算机调用这些知识对目标案例进行分析，推出需要的结论，如失效模式、原因与失效机理及改进措施。这就是逻辑推理。

失效分析过程中包含很多不确定的因素，不确定性的来源主要是知识的不确定性与证据的不确定性。为使计算机模拟与人类思维更接近，专家系统采用不确定性推理，对于逻辑推理采用置信度方法对不确定性进行评价。推理具体过程如下：

其中规则置信度由专家给出，前提事实的置信度由用户提供。

对于多个事实则激活同一规则所产生的新事实的不确定性。

根据上述思路构建立专家系统，具体内容包括：

（1）首先根据失效分析领域的知识特点和表达方式、失效分析推理过程，以及建立专家系统需要考虑的各方面因素进行规划，确定构建系统的各个功能模块。

（2）在对失效分析领域知识进行分析的基础上，确定知识的获取与编辑模块。将相关理论基础、经验知识编入此模块，并将它们用规则表达出来，构建成知识库。

（3）建立案例模块，案例知识用框架的形式表示出来，构建成案例库。

（4）为使专家系统的术语统一，以提高系统的性能，还要建立存放统一术语的字典库。在字典库与规则库、案例库及推理机之间建立联系。

（5）确定失效分析专家系统的推理机制。一般是逻辑推理与类比推理。从已有的知识推出未知的知识，从一个或几个已知的判断，推出另一个新的判断。只要推理的前提是真实的，推理前提和结论的关系符合思维规律要求，得到的结论就是真实的。

（6）专家系统除要有知识库、案例库、推理机、知识存储与推理功能，还要有知识查询、解释功能。系统的解释能力也是评价系统性能的一个重要方面。同时用户界面要友好。图 1-17所示为航空机械零部件失效分析专家系统的结构[13]。

图1-17　失效分析专家系统的结构

失效分析专家系统属于失效分析领域中的前沿研究内容，已引起人们极大的研究兴趣，但是目前尚处于研究阶段，并不是很完善，在知识的获取、表达与智能推理方面均需要加强研究，但是失效分析专家系统无疑是今后失效分析领域发展的一个极为重要的分支。