設備的故障診斷與維護一直是人們所關注的問題，但現(xiàn)有診斷與維護系統(tǒng)的方法，多是根據(jù)設備使用和出現(xiàn)故障的現(xiàn)象研究其維護與診斷，也有利用FMEA（故障模式及其影響分析）對設備進行故障模式分析與故障控制，這些都沒有考慮如何利用設計知識以對其進行故障診斷與維護。開展利用設計知識生成故障診斷與維護知識的方法和相關數(shù)據(jù)模型的研究，對提高設備故障診斷與維護系統(tǒng)的性能具有重要的意義。
一、設計知識生成機械設備的診斷與維護的思想
對于復雜設備的故障診斷，目前的研究大多僅限于設備使用階段故障機理分析和診斷知識的獲取與應用，缺乏對設備全壽命周期，尤其是設計階段相關知識的利用，使得設備故障診斷效果難以令人滿意。實際上，一臺設備在其壽命周期的設計、制造、銷售、使用與維護等若干階段都能為故障診斷提供大量有益的信息，尤其在設計和日常維護階段，設計階段對設備的結構、功能和性能等作了規(guī)劃和實現(xiàn)，維護階段則生成了大量的診斷維護樣本。因此，在研究設備故障診斷時，應當在設備的設計階段就開始考慮其診斷與維護問題，設備診斷與維護時利用設計階段的信息知識，使得設備的設計、診斷與維護形成一個有機的整體，從而在根本上解決設備的故障診斷知識獲取問題。
從設備設計階段的知識出發(fā)，提取故障診斷與維護知識，可實現(xiàn)良好的設備維護和診斷，從而有效地降低設備維護費用。經(jīng)驗表明，復雜設備壽命周期內(nèi)的維護代價一般要超出其最初購買時價格的3～10倍；在研制中投入1元改進維護性，可望取得減少壽命周期費用（LCC）達50～100元的效益。由此可見，從設計知識出發(fā)，提高設備的診斷與維護性能，對降低維護費用具有重要的意義。
隨著信息技術在機械工程中的廣泛應用，尤其是PDM、PLM等平臺的應用，研究基于設計知識驅動的產(chǎn)品診斷維護技術將變得十分可行，原因如下：目前設備的設計、使用與維護中，已廣泛采用以PDM技術為代表的各種工具，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。因此，已相對成熟的PDM技術為建立設備全壽命周期各個階段的模型提供了一個通用的技術平臺。在PDM平臺上，可形成從設計、制造、使用等階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，并能加以維護。同時，在PDM平臺上集成產(chǎn)品維護與診斷模型，有效集成多種知識，形成信息共享，進而實現(xiàn)對產(chǎn)品的維護與診斷等功能，也有學者進行了探索。雖然在這種研究中設備的設計過程和診斷、維護過程是相互獨立的，與由設計知識生成診斷與維護知識不同，但它為這類研究提供了有益的經(jīng)驗，同時也說明了該研究意義重大。
要實現(xiàn)基于設計知識的設備診斷與維護技術，首先要解決的問題就是必須基于一個可涵蓋設備全壽命周期的技術支撐平臺，建立能包含設計、診斷與維護知識的設備信息模型。因此，文章的落腳點就是研究集成設備設計、診斷與維護知識的新型設備數(shù)據(jù)模型，探討基于此模型由設備設計知識自動生成設備維護與診斷知識的方法，研究設備結構樹生成設備故障樹的方法。
二、設計知識生成機械設備診斷與維護知識基本理論研究
1.全壽命周期的新數(shù)據(jù)模型研究
現(xiàn)有的設備工程模型包括配置模型、結構層次圖、功能層次圖、物料清單（BOM）、裝配模型等，這些模型并不能直接為診斷、維護建模所利用，需要分析它們與能表征維護與診斷信息的設備數(shù)據(jù)模型的關系，從中提取出對建模有用的信息并進行一些相應的、必要的轉換和擴充，然后確定建模還需要增加哪些信息，這些增加的信息以何種方式來描述，采用什么樣的接口來輸入這些信息等。
在上述信息需求分析基礎上，擬提出集成混合結構樹（HST）與節(jié)點維護性全息模型（NMHM）的能表征維護與診斷信息的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型?；旌辖Y構樹是利用產(chǎn)品結構樹的形式來組織、管理，以及表示產(chǎn)品的設計、維護和故障信息，可視為一種新的設計、維護與診斷相結合的結構樹。這種模型包含了產(chǎn)品設計、維護中所有的信息，為從設計知識中獲取故障診斷與維護知識提供了有利的條件。節(jié)點維護性全息模型是指從單零部件的整個生命周期出發(fā)，針對各階段對維護性進行分析評定的不同需求，較全面地、有序地將其設計維護性等信息集中存儲在集成的節(jié)點信息模型中，使得產(chǎn)品的維護與診斷系統(tǒng)可以從中抽取所需的信息。
2.混合結構樹模型的建立
混合結構樹以PDM為載體和技術平臺，其頂層節(jié)點為設計的設備產(chǎn)品對象，下層各節(jié)點代表構成該設備產(chǎn)品的可分或不可再分的零部件，每個節(jié)點還建立包含有該節(jié)點信息的節(jié)點維護性全息模型。這種混合結構樹形式可將產(chǎn)品設計所需的全部信息包括在內(nèi)，還可包含產(chǎn)品維護與診斷的信息知識，各節(jié)點的連線給出了各零部件的相互關聯(lián)關系。這是一個4元組模型，記為H=（N，F(xiàn)，R，A），其中N={Ni，i=l，…，n｝表示節(jié)點的集合，F(xiàn)={fi，i=l，…，n｝，fi從表示節(jié)點Ni的維護性全息模型的信息集合，R={Rij，i≠j，i、j=1，…，n｝表示產(chǎn)品設計中節(jié)點之間聯(lián)系的集合，它在很大程度上反映了產(chǎn)品故障之間的因果關系，A =A（Ni）表示節(jié)點Ni下一層節(jié)點的個數(shù)。這種模型形式對產(chǎn)品的設計、診斷與維護階段的數(shù)據(jù)模型都適用。
3.節(jié)點維護性全息模型的建立
維護性全息模型的關鍵是如何將節(jié)點代表的零部件的設計、維護性等相關信息有序組織與合理表達。擬將這種節(jié)點維護性全息模型建立在PDM平臺上，且只針對單個的零部件，非常易于實現(xiàn)和維護。它表示了單個零部件的設計、維護性、診斷性信息模型，可用于單個零部件全生命周期的信息表達，而與其他節(jié)點的關聯(lián)關系可由混合結構樹的節(jié)點關聯(lián)信息表示。
三、由設計知識獲取診斷與維護知識的方法研究
建立起設備產(chǎn)品的能表征診斷與維護信息的數(shù)據(jù)模型后，就很容易獲取基于設計知識設備產(chǎn)品的故障診斷知識。根據(jù)已有的研究成果，利用設備產(chǎn)品結構樹可以構成設備產(chǎn)品的混合結構樹，由混合結構樹中各節(jié)點的關聯(lián)關系，以及各節(jié)點內(nèi)部的設計和維護信息，可得到故障可能傳播的途徑和因果關系，形成類似于故障樹的混合結構樹的故障診斷知識庫模型，只是這里的基于混合結構樹的診斷知識庫模型是建立在設備產(chǎn)品結構樹的基礎之上的。這樣，問題的關鍵就是如何從各節(jié)點的關聯(lián)中獲取故障的因果聯(lián)系，如何從各節(jié)點的設計和維護信息獲取該節(jié)點的故障診斷知識。
一、設計知識生成機械設備的診斷與維護的思想
對于復雜設備的故障診斷，目前的研究大多僅限于設備使用階段故障機理分析和診斷知識的獲取與應用，缺乏對設備全壽命周期，尤其是設計階段相關知識的利用，使得設備故障診斷效果難以令人滿意。實際上，一臺設備在其壽命周期的設計、制造、銷售、使用與維護等若干階段都能為故障診斷提供大量有益的信息，尤其在設計和日常維護階段，設計階段對設備的結構、功能和性能等作了規(guī)劃和實現(xiàn)，維護階段則生成了大量的診斷維護樣本。因此，在研究設備故障診斷時，應當在設備的設計階段就開始考慮其診斷與維護問題，設備診斷與維護時利用設計階段的信息知識，使得設備的設計、診斷與維護形成一個有機的整體，從而在根本上解決設備的故障診斷知識獲取問題。
從設備設計階段的知識出發(fā)，提取故障診斷與維護知識，可實現(xiàn)良好的設備維護和診斷，從而有效地降低設備維護費用。經(jīng)驗表明，復雜設備壽命周期內(nèi)的維護代價一般要超出其最初購買時價格的3～10倍；在研制中投入1元改進維護性，可望取得減少壽命周期費用（LCC）達50～100元的效益。由此可見，從設計知識出發(fā)，提高設備的診斷與維護性能，對降低維護費用具有重要的意義。
隨著信息技術在機械工程中的廣泛應用，尤其是PDM、PLM等平臺的應用，研究基于設計知識驅動的產(chǎn)品診斷維護技術將變得十分可行，原因如下：目前設備的設計、使用與維護中，已廣泛采用以PDM技術為代表的各種工具，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。因此，已相對成熟的PDM技術為建立設備全壽命周期各個階段的模型提供了一個通用的技術平臺。在PDM平臺上，可形成從設計、制造、使用等階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，并能加以維護。同時，在PDM平臺上集成產(chǎn)品維護與診斷模型，有效集成多種知識，形成信息共享，進而實現(xiàn)對產(chǎn)品的維護與診斷等功能，也有學者進行了探索。雖然在這種研究中設備的設計過程和診斷、維護過程是相互獨立的，與由設計知識生成診斷與維護知識不同，但它為這類研究提供了有益的經(jīng)驗，同時也說明了該研究意義重大。
要實現(xiàn)基于設計知識的設備診斷與維護技術，首先要解決的問題就是必須基于一個可涵蓋設備全壽命周期的技術支撐平臺，建立能包含設計、診斷與維護知識的設備信息模型。因此，文章的落腳點就是研究集成設備設計、診斷與維護知識的新型設備數(shù)據(jù)模型，探討基于此模型由設備設計知識自動生成設備維護與診斷知識的方法，研究設備結構樹生成設備故障樹的方法。
二、設計知識生成機械設備診斷與維護知識基本理論研究
1.全壽命周期的新數(shù)據(jù)模型研究
現(xiàn)有的設備工程模型包括配置模型、結構層次圖、功能層次圖、物料清單（BOM）、裝配模型等，這些模型并不能直接為診斷、維護建模所利用，需要分析它們與能表征維護與診斷信息的設備數(shù)據(jù)模型的關系，從中提取出對建模有用的信息并進行一些相應的、必要的轉換和擴充，然后確定建模還需要增加哪些信息，這些增加的信息以何種方式來描述，采用什么樣的接口來輸入這些信息等。
在上述信息需求分析基礎上，擬提出集成混合結構樹（HST）與節(jié)點維護性全息模型（NMHM）的能表征維護與診斷信息的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型?；旌辖Y構樹是利用產(chǎn)品結構樹的形式來組織、管理，以及表示產(chǎn)品的設計、維護和故障信息，可視為一種新的設計、維護與診斷相結合的結構樹。這種模型包含了產(chǎn)品設計、維護中所有的信息，為從設計知識中獲取故障診斷與維護知識提供了有利的條件。節(jié)點維護性全息模型是指從單零部件的整個生命周期出發(fā)，針對各階段對維護性進行分析評定的不同需求，較全面地、有序地將其設計維護性等信息集中存儲在集成的節(jié)點信息模型中，使得產(chǎn)品的維護與診斷系統(tǒng)可以從中抽取所需的信息。
2.混合結構樹模型的建立
混合結構樹以PDM為載體和技術平臺，其頂層節(jié)點為設計的設備產(chǎn)品對象，下層各節(jié)點代表構成該設備產(chǎn)品的可分或不可再分的零部件，每個節(jié)點還建立包含有該節(jié)點信息的節(jié)點維護性全息模型。這種混合結構樹形式可將產(chǎn)品設計所需的全部信息包括在內(nèi)，還可包含產(chǎn)品維護與診斷的信息知識，各節(jié)點的連線給出了各零部件的相互關聯(lián)關系。這是一個4元組模型，記為H=（N，F(xiàn)，R，A），其中N={Ni，i=l，…，n｝表示節(jié)點的集合，F(xiàn)={fi，i=l，…，n｝，fi從表示節(jié)點Ni的維護性全息模型的信息集合，R={Rij，i≠j，i、j=1，…，n｝表示產(chǎn)品設計中節(jié)點之間聯(lián)系的集合，它在很大程度上反映了產(chǎn)品故障之間的因果關系，A =A（Ni）表示節(jié)點Ni下一層節(jié)點的個數(shù)。這種模型形式對產(chǎn)品的設計、診斷與維護階段的數(shù)據(jù)模型都適用。
3.節(jié)點維護性全息模型的建立
維護性全息模型的關鍵是如何將節(jié)點代表的零部件的設計、維護性等相關信息有序組織與合理表達。擬將這種節(jié)點維護性全息模型建立在PDM平臺上，且只針對單個的零部件，非常易于實現(xiàn)和維護。它表示了單個零部件的設計、維護性、診斷性信息模型，可用于單個零部件全生命周期的信息表達，而與其他節(jié)點的關聯(lián)關系可由混合結構樹的節(jié)點關聯(lián)信息表示。
三、由設計知識獲取診斷與維護知識的方法研究
建立起設備產(chǎn)品的能表征診斷與維護信息的數(shù)據(jù)模型后，就很容易獲取基于設計知識設備產(chǎn)品的故障診斷知識。根據(jù)已有的研究成果，利用設備產(chǎn)品結構樹可以構成設備產(chǎn)品的混合結構樹，由混合結構樹中各節(jié)點的關聯(lián)關系，以及各節(jié)點內(nèi)部的設計和維護信息，可得到故障可能傳播的途徑和因果關系，形成類似于故障樹的混合結構樹的故障診斷知識庫模型，只是這里的基于混合結構樹的診斷知識庫模型是建立在設備產(chǎn)品結構樹的基礎之上的。這樣，問題的關鍵就是如何從各節(jié)點的關聯(lián)中獲取故障的因果聯(lián)系，如何從各節(jié)點的設計和維護信息獲取該節(jié)點的故障診斷知識。