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摘 要：针对现有海洋平台起重机液压系统故障特点及维修缺乏有效故障诊断的情况，在总结分析了海洋平台起重机液压系统组成与控制原理、故障类型、机理和失效形式，引入面向对象的方法表达液压系统故障知识，建立了故障知识库，根据故障知识库特点对液压故障采取正向、反向、混合策略进行故障诊断，利用Visual Basic.NET为开发工具，结合SQL Server数据库技术，开发了具有实用价值的液压故障查询系统，对已发生的故障进行准确、迅速推理诊断，提供可行的故障排除方法及时解决海洋平台起重机液压故障。
关键词：海洋平台起重机；液压系统；故障查询；
1引言
海洋平台起重机是海上平台的关键设备，因液压故障而停机会给平台生产造成很大的经济损失，严重时甚至制约平台工作人员的正常生活，而对于液压系统系统运行抖动或不平稳等疑难故障却没有足够的时间进行检查及维护。
随着液压系统的规模、功能、复杂程度及自动化水平日益提高，但是由于诸多不可避免的因素，液压系统却难免会出现故障。目前液压故障诊断方法主要有主观诊断法、基于模型诊断和智能诊断技术[1-4]。智能诊断研究主要从两个方面而开展：基于专家系统和基于神经网络的液压系统故障智能诊断技术[5]。基于专家系统的液压故障诊断广泛应用于轧机AGC、机床、组合机床、矿用卡车以及液压泵等液压故障诊断研究[1-8]。上述的方法不能有效适用于海洋平台起重机液压系统故障诊断，均存在着各自的局限性。因此需要针对海上平台起重机存在的故障，分析故障存在的原因，找到故障的症结，并开发出海洋平台起重机液压故障诊断专家系统，对其故障进行诊断，一旦海洋平台起重机遇到突发故障，该故障诊断方法能在短时间内做出分析判断，及时解决海洋平台起重机的液压故障。
2海洋平台起重机液压系统简介
海洋平台起重机主要用于海上固定或浮动的海上油气田钻井或生产平台/船舶上，用以在海上平台甲板内或平台与船舶之间吊运货物或人员。海洋平台起重机具有起升、变幅、回转三个机构，通过三个机构的配合使用完成相关作业，是海洋平台必备设备。海洋平台起重机主要由基座、回转机构、A型架、变幅机构、起升机构、臂架等组成。从图1中可以看出，海洋平台起重机的液压系统可以分解为起升，变幅，回转三个液压系统、一个辅助液压系统和一个应急液压系统。
起升机构和变幅机构都是由液压泵的压力油驱动马达，经过减速机减速增大扭矩带动卷筒转动，实现重物的起升与下降和臂架的变幅。回转机构是由液压泵的压力油驱动马达，经过减速机减速增大扭矩带动臂架等上部组件绕回转支承转动。辅助液压系统，即辅助泵系统，担负向上述三个独立工作液压系统提供补偿油液，从而提供控制油路油压和安全装置控制油压。应急液压系统，即操纵手动泵系统，负责向起升机构提供压力油，实现重物的下放，起到应急作用。
3液压故障知识表达与知识库建立
面向对象的知识表示法是将对象的属性和行为知识及规则知识封装在对象结构中，根据稳定的对象建立知识表达，能很好地适应需求的变化，具有良好的可重复性、可扩展性和可维护性。将面向对象的设计思想引入到故障知识，对故障知识存储、故障诊断推理有着显而易见的重要作用。
如图2所示，将液压系统故障知识中一条具体故障知识分为故障元对象、故障类型、故障部位、故障现象、故障原因、排除方法等六个对象分别表示与存储。故障元对象中的各种标示ID确定了一条故障知识，即该条故障知识的故障类型、部位、现象、原因和排除方法。故障知识各个对象特性可以作为数据库表的字段，并且液压故障知识各对象之间通过自身标示ID与父结点ID构成网状结构。故障现象对象中发生次数特性用来统计故障现象发生概率，即故障现象发生权重大小，便于推理时优先考虑概率大的故障现象，使专家系统更快更准确地推理已发生故障的原因及其排除方法。
按照上述规则对液压故障知识进行表达，故障知识中各个对象结构形式便于SQL server等关系数据库存储。在图3中用字母表示故障知识对象，用带箭头直线表示故障各对象间关系，可以看出故障知识构成网状结构。
4液压故障诊断推理策略
依据知识库中的专家知识，网状结构中回路的特点，如图4所示可以采取正向、反向或混向等方法进行故障诊断的推理，解决实际过程中出现的故障现象，并且提供可行的故障排除方法。
正向推理，由故障现象推理出其故障原因，例如：如液压系统出现A1类型B2部位C1现象，便推理出D1、D2、D4等几条原因；如液压系统同时出现A1类型B2部位C1现象和A2类型B3部位C2现象，便可推理出导致这一系列现象的原因是D2。
同理反向推理，由故障原因推理出其引起的故障现象。混合推理，由用户输入故障现象推理出该现象故障原因，再从这些故障原因中逐条原因反向推理，推理出每条原因引起的故障现象供用户选择，根据用户的选择故障现象再进行正向推理出液压系统相对准确的故障原因以及相应的故障排除方法。
5故障查询系统设计与开发
本系统实现液压系统故障的快速诊断和排除，也可以为海洋平台起重机液压系统的学习和研究提供方便。一旦海上平台起重机遇到突发故障，能在短时间内完成诊断推理，提供维修方案，满足应急维修需要，及时解决海洋平台起重机故障。
由系统方案可以确定系统框架，如图5所示。系统按功能划分为界面操作模块、内核模块、数据库模块和输出模块等四大模块。
系统模块功能如下：
(1) 界面操作模块。界面操作模块是液压故障诊断系统和用户交流的接口，用来整合故障诊断专家系统各个模块，并为用户提供故障知识上传、故障知识管理、信息打印等一系列辅助功能，如图6所示。
(2) 内核模块。内核模块在系统中处于底层位置，主要负责故障诊断推理，解释推理过程，以及系统运行过程中故障知识和信息的处理，主要包括知识处理类、信息预处理类、推理机类及解释机类五部分。
知识处理类，主要负责液压系统故障知识获取、知识验证、故障知识库管理等功能。其中知识获取模块负责将领域内事实性知识和专家经验转化为计算机可识别与推理的形式。知识验证模块在获取故障知识时，用于验证故障知识的有效性和唯一性。知识管理模块主要利用系统设置的管理模式，管理液压领域内知识，对液压故障知识进行补充、修改、删除、提炼。
信息预处理类，主要用于处理界面获取的故障现象信息，以及系统在推理过程中向用户询问信息，从而实现信息简单处理与转化，为系统诊断推理做准备。
推理机类是故障诊断专家系统的核心部分，是系统解决故障问题的核心方法。推理机按照上述推理策略进行推理，通过将系统获取的信息与知识库的规则进行推理与匹配来实现整个诊断推理过程。
解释类，负责向用户解释系统推理过程以及推理结果，使系统具有透明性。
(3) 数据库模块。数据库模块主要包含三个部分，分别为液压故障知识库，故障正向、反向、混合推理策略规则库和动态存储数据库。如图7所示，故障知识库采用SQL Server存储，故障推理策略规则采用XML文件存储。动态存储数据库存放系统推理过程中提取的故障知识，中间结果及最终诊断结果。
关键词：海洋平台起重机；液压系统；故障查询；
1引言
海洋平台起重机是海上平台的关键设备，因液压故障而停机会给平台生产造成很大的经济损失，严重时甚至制约平台工作人员的正常生活，而对于液压系统系统运行抖动或不平稳等疑难故障却没有足够的时间进行检查及维护。
随着液压系统的规模、功能、复杂程度及自动化水平日益提高，但是由于诸多不可避免的因素，液压系统却难免会出现故障。目前液压故障诊断方法主要有主观诊断法、基于模型诊断和智能诊断技术[1-4]。智能诊断研究主要从两个方面而开展：基于专家系统和基于神经网络的液压系统故障智能诊断技术[5]。基于专家系统的液压故障诊断广泛应用于轧机AGC、机床、组合机床、矿用卡车以及液压泵等液压故障诊断研究[1-8]。上述的方法不能有效适用于海洋平台起重机液压系统故障诊断，均存在着各自的局限性。因此需要针对海上平台起重机存在的故障，分析故障存在的原因，找到故障的症结，并开发出海洋平台起重机液压故障诊断专家系统，对其故障进行诊断，一旦海洋平台起重机遇到突发故障，该故障诊断方法能在短时间内做出分析判断，及时解决海洋平台起重机的液压故障。
2海洋平台起重机液压系统简介
海洋平台起重机主要用于海上固定或浮动的海上油气田钻井或生产平台/船舶上，用以在海上平台甲板内或平台与船舶之间吊运货物或人员。海洋平台起重机具有起升、变幅、回转三个机构，通过三个机构的配合使用完成相关作业，是海洋平台必备设备。海洋平台起重机主要由基座、回转机构、A型架、变幅机构、起升机构、臂架等组成。从图1中可以看出，海洋平台起重机的液压系统可以分解为起升，变幅，回转三个液压系统、一个辅助液压系统和一个应急液压系统。
起升机构和变幅机构都是由液压泵的压力油驱动马达，经过减速机减速增大扭矩带动卷筒转动，实现重物的起升与下降和臂架的变幅。回转机构是由液压泵的压力油驱动马达，经过减速机减速增大扭矩带动臂架等上部组件绕回转支承转动。辅助液压系统，即辅助泵系统，担负向上述三个独立工作液压系统提供补偿油液，从而提供控制油路油压和安全装置控制油压。应急液压系统，即操纵手动泵系统，负责向起升机构提供压力油，实现重物的下放，起到应急作用。
3液压故障知识表达与知识库建立
面向对象的知识表示法是将对象的属性和行为知识及规则知识封装在对象结构中，根据稳定的对象建立知识表达，能很好地适应需求的变化，具有良好的可重复性、可扩展性和可维护性。将面向对象的设计思想引入到故障知识，对故障知识存储、故障诊断推理有着显而易见的重要作用。
如图2所示，将液压系统故障知识中一条具体故障知识分为故障元对象、故障类型、故障部位、故障现象、故障原因、排除方法等六个对象分别表示与存储。故障元对象中的各种标示ID确定了一条故障知识，即该条故障知识的故障类型、部位、现象、原因和排除方法。故障知识各个对象特性可以作为数据库表的字段，并且液压故障知识各对象之间通过自身标示ID与父结点ID构成网状结构。故障现象对象中发生次数特性用来统计故障现象发生概率，即故障现象发生权重大小，便于推理时优先考虑概率大的故障现象，使专家系统更快更准确地推理已发生故障的原因及其排除方法。
按照上述规则对液压故障知识进行表达，故障知识中各个对象结构形式便于SQL server等关系数据库存储。在图3中用字母表示故障知识对象，用带箭头直线表示故障各对象间关系，可以看出故障知识构成网状结构。
4液压故障诊断推理策略
依据知识库中的专家知识，网状结构中回路的特点，如图4所示可以采取正向、反向或混向等方法进行故障诊断的推理，解决实际过程中出现的故障现象，并且提供可行的故障排除方法。
正向推理，由故障现象推理出其故障原因，例如：如液压系统出现A1类型B2部位C1现象，便推理出D1、D2、D4等几条原因；如液压系统同时出现A1类型B2部位C1现象和A2类型B3部位C2现象，便可推理出导致这一系列现象的原因是D2。
同理反向推理，由故障原因推理出其引起的故障现象。混合推理，由用户输入故障现象推理出该现象故障原因，再从这些故障原因中逐条原因反向推理，推理出每条原因引起的故障现象供用户选择，根据用户的选择故障现象再进行正向推理出液压系统相对准确的故障原因以及相应的故障排除方法。
5故障查询系统设计与开发
本系统实现液压系统故障的快速诊断和排除，也可以为海洋平台起重机液压系统的学习和研究提供方便。一旦海上平台起重机遇到突发故障，能在短时间内完成诊断推理，提供维修方案，满足应急维修需要，及时解决海洋平台起重机故障。
由系统方案可以确定系统框架，如图5所示。系统按功能划分为界面操作模块、内核模块、数据库模块和输出模块等四大模块。
系统模块功能如下：
(1) 界面操作模块。界面操作模块是液压故障诊断系统和用户交流的接口，用来整合故障诊断专家系统各个模块，并为用户提供故障知识上传、故障知识管理、信息打印等一系列辅助功能，如图6所示。
(2) 内核模块。内核模块在系统中处于底层位置，主要负责故障诊断推理，解释推理过程，以及系统运行过程中故障知识和信息的处理，主要包括知识处理类、信息预处理类、推理机类及解释机类五部分。
知识处理类，主要负责液压系统故障知识获取、知识验证、故障知识库管理等功能。其中知识获取模块负责将领域内事实性知识和专家经验转化为计算机可识别与推理的形式。知识验证模块在获取故障知识时，用于验证故障知识的有效性和唯一性。知识管理模块主要利用系统设置的管理模式，管理液压领域内知识，对液压故障知识进行补充、修改、删除、提炼。
信息预处理类，主要用于处理界面获取的故障现象信息，以及系统在推理过程中向用户询问信息，从而实现信息简单处理与转化，为系统诊断推理做准备。
推理机类是故障诊断专家系统的核心部分，是系统解决故障问题的核心方法。推理机按照上述推理策略进行推理，通过将系统获取的信息与知识库的规则进行推理与匹配来实现整个诊断推理过程。
解释类，负责向用户解释系统推理过程以及推理结果，使系统具有透明性。
(3) 数据库模块。数据库模块主要包含三个部分，分别为液压故障知识库，故障正向、反向、混合推理策略规则库和动态存储数据库。如图7所示，故障知识库采用SQL Server存储，故障推理策略规则采用XML文件存储。动态存储数据库存放系统推理过程中提取的故障知识，中间结果及最终诊断结果。