SISTEMI ESPERTI PER LA DIAGNOSTICA E LA RICERCA GUASTI

G. Torella
1
6,67(0,(63(57,3(5/$',$*1267,&$(/$5,&(5&$*8$67,
',02725,$785%,1$
*725(//$
$FFDGHPLD$HURQDXWLFD'LSDUWLPHQWRGL6FLHQ]H$SSOLFDWHDO9ROR±
3R]]XROL1DSROL,7$/,$(PDLOJWRUHOOD#<$+22&20ID[
6200$5,2
Questo lavoro descrive alcuni Sistemi Esperti sviluppati e messi a punto per agevolare la ricerca guasti
e la diagnostica, attività tipiche della manutenzione dei motori a turbina. Vengono presi in esame sia
motori per la propulsione aerea sia apparati a turbina generatori di potenza ausiliaria (APU). Tuttavia i
Sistemi Esperti qui di seguito descritti possono essere utilmente impiegati anche per impianti fissi.
I Sistemi Esperti sono di vario tipo e sono stati sviluppati utilizzando sia linguaggi procedurali (Visual
Basic, etc.) sia linguaggi dichiarativi (Turbo-Prolog).
,1752'8=,21(
La manutenzione costituisce una delle fasi più importanti della vita operativa di un motore
aeronautico. Infatti essa condiziona le attività peculiari sia dell'aviazione civile sia di quella militare.
La manutenzione del motore, comportando la inattività dello stesso, spesso ha come conseguenza la
mancata disponibilità degli aerei e ciò è un problema quale che sia l’utenza. Pertanto le attività di
manutenzione devono essere espletate in modo rapido, efficiente e poco costoso senza penalizzare gli
indispensabili livelli di sicurezza. Questi requisiti sono in contrasto fra loro.
Spesso poi la manutenzione dei motori viene basata su informazioni incomplete e resa complicata da
guasti fuori norma o addirittura da guasti fantasma.
Le tecniche di manutenzione si sono evolute al pari delle macchine cui sono applicate, si è così passati
dalla manutenzione programmata T.B.O. (Time Between Overhaul) alla manutenzione 'On-Condition'
(interventi solo in caso di necessità).
E' chiaro che la ricerca di tecniche di manutenzione sempre più efficienti, rapide ed HFRQRPLFKH
non
può non tenere conto dell'enorme potenziale dell'Intelligenza Artificiale e delle possibilità da essa
offerte. I Sistemi Esperti costituiscono uno dei campi dell'Intelligenza Artificiale, una branca delle
Scienze Informatiche sviluppatasi fra alterne fortune negli ultimi anni. Secondo una definizione
ampiamente accettata XQ6LVWHPD(VSHUWRqXQSURJUDPPDFKHPRVWUDLQXQDVSHFLILFDDUHD
XQD FDSDFLWj GL ULVROX]LRQH GL SUREOHPL SDUDJRQDELOH D TXHOOD GL XQ (VSHUWR XPDQR« -3
,JQL]LR
Attualmente i Sistemi Esperti vengono applicati in molti campi che vanno dalla pianificazione
finanziaria, alla diagnosi e cura di malattie, al controllo del traffico negli aeroporti, ecc..
Questo lavoro contiene i risultati di una estesa ricerca finalizzata allo studio ed alla messa a
punto di Sistemi Esperti utili per la diagnostica e la ricerca guasti di motori a turbina. Anche se sono
stati presi in esame propulsori aeronautici, i Sistemi Esperti sviluppati possono essere utilizzati per
tutti i tipi di motori a turbina.
,6,67(0,(63(57,69,/833$7,
Quale che sia la sua destinazione, un Sistema Esperto è formato da alcune parti essenziali:
½ La Base di Conoscenza
½ Il motore Inferenziale
½ L’interfaccia con l’utente
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56° Congresso Nazionale ATI
Esistono poi altri moduli che consentono una esplorazione critica della base di Conoscenza e
consentono la spiegazione delle scelte effettuate o dei ‘ragionamenti’ seguiti dal Sistema Esperto per
giungere alle conclusioni presentate e trovare le soluzioni suggerite.
Il cuore dei diversi Sistemi Esperti sviluppati è costituito dalla Base di Conoscenza. Le informazioni
utili in esse contenute, i µIDWWL¶ costituenti le connessioni fra sintomi e loro cause, sono stati ricavati:
½ dai manuali di manutenzione forniti dalle ditte costruttrici,
½ dalla esperienza fatta sui diversi motori nelle sedi operative
½ dai programmi di simulazione del comportamento dei motori quando vi siano guasti nei
componenti.
Questi ultimi sono stati sviluppati in passato dall’autore ed hanno confermato di essere pienamente
affidabili e di fornire risultati di elevata precisione.
In questo lavoro vengono presentati differenti tipi di Sistemi Esperti di tipo deterministico nel senso
che consentono di effettuare la ricerca guasti diretta e/o assistita una volta che siano fornite le
necessarie informazioni. Inoltre nel lavoro è fornito un esempio di utilizzazione di un Sistema Esperto
probabilistico o Belief Network. La Base di Conoscenza di questo tipo di Sistema Esperto contiene
informazione sulla probabilità che un gruppo di sintomi sia dovuto ad un certo tipo di guasto.
I Sistemi Esperti presentati e discussi nel lavoro sono stati sviluppati utilizzando sia linguaggi di
programmazione procedurale (Visual Basic, C++, etc.) sia linguaggi dichiarativi (TurboProlog). Tutti i
Sistemi Esperti sono stati costruiti in modo da risultare User-Friendly e quindi di facile utilizzazione
da parte di chiunque e su Personal Computer.
,6,67(0,(63(57,3(5/$',$*1267,&$(/$5,&(5&$*8$67,
Come detto sono stati considerati sia motori veri e propri sia apparati di potenza ausiliaria (APU). Nei
paragrafi seguenti verranno mostrati alcuni esempi della loro utilizzazione.
6LVWHPD(VSHUWRSHUPRWRULWXUERHOLFD
In questa sezione viene presentato un Sistema Esperto che consente la ricerca del guasto in modo
assistito. Ciò significa che partendo dai valori di pochi parametri, al limite uno solo, e consultando la
base di conoscenza il Sistemarichiede all’utente informazioni mirate che portano all’isolamento del
problema. Il Sistema Esperto è realizzato in Visual Basic ed è fortemente interattivo. Un esempio
dell’applicazione è riportato nelle fig.1-8
)LJ(VHPSLRGLLQWHUD]LRQHIUDXWHQWHH6LVWHPD(VSHUWR9LHQHPRVWUDWDODVWRULDGHOPRWRUHHYLHQHGDWRLO
YDORUHGHOODWHPSHUDWXUDDOORVFDULFR
G. Torella
)LJ3ULPDGLDJQRVLGHO6LVWHPDHULFKLHVWDGLXOWHULRULLQIRUPD]LRQL
)LJ6XFFHVVLYDGLDJQRVLXOWHULRULULFKLHVWHPLUDWHGLLQIRUPD]LRQL
)LJ8OWLPRLQVHULPHQWRGLLQIRUPD]LRQLHGLDJQRVLILQDOH
3
4
56° Congresso Nazioanle ATI
6LVWHPD(VSHUWRSHU7XUERIDQ
La base di conoscenza di questi Sistema Esperto è stata ricavata dai manuali di manutenzione del
motore. Esso è un turbofan a flussi separati con compressore di bassa collegato al fan. Il motore ha un
alto rapporto di diluizione, elevata spinta ed è utilizzato su aerei civili per tratte transoceaniche. Il
Sistema Esperto è stato sviluppato in Visual Basic in modo da mettere a punto codici µXVHUIULHQGO\¶
ed altamente interattivi. Un esempio dell’utilizzazione del Sistemamesso a punto è riportato nelle
figure 9-12. I codici messi a punto possono considerare differenti condizioni operative, fig. 9, e diversi
problemi che si possono presentare, fig. 10. Nel caso in esame si è ipotizzato che il numero di giri
dell’albero di alta preessione sia fuori dei valori normali. Introdotto il tipo di guasto, inizia
l’interazione fra il Sistemae l’utente. Questi deve rispondere a diverse domande e deve effettuare
diversi controlli, fig. 11 ed il Sistemaindica l’operazione di manutenzione che deve essere fatta, fig.
11. Infine se il risultato dell’intervento è positivo il Sistemadispone che il motore è idoneo al servizio,
fig. 12.
)LJ&RQGL]LRQL2SHUDWLYHHSUREOHPLFKHVLSRVVRQRSUHVHQWDUH
)LJ$]LRQLVXJJHULWHGDO6LVWHPDGHOLEHUDGHOPRWRUH
6LVWHPD(VSHUWRLQ7XUERSURORJ
In questo caso è stato considerato un motore turbofan a flussi miscelati che equipaggia un velivolo
militare. La base di conoscenza è stata ricavata ancora dai manuali di manutenzione del motore forniti
dalla ditta costruttrice. Il linguaggio utilizzato è il Turbo PROLOG. La scelta di questo linguaggio è
motivata dal fatto che esso si presta particolarmente alla rappresentazione di strutture ad albero ed alla
costruzione di Sistemi Esperti. In effetti nel manuale di manutenzione del propulsore sono contenute
delle tabelle per la ricerca guasti che rappresentano delle vere e proprie strutture ad albero. Il Turbo
PROLOG è in grado di rappresentare tali strutture con facilità in quanto esso si preoccupa della falsità
o verità delle affermazioni e non delle relazioni tra le varie affermazioni e quindi consente di isolare il
guasto in maniera semplice e interattiva. Il Turbo PROLOG è un linguaggio dichiarativo; ciò significa
che si rappresenta il problema in termini di fatti e regole noti dopodiché si indica al programma un
obiettivo da raggiungere ed esso, grazie a regole di deduzione formale, indicherà la soluzione corretta.
G. Torella
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La Base di Conoscenza non è altro che una particolare rappresentazione delle strutture ad albero e
quindi delle procedure da seguire per la ricerca guasti del motore. Essa consta di alcuni DUFKLYL, uno
per ogni tipo di guasto, in cui sono state conservate e codificate le azioni, indicate dal manuale relativo
alla manutenzione del motore in questione, da seguire per la ricerca ed eliminazione dei difetti. Ciò
significa che per ogni tipo di avaria o malfunzionamento del motore rilevato a terra o in volo sono
indicati i passi per identificare il componente guasto responsabile dell’avaria e la procedura da seguire
per rimediare all’inconveniente.
La traduzione delle tabelle riportate nel manuale in regole e condizioni che costituiscono la Base della
Conoscenza è stata la parte più impegnativa da realizzare. Per capire come ciò sia stato effettuato si
mostrerà l’esempio relativo all’avaria di falsa segnalazione della spia presente nell’abitacolo e che
indica, in condizioni normali, eccessive vibrazioni sull’albero motore rilevate da trasduttori posti in
prossimità dei supporti motore. Nel malfunzionamento considerato si ipotizza che la spia si accenda in
assenza di vibrazioni, fornendo così una falsa indicazione.
Sul manuale, in corrispondenza dell’evento in questione, si trova la seguente tabella:
a
b
c
d
g
h
Procedura
I trasduttori anteriore e posteriore sono correttamente installati?
Il connettore A e cablaggio fino al connettore AA o e/o BB e il
re C e il cablaggio fino al connettore DD e/o EE sono in perfette
ni e sono correttamente collegati?
La prova funzionale dell'Impianto Controllo Vibrazioni da risultati
negativi?
Riparare il cablaggio del turbogetto
Eseguire ricerca guasti ed eliminazione difetti per impianto avviso
avarie
Riparare Impianto controllo vibrazioni
No
D
Si
b
c
G
h
-
-
-
-
Per utilizzare questa tabella basta partire dalla prima domanda o procedura, e rispondere a quanto
chiesto. Nel caso di risposta “Si”, si dovrà saltare alla procedura indicata con una lettera nella colonna
6L, analogamente in caso di risposta “No”. Quando si giunge al segno “–“ nella colonna 6L o 1R,
significa che si è giunti al termine della ricerca ed identificazione del guasto.
Per rendere tale procedura comprensibile al linguaggio adottato, si è dovuto trasformarla nell’insieme
di regole e condizioni seguenti:
UXOHIDOVDLQGLFD]LRQHVSLDDYDULD/59,%PRQWDUHFRUUHWWDPHQWHLOWUDVGXWWRUH
YLEUD]LRQLDQWHULRUHHRSRVWHULRUH>@
UXOHIDOVDLQGLFD]LRQHVSLDDYDULD/59,%ULSDUDUHFDEODJJLRGHOWXUERJHWWR>@
UXOHIDOVDLQGLFD]LRQHVSLDDYDULD/59,%HVHJXLUHULFHUFDJXDVWLDGLPSLDQWRDYYLVD
DYDULH>@
UXOHIDOVDLQGLFD]LRQHVSLDDYDULD/59,%ULSDUDUH,PSLDQWRFRQWUROORYLEUD]LRQL>@
FRQGLWUDVGXWWRULDQWHULRUHHSRVWHULRUHQRQVRQRFRUUHWWDPHQWHLQVWDOODWL
FRQGFRQQHWWRUH$HFDEODJJLRILQRDOFRQQHWWRUH$$HR%%HLOFRQQHWWRUH&HLO
FDEODJJLRILQRDOFRQQHWWRUH''HR((QRQVRQRLQSHUIHWWHFRQGL]LRQLRQRQVRQR
FRUUHWWDPHQWHFROOHJDWL
FRQGODSURYDIXQ]LRQDOHGHOO
,PSLDQWRFRQWUROORYLEUD]LRQLGjULVXOWDWLQHJDWLYL
FRQGODSURYDIXQ]LRQDOHGHOO
,PSLDQWRFRQWUROORYLEUD]LRQLGjULVXOWDWLSRVLWLYL
Le regole (UXOHV) hanno la seguente struttura:
6
½
½
½
½
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il primo numero dopo la parentesi è l’identificatore della regola;
la prima frase indica il tipo di avaria;
la seconda frase indica la procedura da seguire per riparare l’avaria;
i numeri fra parentesi quadre rappresentano le condizioni (identificate tramite numeri) che devono
essere verificate affinché la procedura riportata nella regola sia VERA.
Le condizioni (FRQG) hanno invece la seguente struttura:
½ il numero dopo la parentesi serve ad identificare la condizione stessa;
½ la frase dopo il numero rappresenta la verifica o prova che dev’essere condotta al fine di isolare
l’avaria e a cui si dovrà fornire la risposta circa il suo esito positivo o negativo.
Il Motore Inferenziale, una volta caricata la base di conoscenza, cerca dapprima di soddisfare la regola
numero 1 (UXOH). Per fare ciò esso verifica innanzitutto che sia soddisfatta la condizione riportata
nella regola stessa, cioè la condizione>@FRQG. Il Sistema Esperto ottiene ciò ponendo all’utente la
domanda riportata nella FRQG:
(¶YHURFKH³LWUDVGXWWRULDQWHULRUHHSRVWHULRUHQRQVRQRFRUUHWWDPHQWHLQVWDOODWL´"
Se l’utente risponde 6,, la FRQG diventa 9(5$ e di conseguenza sono soddisfatte tutte le condizioni
per cui è 9(5$ la procedura di riparazione riportata nella UXOH(“montare correttamente il trasduttore
vibrazioni anteriore e/o posteriore´) In questo caso il programma mostra all’utente la scritta:
3HU ULSDUDUH O¶DYDULD ³IDOVD LQGLFD]LRQH VSLD DYDULD /5 9,% RFFRUUH PRQWDUH FRUUHWWDPHQWH LO
WUDVGXWWRUHYLEUD]LRQLDQWHULRUHHRSRVWHULRUH
Nel caso invece l’utente risponda 12, la FRQG diventa )$/6$ e non è possibile soddisfare le
condizioni che rendono vera la UXOH. Il programma passa quindi alla regola successiva, e controlla
che siano verificate le condizioni riportate in tale regola. Nel caso in cui una sola condizione non sia
verificata, il Sistema Esperto passa all’esame della regola successiva e così via fino a trovare la causa
dell’avaria e la procedura di riparazione da adottare.
Nel caso nessuna condizione e quindi nessuna regola sia soddisfatta, il programma dichiara che è
impossibile identificare l’avaria e consiglia di aggiornare la Base di conoscenza.
Come più volte detto il Sistema Esperto sviluppato è interattivo ed è anche in grado di giustificare le
sue scelte o i suggerimenti dati all’utente. Un colloquio tipico fra utente e Sistemapotrebbe essere il
seguente:
[&RPSXWHU:]
[8WHQWH:]
[&RPSXWHU:]
5HJROD Ê YHUR FKH ³OD SURYD IXQ]LRQDOH GHOO
,PSLDQWR FRQWUROOR
YLEUD]LRQLGjULVXOWDWLSRVLWLYL´"
3HUFKp"
6WR FHUFDQGR GL GLPRVWUDUH FKH SHU ULSDUDUH O¶DYDULD ³IDOVD
LQGLFD]LRQH VSLD DYDULD HFFHVVLYH YLEUD]LRQL RFFRUUH
³HVHJXLUH OD ULFHUFD JXDVWL DOO¶LPSLDQWR DYYLVR DYDULH´
PHGLDQWHODUHJROD
SHU ULSDUDUH O¶DYDULD ³IDOVD LQGLFD]LRQH VSLD HFFHVVLYH
YLEUD]LRQL RFFRUUH ³HVHJXLUH OD ULFHUFD JXDVWL DOO¶LPSLDQWR
DYYLVRDYDULH´VH³ODSURYDIXQ]LRQDOHGHOO
,PSLDQWRFRQWUROOR
YLEUD]LRQLGjULVXOWDWLSRVLWLYL´
Tale accorgimento consente all’utente di conoscere sempre quale processo logico si sta percorrendo, e
permette di seguire passo dopo passo il ragionamento del programma. Ciò rende il processo più
trasparente, e le conclusioni raggiunte più accettabili. Quanto detto è particolarmente rilevante nel
caso in cui l’applicazione di conclusioni errate potrebbe comportare gravi conseguenze. Ad esempio,
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nel caso della manutenzione di un propulsore aeronautico complesso, azioni errate implicherebbero un
oneroso dispendio di ore lavoro per rimuovere e poi rimontare le parti a torto giudicate in avaria. Ciò
penalizzerebbe la disponibilità operativa dei mezzi e farebbe impennare vertiginosamente i costi di
esercizio.
6LVWHPL(VSHUWLSUREDELOLVWLFL
L’uso dei Sistemi Esperti come supporto alla manutenzione non è sempre agevole. In alcuni casi,
specialmente in apparati estremamente complessi, le informazioni in possesso del Sistema Esperto
possono essere scarse o non precise: di conseguenza, alcuni sintomi non consentono di isolare un
unico guasto ben definito oppure possono portare addirittura ad una conclusione errata.
Per ovviare a questi inconvenienti sono stati sviluppati i Sistemi Esperti Probabilistici ( detti anche
Belief Networks) che relazionano sintomi e guasti, assegnando delle probabilità decrescenti a seconda
che a quel sintomo corrisponda quel determinato guasto piuttosto che un altro.
Nel caso qui presentato, quale esempio della struttura della Base di, è stata considerata una Unità di
Potenza Ausiliaria (APU) di un velivolo commerciale. Si tratta di un apparato a turbina che assicura
l’autonomia energetica quando il velivolo è a terra e sta effettuando tutte quelle operazioni che
precedono la partenza. Per sviluppare la Base di Conoscenza è stata fatta una classificazione dei
sintomi presentati dagli A.P.U.. A tale scopo sono stati analizzati i dati raccolti nel periodo 1994-1998
e gli eventi che avevano portato allo sbarco di questo apparato. A titolo di esempio si riportano le
conclusioni relative a due sintomi particolari. Negli schemi, fig. 13 e 14 sono indicate le probabilità
che il sintomo sia collegato alla particolare avaria.
6LQWRPR3DUWLFHOOHPHWDOOLFKHQHLULOHYDWRUL
S
FXVFLQHWWRFRPSUHVVRUH
S
6
,
1
7
2
0
2
FXVFLQHWWRYHQWRODUDIIUHGGDPHQWR
S
FXVFLQHWWRSLJQRQHULGXWWRUH
S
FXVFLQHWWRSRPSDROLR
S
GDQQHJJLDPHQWRSDOHWWHƒVWDGLRFRPSU
S
HURVLRQHSDOHWWHWXUELQD
)LJ3UREDELOLWjGHOOHFDXVHGHLJXDVWLFROOHJDWHDOVLQWRPR
SDUWLFHOOHPHWDOOLFKHQHLULOHYDWRUL
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6LQWRPR5XPRUHHYLEUD]LRQLDQRPDOH
S
FXVFLQHWWRFRPSUHVVRUH
S
FDPHUDGLFRPEXVWLRQH
S
SDOHWWHWXUELQDGDQQHJJLDWH
S
6
,
1
7
2
0
2
WHQXWHWXUELQD
S
FXVFLQHWWRSLJQRQHULGXWWRUH
S
VHSDUD]LRQHSDOHWWHƒVWDGLRFRPSUHVVRUH
S
WUDILODPHQWRROLRWXUELQD
S
URWWXUDFDPHUDGLFRPEXVWLRQH
S
VEDUFRQRQPRWLYDWR
S
DOWUHFDXVH
)LJ3UREDELOLWjGHOOHFDXVHGHLJXDVWLFROOHJDWHDOVLQWRPR
5XPRUHHYLEUD]LRQLDQRPDOH
Molto utile in sede di ricerca guasti può essere la frequenza con cui un certo problema si presenta nel
tempo. Questa informazione si può trovare nei manuali delle procedure di ricerca guasti di alcuni
apparati di potenza ausiliaria. Nelle fig. 15-17 è riportato un esempio di Sistema Esperto che utilizza
questo tipo di informazioni altre a quelle usualmente impiegate.
Nel caso in esame il sintomo più eclatante è la presenza di fumo, fig. 14. Il Sistema Esperto cerca nella
base di conoscenza tutte le possibili cause di questo sintomo e le mostra all’utente nel senso di
frequenza crescente. In questo caso questo parametro rappresenta il numero di guasti di questo tipo e
dovuti a quella causa per ora di lavoro, fig. 15. Da questo momento inizia una stretta iterazione fra
l’utente ed il Sistema, fig. 16. Fino a quando non si identifica sia la causa del guasto, sia la sede sia
l’azione di manutenzione necessaria, fig. 17.
G. Torella
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)LJ,QFRQYHQLHQWHULOHYDWR
)LJ&DXVHGHOO¶LQFRQYHQLHQWHLQRUGLQHGLIUHTXHQ]DGHFUHVFHQWH$YYLRGHOODLQWHUD]LRQHFRQ
O¶XWHQWHSHULVRODUHLOJXDVWR
)LJ'LDJQRVLILQDOHFRQLQGLFD]LRQLGHOOHD]LRQLGDLQWUDSUHQGHUH
10
56 Congresso Nazionale ATI
&21&/86,21,
Questo lavoro ha presentato alcuni Sistemi Esperti messi a punto come supporto alla manutenzione
motori a turbina di uso aeronautico ed a unità di potenza ausiliaria (APU). I sistemi illustrati possono
essere molyto utili sia nella ricerca guasti sia nella diagnostica degli apparati. I Sistemi sono stati
scritti sia in linguaggi dichiarativi sia in linguaggi procedurali. In quest’ultimo caso si è dovuto
trasformare in regole del Turbo-prolog le tabelle del manuale delle procedure di ricerca guasti,
contenute nel manuale di manutenzione. Infine sono stati presentati sia i criteri di costruzione delle
basi di conoscenza dei Sistemi Esperti Probabilistici (Belief Networks) sia un esedmpio di
applicazione di questi Sistemi Esperti.
%,%/,2*5$),$
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2)-R.I.LEVINE, D.E.DRAG, B.EDELSON "A.I. Expert Systems a Comprehensive Guide" McGraw
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