基于專家系統和MapInfo的電路故障診斷技術研究

郭小娟，張慶榮

(北京航空航天大學，北京 100191)

控制邏輯轉換裝置是飛機飛行控制系統的重要組成部分，在該系統中起著控制樞紐的作用。現有的測試系統只能判斷控制邏輯轉換裝置是否有故障，如果測試報錯，則完全由人工依靠儀器分析，有時由于測試人員經驗不足而導致誤判斷或誤處理，致使故障擴大。

利用基于MapInfo和專家系統的電路故障診斷系統，可以幫助測試技術人員及時、準確地對各種異常狀態和故障做出診斷，并預防和消除故障。

1 故障診斷系統的總體設計

故障診斷技術發展至今，已提出了大量較成熟的方法。按照國際故障診斷權威FRANK P M教授的觀點，所有的故障診斷方法可以分為3種：(1)基于解析模型的方法；(2)基于信號處理的方法；(3)基于知識的方法[1]。基于知識的診斷方法包括基于專家系統的方法、基于模糊的方法、基于神經網路的方法和基于故障樹的方法[2]。

邏輯轉換裝置的測試系統設計如圖1所示。本文采用專家系統的方法設計故障診斷系統，專家診斷的結果還將通過電子地圖的方式提供給測試人員。

圖1 系統總體設計圖

2 故障診斷專家系統的設計

專家系統故障方法是計算機在采集被診斷對象的信息后，綜合運用各種規則(專家經驗)，進行一系列的推理[3]。必要時還可以隨時調用各種應用程序，運行過程中向用戶索取必要的信息后，就可快速地找到最終故障或最有可能發生的故障，再由用戶來證實[4]。

本文設計的專家系統如圖2所示，由人機接口、數據庫、推理機、知識故障庫等組成。

圖2 專家系統結構圖

人機接口：人與專家系統打交道的橋梁和窗口，也也是人機信息的交互界面。

數據庫：采集大量信號和器件在測試中的正確狀態。如輸入輸出信號線、中間信號在測試過程每一步的正確值及開關、燈、繼電器以及三極管在測試中的正確狀態。系統采用Access完成知識和數據的存儲，信息以表的形式存儲。數據庫的結構易于系統推理加工和處理，在管理軟件的控制下，數據庫接收和存儲有關故障類型的信息和相對應的信息。

推理機：根據獲取的信息，綜合運用各種規則進行故障診斷、輸出診斷結果。本系統設計了兩種算法：(1)通過計算匹配度確定故障原因。根據已知的錯誤信息檢索數據庫，保存匹配度大于0的所有故障類型，并按匹配度大小進行排隊，匹配度大的故障類型是實際發生故障的可能性比較大，由此可以根據專家知識庫推理出可能出錯的元器件。(2)根據測試中錯誤信號的分布范圍確定故障位置。根據報錯的所有測試步驟，查詢涉及到的輸入輸出信號、中間信號、交叉信號，并通過比對輸出。技術人員在地圖上根據信號找到出錯的元器件。

知識故障庫：包括所有的故障類型和故障類型對應的信息。故障類型與其對應信息可以在線檢測時添加，使得知識庫在使用中會不斷豐富壯大。

3 電路地圖的開發制作

3.1 基于MapInfo制作電路地圖的步驟

MapInfo是常見的GIS(地理信息系統)軟件之一，MapInfo地理信息系統平臺作為圖形、文字信息結合的軟件工具具有多個優點：強大的圖形表達及處理功能、實用的關系型數據庫功能、靈活的數據查詢分析功能、功能強大的系統開發工具[5]。地圖的制作主要經歷四個步驟：獲取柵格圖、配準柵格圖、地圖圖層化、地圖編碼。

經過獲取柵格圖、配準柵格圖、地圖圖層化三個步驟后得到的部分電路地圖如圖3所示。

圖3是制作完成的控制邏輯轉換裝置PCB電路地圖的一部分。 包括元件 C19(電容)、C8(電容)、D1(CPLD)、以及元件管腳上的信號。圖層1是作為背景的柵格圖像層；圖層2是信號圖層，由星狀標識構成，每一個星狀標識代表一個信號；圖層3是信元器件圖層，由黃色多邊形構成，每一個多邊形代表一個元器件。

圖3 部分電路地圖

地圖編碼首先將以上所得到的三個圖層制作成一個“.gst”文件，然后采集“.gst”文件中元器件和信號的名稱、位置、放大倍數等信息，并將其保存到 Access數據庫，這樣就可以實現調用地圖進行SQL查詢，但由于尚無導航功能，因此必須以此為基礎進行二次開發。

3.2 基于VB.Net+MapX的導航電子地圖實現

MapX是MapInfo的ActiveX控件產品。它是一種基于Windows操作系統的標準控件，因而能支持絕大多數標準的可視化開發環境，如 Visual C++、Visual Basic、Delphi、PowerBuilder、Visual Studio.NET 等。 利用 MapX 能夠簡單快速地在軟件中嵌入地圖化功能，增強軟件的空間分析能力。

在VB.Net環境下集成MapX開發GIS，將MapX做為控件軟件添加到應用程序中，然后通過設置屬性和調用該屬性方法來實現。

3.2.1 添加MapX控件

在VB.Net開發環境界面中，在工具欄中點擊右鍵，選擇“Choose Items”項。在隨即彈出的對話框中，選擇“COM Components” 選 項 卡 ， 選 中 “MapInfo MapX V5”。即可完成添加。

3.2.2 利用MapX控件實現圖形的顯示、縮放、漫游、定位查詢

(1)圖形顯示

首先在工具欄中調用MapX控件，然后在顯示圖形窗體(frmView)上添加MapX圖，在初始化添加如下代碼。

Private Sub Form_Load()

Dim lyr As MapXLib.Layer

Map1.Layers.Add App.Path& “map otalmap.tab”

Map1.Zoom=180′設置圖形初始顯示比例

Map1.CenterX=-1.2′設置圖形初始顯示X軸中心

Map1.CenterY=1′設置圖形初始顯示Y軸中心

Set lyr=Map1.Layers(“totalmap”)

lyr.Editable=False′設置圖形不可編輯

lyr.Selectable

End Sub

(2)圖形縮放、漫游

先在顯示圖形窗體(frmView)上添加放大按鈕、縮小按鈕、漫游按鈕。

這3個功能的實現調用MapXLib中的函數miZoom-InTool、miZoomOutTool和 miPanTool來實現。

(3)圖形定位

定位功能有著重要的實用意義，技術人員將不必翻找大量資料，在定位元器件或信號的同時，技術人員還可獲取該元器件或信號的信息(如名稱、當前的正確狀態)，以便進行下一步排故工作。

VB.Net定位功能實現的思路：在某一圖形窗體(frmView)上放 2 個 MapX 控件：Map1(主圖)、Map2(鷹眼圖，也稱導航圖)。然后編寫相應代碼在鷹眼圖上創建一個圖層，在該圖層上添加一個矩形Feature，該矩形的大小隨著主圖邊界而變化。

完成以上工作后，電子地圖可以放大、縮小、移動，通過主副圖配合使用，技術人員能夠快速精確地找到故障位置，獲得相關信息。

4 系統用戶界面設計

測試系統中與故障診斷界面相關的有故障分析界面和地圖操作界面。

(1)故障分析界面主要實現4個功能：輸入錯誤信息、選擇算法診斷、輸出診斷界面、向故障知識庫添加新知識。

(2)地圖操作界面進一步輔助用戶分析。用戶輸入出錯的測試步驟時，地圖會自動定位到相關的原理圖或PCB圖相關的元件上。通過查看電路圖，用戶就可以進一步驗證故障分析的結果。

此外，在地圖操作界面上，用戶可查出測試中每一步所有信號的正確狀態。因此用戶可判斷某一信號的狀態是否正確，方便手動排除故障。地圖操作定位界面如圖4所示。

本系統采用人機對話界面風格，系統功能按層次全部列于屏幕上，用戶可直接用鍵盤、鼠標等各種設備選擇各項功能。在各子功能菜單上設計各種類型的對話框及圖標，實現高度交互性，提高對無效信息的屏蔽，同時統一各菜單標準，提供運行指導和聯機幫助功能。

圖4 定位界面

通過對故障診斷系統的現場調試實驗，對該方法進行了大量有效驗證，實踐證明該方法能夠較好地實現對該電路系統的故障診斷，并且與原測試系統相互配合，合為一體。與其他電子電路的故障診斷方法相比，采用專家系統和MapInfo方法設計的故障診斷系統，不但能診斷出故障原因和故障位置，還可將電路圖做成電子地圖，直觀、形象地查看故障，便于用戶實施解決方案。

[1]朱大奇，于盛林.基于知識的故障診斷方法綜述[J].安徽工業大學學報，2002,19(7):197-204.

[2]MOURAD S，ZORIAN Y.電 子 系 統 測 試 原 理 [M].北 京 ：機械工業出版社，2007.

[3]翟麗芳.電子設備故障診斷專家系統的設計[J].計算機應用，2001，27(4):244-246.

[4]TARIQ A，JOANNE B D.Diagnostic expert systems from dynamic fault trees.www.cnki.com，2003.

[5]杜巧玲.MapInfo 7中文版[M].北京：清華大學出版社，2006.