自動(dòng)變速器離線故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 昕 趙治國(guó)

（1.上海通用汽車有限公司；2.同濟(jì)大學(xué)）

1 前言

自動(dòng)變速器（AT）與手動(dòng)變速器（MT）相比，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，故障原因多種多樣，因此對(duì)維修技術(shù)人員要求更高，即在生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)其質(zhì)量狀態(tài)作出快速準(zhǔn)確的判斷，及時(shí)找到故障原因并加以預(yù)防，甚至要求在不解體的情況下能準(zhǔn)確判斷故障來(lái)源并加以解決。

傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)由于知識(shí)庫(kù)不能及時(shí)更新，需要定期下載更新包來(lái)同步用戶的數(shù)據(jù)庫(kù)，且診斷和故障分析方法不能做到自主學(xué)習(xí)及自我改進(jìn)。而專家系統(tǒng)比傳統(tǒng)的診斷程序具有更好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性。使用專家系統(tǒng)輔助技術(shù)人員進(jìn)行故障排除，不僅可縮短診斷時(shí)間，而且還能幫助培訓(xùn)新員工，提升整體團(tuán)隊(duì)的技術(shù)水平。

目前，專家系統(tǒng)在汽車行業(yè)的應(yīng)用還處于試驗(yàn)階段，大多通過(guò)HTML網(wǎng)頁(yè)程序的編制來(lái)實(shí)現(xiàn)，且要求用于診斷的計(jì)算機(jī)必須聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，既不利于在無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下的診斷和故障解決，也不適用于對(duì)特有故障模式情況的學(xué)習(xí)和快速判斷。為此，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)變速器故障診斷專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有故障診斷、模式學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，而且預(yù)留了接口，通過(guò)加載不同的數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)不同總成間故障診斷的切換，也便于后續(xù)開(kāi)發(fā)整車級(jí)別的診斷專家系統(tǒng)。

2 6TXX系列自動(dòng)變速器

某汽車6TXX系列自動(dòng)變速器為6速前置前驅(qū)式自動(dòng)變速器，根據(jù)傳遞的扭矩和尺寸的不同，可分為6T30/40/45 3種類型，各類型具有共同的結(jié)構(gòu)，包括液力變矩器、行星齒輪系、摩擦式多片離合器總成和液壓控制系統(tǒng)。行星齒輪系提供6個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋，通過(guò)變速器內(nèi)的控制模塊（TCM）來(lái)改變速比。TCM接收并監(jiān)測(cè)各種電子傳感器的輸入信號(hào)，并使用這些信息決策最佳換擋時(shí)刻及執(zhí)行換擋。

隨著變速器中摩擦接合部件逐漸磨損或年久變形，換擋時(shí)間也將增加或減少。為了補(bǔ)償這些變化，TCM可自適應(yīng)調(diào)節(jié)壓力控制電磁閥的指令壓力，以保持原來(lái)標(biāo)定的換擋正時(shí)，并能在車輛使用周期內(nèi)保持最佳換擋品質(zhì)。

由于6TXX系列自動(dòng)變速器均采用電子控制，其離線故障的診斷和排除需要技術(shù)人員有一定的診斷維修經(jīng)驗(yàn)。從專家系統(tǒng)的程序角度來(lái)說(shuō)，要將經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為軟件能夠應(yīng)用的一種標(biāo)準(zhǔn)是非常困難的，因?yàn)槿四X既可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)（案例），又可以通過(guò)規(guī)則來(lái)作出判斷，當(dāng)2種推理結(jié)果相沖突時(shí)，人腦會(huì)進(jìn)行綜合考慮取舍后作出判斷。然而對(duì)于專家系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題就需要通過(guò)軟件算法來(lái)解決。

本文所開(kāi)發(fā)的故障診斷專家系統(tǒng)可以適用于6T30、6T40及6T50自動(dòng)變速器。后續(xù)可在此系統(tǒng)和知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上增添其它系列的變速器故障診斷功能，包括用于混合動(dòng)力汽車的變速器系列。

3 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般專家系統(tǒng)由用戶界面、推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)3部分組成。為使用戶能夠方便地更新和維護(hù)知識(shí)庫(kù)，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)增加了知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)包含4大部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)各部分功能如下。

a. 用戶界面。用戶界面由輸入和輸出2個(gè)部分組成，界面采用VisualBasic設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，用戶可在Windows XP或更高版本系統(tǒng)中操作運(yùn)行，如圖2所示。

b. 推理機(jī)。推理機(jī)是專家系統(tǒng)的信息處理程序，其主要由調(diào)度程序和推理程序組成。調(diào)度程序主要負(fù)責(zé)調(diào)用和查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的語(yǔ)句信息；推理程序主要負(fù)責(zé)運(yùn)算數(shù)據(jù)庫(kù)各元素屬性的邏輯關(guān)系，并給予調(diào)度程序執(zhí)行調(diào)用或查詢動(dòng)作。設(shè)計(jì)時(shí)將推理機(jī)內(nèi)建在程序中，實(shí)現(xiàn)了推理和控制一體化，并且實(shí)現(xiàn)了程序自我保護(hù)功能，不會(huì)因?yàn)橛脩粽`刪系統(tǒng)文件導(dǎo)致程序無(wú)法運(yùn)行。

c. 知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)是信息的集合，以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存。數(shù)據(jù)庫(kù)中包括現(xiàn)象、原因、屬性規(guī)則等相關(guān)信息，并且以程序能夠識(shí)別的結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)。由于數(shù)據(jù)庫(kù)接口統(tǒng)一，方便通過(guò)切換數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)程序整體功能的擴(kuò)展。該系統(tǒng)中使用Access來(lái)構(gòu)建知識(shí)庫(kù)。

d. 知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)允許授權(quán)人員對(duì)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)條目進(jìn)行管理，包括添加、修改、刪除、更新、備份、升級(jí)等操作，用戶可在不了解數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的情況下直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)操作。

3.2 知識(shí)的獲取與分析

首先通過(guò)與技師交流來(lái)獲取經(jīng)驗(yàn)，再將這些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行信息分解。通過(guò)交流可知，不同系列變速器的復(fù)雜程度不同，雖然自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)比手動(dòng)變速器復(fù)雜，但是某些款型的自動(dòng)變速器故障診斷卻不一定比手動(dòng)變速器復(fù)雜。

另外也發(fā)現(xiàn)，像生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)這樣工作強(qiáng)度和密度大的地方，每個(gè)技師都依靠自身所經(jīng)歷過(guò)的案例積累經(jīng)驗(yàn)，并沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)或工具來(lái)記錄和在團(tuán)隊(duì)中分享各自的經(jīng)驗(yàn)感想，更沒(méi)有工具能夠查閱以往的故障與新發(fā)現(xiàn)的故障有何種關(guān)聯(lián)；技師分析和解決問(wèn)題的步驟都是從自身角度出發(fā)，對(duì)新上任的技師，只能靠言傳身教和親身經(jīng)歷來(lái)豐富自己的故障診斷經(jīng)歷。這些不利于歸納總結(jié)常見(jiàn)的故障原因、優(yōu)化故障排除時(shí)間、給設(shè)計(jì)調(diào)試工程師提供反饋意見(jiàn)，從而導(dǎo)致工作效率低。因此，通過(guò)將一些常見(jiàn)的故障原因作歸納總結(jié)，并將其同失效模式結(jié)合起來(lái)，可作為開(kāi)發(fā)故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的一個(gè)突破口。

3.3 知識(shí)庫(kù)及其管理系統(tǒng)的建立

專家所運(yùn)用到的知識(shí)必須要經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)編碼才能為專家系統(tǒng)所用。推理機(jī)從知識(shí)庫(kù)取用所需要的知識(shí)條目用于問(wèn)題的推理解決。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)既可來(lái)自專業(yè)材料，也可采用從公共渠道取得的常識(shí)。專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)可以以多種方式存儲(chǔ)知識(shí)條目。

將知識(shí)庫(kù)的接口作了規(guī)范和統(tǒng)一，如果要解決其它總成的故障問(wèn)題，用戶只需要將數(shù)據(jù)庫(kù)位置切換到新數(shù)據(jù)庫(kù)即可使用，免去了重新開(kāi)發(fā)診斷程序的麻煩。但這對(duì)知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)布置要求很高，不僅要使數(shù)據(jù)庫(kù)易于被程序所讀取，還要易于維護(hù)和更新。專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)功能如圖3所示。

該專家系統(tǒng)的知識(shí)來(lái)源于2個(gè)方面：一方面通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)明書(shū)、產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)、產(chǎn)品潛在失效模式報(bào)告、零部件測(cè)試報(bào)告和維修手冊(cè)等渠道收集；另一方面通過(guò)生產(chǎn)車間對(duì)相關(guān)問(wèn)題的解決經(jīng)驗(yàn)、培訓(xùn)材料和資深技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)傳授獲得。

在自動(dòng)變速器實(shí)際故障診斷和解決過(guò)程中，現(xiàn)象和原因不是簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，某個(gè)現(xiàn)象可能是多種原因共同作用的結(jié)果，同時(shí)，某幾種原因的排列組合又能造成多種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生，因此故障現(xiàn)象和原因是多重對(duì)應(yīng)關(guān)系。假設(shè)故障現(xiàn)象為1個(gè)集合（現(xiàn)象1，2，3......n），故障原因?yàn)?個(gè)集合（原因1，2，3，……m），則其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

在Visual Basic中添加data控件，通過(guò)設(shè)置App.Path，ADODB.Connection和 DataSource等屬性作為數(shù)據(jù)庫(kù)與專家系統(tǒng)的接口，將知識(shí)庫(kù)鏈接到程序中，如圖5所示。知識(shí)庫(kù)各功能實(shí)現(xiàn)代碼略。

3.4 推理機(jī)實(shí)現(xiàn)

推理機(jī)是專家系統(tǒng)的核心。目前一般將推理方式分為基于規(guī)則的推理和基于案例的推理2類。

3.4.1 基于規(guī)則的推理方式

基于規(guī)則的推理方式在專家系統(tǒng)中使用最廣泛。根據(jù)輸入的故障信息，推理機(jī)采用預(yù)設(shè)在程序里的規(guī)則，將結(jié)果輸出到程序界面反饋給用戶，通常用于表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，并且可用樹(shù)狀圖來(lái)表達(dá)相互關(guān)系。OBD系統(tǒng)運(yùn)用的就是基于規(guī)則的推理方式。

假設(shè)故障現(xiàn)象為1個(gè)集合 （現(xiàn)象1，2，3......n），故障原因?yàn)?1個(gè)集合（原因 1，2，3，……m），則使用程序語(yǔ)言可表述為：

IF<現(xiàn)象1>；若現(xiàn)象1成立且

<現(xiàn)象2>；現(xiàn)象2成立且

<現(xiàn)象n>；現(xiàn)象n成立

THEN<原因1>；則原因1成立且

<原因2>；原因2成立且

<原因m>；原因m成立

該推理方式比較成熟，開(kāi)發(fā)周期短，應(yīng)用廣泛，但是效率較低，更新慢，擴(kuò)展性較差。

3.4.2 基于案例的推理方式

基于案例的推理方法為，推理機(jī)首先讀取用戶選擇的故障狀況或用戶輸入的故障關(guān)鍵詞，然后搜尋知識(shí)庫(kù)并從中找到與該關(guān)鍵詞相關(guān)的案例再給出信息。知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)知識(shí)條目可以更新，并在下次診斷中被應(yīng)用到新的推理中，如圖6所示。

典型的基于案例的推理包括相似案例檢索、案例修訂、案例更新等。案例的表示、檢索、問(wèn)題特征提取和案例的更新是關(guān)鍵的問(wèn)題。使用源案例來(lái)求解目標(biāo)案例能夠簡(jiǎn)化知識(shí)的獲取，通過(guò)直接使用案例能夠提高求解效率。因此案例的保存既是程序?qū)W習(xí)的過(guò)程，也是知識(shí)獲取的過(guò)程。基于案例推理的代碼略。

基于案例的推理方式更新快、擴(kuò)展性好，但是前期開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序編制復(fù)雜，故障現(xiàn)象與原因兩者間具有復(fù)雜性和不確定性。

該故障診斷專家系統(tǒng)在基于規(guī)則推理的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，融合了基于案例推理的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，推理結(jié)果更貼合實(shí)際情況，而同時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)周期也較短。

4 測(cè)試實(shí)例

4.1 故障搜索

已知故障為“變速器油溫度過(guò)高”，需要搜索相關(guān)信息。運(yùn)行故障診斷專家系統(tǒng)并進(jìn)入搜索模塊，在故障清單中查找或選定故障現(xiàn)象 “變速器油溫度過(guò)高”，系統(tǒng)即顯示相關(guān)故障的現(xiàn)象及其故障定義、發(fā)生原因和推薦采取的措施，如圖7所示。實(shí)際原因?yàn)樽兯倨鞴苈防鋮s系統(tǒng)內(nèi)有雜質(zhì)而造成阻塞，推理出的多項(xiàng)原因中包含了該原因。

4.2 故障診斷

故障診斷模塊中可實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象到原因和從原因到現(xiàn)象的2種推理方式。

a. 已知故障現(xiàn)象為“倒擋不工作”，需要進(jìn)行診斷。運(yùn)行故障診斷專家系統(tǒng)，進(jìn)入診斷模塊，查找或選定故障現(xiàn)象“無(wú)倒擋”，系統(tǒng)即顯示相關(guān)的故障原因提供參考，排查并確定故障原因后選擇匹配的故障原因條目，即顯示對(duì)于此故障原因的定義，如圖8所示。實(shí)際原因?yàn)閴毫刂齐姶砰y不工作。

b. 已知故障原因?yàn)?“變速器冷卻系統(tǒng)阻塞”，需要進(jìn)行診斷。運(yùn)行故障診斷專家系統(tǒng)，進(jìn)入診斷模塊，查找或選定故障原因 “冷卻系統(tǒng)阻塞”，系統(tǒng)即顯示在該原因作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生何種故障現(xiàn)象，給予技術(shù)人員解決問(wèn)題的思路和經(jīng)驗(yàn)，如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用Visual Basic 6.0和Access構(gòu)建了自動(dòng)變速器離線故障診斷專家系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)了推理程序和知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)模擬故障的測(cè)試可知，該系統(tǒng)運(yùn)行順利，結(jié)果準(zhǔn)確，使用簡(jiǎn)便快捷，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

知識(shí)的獲取和知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是該故障診斷專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵。通過(guò)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)信息進(jìn)行了更新，從而使系統(tǒng)診斷的結(jié)果更貼合實(shí)際狀況，進(jìn)一步提升了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 Joseph Giarratano.專家系統(tǒng)原理與編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

2 Christoph Adami.Knowledge Introduction to Artificial Life.Springer-Verlag，1998.

3 馬才伏.汽車自動(dòng)變速器故障的診斷與排除.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008.

4 朱迅.自動(dòng)變速器維修.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.5 程曉章.基于規(guī)則的柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng).合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.

6 吳今培.智能故障診斷與專家系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社，1997.7 紀(jì)常偉.基于故障樹(shù)的汽車故障診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā).車輛與動(dòng)力技術(shù)，2003.