工程機械遠程故障監診系統

曹 涌，張長勝

(昆明理工大學信息工程與自動化學院自動化系，昆明650500)

1 引言

隨著我國現代化建設的迅速發展，特別是基礎設施建設方面的發展，工程機械設備在其中起著不可替代的作用，各種工程機械設備甚至是夜以繼日的運行。當今的工程機械設備其性能、速度以及復雜程度都在不斷提高，隨之而來的可靠性問題也日漸突出。工程機械設備往往工作在一些自然環境惡劣的場所，通信、交通等都不夠便利，如若發生故障其維修難度也隨之加大，需要更換的一些零部件在較短時間內都難以及時送達，造成了工期的延誤，從而可能給整個工程造成經濟上的巨大損失。基于此，及時對機械設備各部件進行監測從而預測設備可能發生的故障變的尤為重要。而傳統的設備監測維修方式多以人工方式憑借積累的經驗進行，需要耗費大量的人力資源，且不可能面面俱到，準確度不夠高。為了保證工程機械設備在惡劣的工作環境下能夠正常運行，需要建立一種能夠及時監測機械設備各部件的運行狀態從而預測其發生故障的可能性的機制，在第一時間解決可能出現的故障，以避免給整個工程帶來經濟上的損失。本系統的設計、開發能夠很好的滿足上述需求，給商家和用戶帶來了很多便利。

2 總體設計

系統總體由三部分組成，設備制造商監診服務器、設備出租商監診服務器和車載終端。各部分功能描述如下:

(1)設備制造商監診服務器

設備制造商參與了整個設備的生產過程，對設備各部件有著豐富的維修技術和維修經驗，在設備的售后維護當中起著舉足輕重的作用。設備制造商可以通過遠程監診服務器直接監視設備的運行狀態，也可以在最大限度上對設備出租商進行技術支持，能夠更加準確的預測設備在運行過程中可能出現的故障。

在設備使用者和設備出租商無法對設備進行自主維修時，設備制造商能夠通過遠程交互的方式對其進行指導。

(2)設備出租商監診服務器

設備出租商通過服務器能夠及時的關注設備的運行狀態，通過對各種參數的分析，在設備使用者經驗不足的情況下設備出租商能夠及時為設備使用者提供相關技術支持，通知其設備可能出現的問題，并指導其對設備進行維修或暫停對設備的使用以免造成更大的損失，如有必要設備出租商可以提前將需要更換的設備零部件送往設備工作現場，以縮短維修時間。

(3)車載終端

通過車載終端設備使用者可以對設備的運行狀態進行實時監測，通過顯示的各種數據，憑借自身經驗，預測設備有可能出現的故障，并對相應部件進行檢修，以使設備能夠正常運行。

對于設備確實存在的故障，在現場工作人員無法維修的情況下，可以及時向設備出租商進行匯報，以此得到維修專家的遠程指導。工程機械設備遠程故障監診系統的整體結構模型如圖1。

圖1 系統整體結構模型

3 硬件設計

3.1 車載終端硬件設計

車載終端以基于ARM9的嵌入式處理器S3C2440作為硬件開發平臺。S3C2440被廣泛應用于工業控制、移動通信、PDA、路由器等領域，其主頻為400MHz，總線頻率為133MHz，芯片中集成了下列模塊:16KB指令 Cache、16KB數據 Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、NAND Flash控制器、4通道PWM定時器和1個內部定時器、168腳通用GPIO、實時時鐘、8通道10bit的AD和觸摸屏接口、標準20pin JTAG調試接口等。存儲器方面采用256MB Nand-Flash用于數據存儲和64MB SDRAM用于程序運行，屏幕采用3.5寸TFT觸摸屏。其硬件結構如圖2所示。

圖2 車載終端硬件結構

其主要負責機械設備各部件的數據采集和預處理，通過GPRS模塊將數據發送到遠程服務器，通過GPS模塊將設備的地理位置信息發送到遠程服務器(包括設備制造商監診服務器和設備出租商監診服務器)。

3.2 設備監診服務器端硬件設計

設備監診服務器包括設備制造商監診服務器和設備出租商監診服務器，兩者的硬件結構完全相同，遠程監診體系的各個構成部分之間的連接方式分為專線連接、電話線連接和互聯網連接3種。專線連接方式具有傳遞速度快，連接質量高，信號時延小，可靠性高等優點，但成本高，性價比低。電話線連接方式用調制解調器通過現有電話線撥號連接，采用文件傳輸的方式進行現場數據與遠程診斷中心之間的聯系，這種方式所采用的設備較為簡單，費用低，較為容易實現，對現有通訊手段較為落后的地區比較實用，且容易普及。但傳輸速率受電話線路的限制相對較低，而且由于傳輸線路不穩定將造成傳輸數據的不穩定，有較大的時延，有時還可能出現傳輸過程中的斷線，所以這種方式并不理想。

遠程監診服務器必須具有固定的IP地址(向互聯網服務提供商獲取)，便于接收車載終端通過GPRS網絡發送的數據。

4 軟件設計

4.1 車載終端軟件設計

車載終端軟件系統引入嵌入式Linux2.6操作系統，以Qt/Embedded為開發工具，整個軟件都在嵌入式Linux2.6的管理下運行。程序設計有別于傳統順序結構的設計思想，程序雖然有主程序，但主程序并不完成某種特定的功能，而只是對一些軟硬件、實時變量、全局變量以及操作系統進行初始化，并且建立一個任務，然后啟動操作系統而已;最后系統就把CPU控制權交給操作系統，永遠不會返回主程序。通過操作系統調度，實時顯示機械設備各部件傳感器采集到的信號，并對其進行分析判斷，若超過所設定的閥值則發出聲光報警信號，實現部件的檢測功能，與此同時系統能夠定時地通過GPRS模塊將采集到的數據經無線網絡發送到遠程服務器，而GPS模塊也能將設備的地理位置信息通過通信網絡傳給遠程服務器。

(1)數據采集程序設計

系統上電復位后，首先調用系統初始化子程序對數據采集裝置的各個模塊進行重新設置，使系統進入工作狀態。系統利用定時器產生中斷，結束微控制器的低功耗狀態。系統實時時鐘(RTC)中斷然后轉入中斷處理子程序，喚醒微控制器。系統調用數據采集程序、數字濾波和存儲子程序(當超出閥值時還要調用緊急處理子程序，將此時、此部件的數據以閃爍的方式顯示在車載終端觸摸屏上發出聲光報警)。軟件主要包括以下幾個部分:采集裝置初始化程序、實時時鐘設置程序、傳感器數據定時采集程序、數據無線傳輸程序、數據顯示、報警程序。

(2)GUI界面設計

該模塊用于車載終端與操作人員交互，傳感器采集到的信息經過A/D轉換以后都以數字的形式顯示在這個界面上，操作人員能夠很直觀的對設備信息進行觀測。本設計采用的Qt/Embedded界面設計功能強大，能夠開發良好的GUI界面。

4.2 服務器端軟件設計

在服務器端采用Qt Creator進行軟件開發，開發過程采用Qt獨有的信號、槽機制進行編程。設備制造商監診服務器和設備出租商監診服務器的開發思路大體相同，僅在數據庫的設計方面有所區別，包含的數據信息不同。

工程機械遠程故障監診系統服務器端主要由數據預處理程序、參數數據庫、多傳感器信息融合算法、故障樹決策、現場專家等組成。

遠程監診服務器首先對從傳感器上采集過來的信號經過預處理，然后送入參數數據庫，采用多傳感器信息融合算法將來自不同傳感器的信息進行融合，獲取預測所需的初始數據，與故障數據庫中的信息進行匹配，建立故障樹模型，由專家進一步分析故障部位和故障原因，待確認后將信息傳遞給一線人員。

5 關鍵技術

5.1 車載終端涉及的關鍵技術

車載終端涉及的關鍵技術主要是嵌入式操作系統的移植，具體有Bootloader移植，文件系統移植和Linux內核的移植，只有整個平臺搭建好以后才能實現GPRS通信。

其次是應用程序編寫，即Qt編譯環境的建立，程序首先要在x86體系結構的主機上調試通過后才可將其移植到ARM體系結構的開發板上，即Qt需要編譯兩次來滿足程序的編寫需求。

5.2 服務器端涉及的關鍵技術

服務器端涉及到的關鍵技術有多傳感器信息融合技術和故障樹分析法。

(1)多傳感器信息融合技術

多傳感器信息融合是利用計算機技術對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息，以及數據庫和知識庫的信息，在一定準則下加以自動匯集、相關、分析、綜合為一種表示形式，以完成所需要的估計和決策任務所進行的信息處理過程。

無論在結構還是在信息傳遞上，現代工程機械由于其結構復雜所以其發生故障的因果關系也比較復雜且故障點隱蔽，同樣的故障其原因有多種。多傳感器信息融合技術可以解決工程機械故障診斷中信息量不足、不完善而導致故障誤判、遺漏的問題，一般通過信息融合，可增加置信度，提高檢測系統的可靠性。

(2)故障樹分析法(FTA)

故障樹分析法(FTA)是指系統利用故障樹模型對不同對象進行建模。故障樹模型是一種基于研究對象結構、功能特征的行為模型，是一種定性的因果模型，以系統最不希望事件為頂事件，以可能導致頂事件發生的其它事件為中間事件和底事件，并用邏輯門表示事件之間聯系的一種倒樹狀結構。設計時由專家根據各個被診斷對象的構造及功能邏輯關系，構造出系統的邏輯故障樹，存放于模型數據庫中，供故障診斷模塊使用。

根據故障樹可找出故障中所有導致頂事件發生的最小割集，也就是系統全部可能的失效狀態，全部最小割集的集合又稱為系統的故障譜。以故障樹為手段，通過分析故障譜，了解系統發生故障的各種途徑及原因，找出系統的薄弱環節，可以有效地提高系統的可靠性。故障樹適合系統構成層次分明、子系統間關系明確簡單的系統，因此本故障診斷系統采用故障樹方法進行建模。

6 結束語

系統根據實際需要給出了工程機械設備遠程監診系統的總體設計，考慮到工程機械的工作環境限制，采用無線數據傳輸，克服了使用有線傳輸帶來的不便，降低了整個系統的硬件成本。系統通過車載終端和服務器能夠很好地為工程機械可能發生的故障做出預測，在很大程度上提高了工程機械的使用壽命。

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