基于條件規(guī)則的故障樹(shù)分析法的研究與應(yīng)用

陳成春

CHEN Cheng-chun

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車系，福州 350007）

0 引言

近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是汽車電子技術(shù)的快速更新，人們對(duì)汽車故障診斷的研究進(jìn)入了快速的發(fā)展階段，尤其是汽車電控技術(shù)故障診斷方法的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者的普遍關(guān)注。

隨著研究的深入，人們總結(jié)出多種汽車電控系統(tǒng)的故障診斷方法，包括有：故障樹(shù)分析法、小波分析法、混沌與分形診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法、模糊診斷法等診斷方法。目前，這些方法有的是獨(dú)立使用于不同的故障現(xiàn)象和故障部位，有的需要進(jìn)行復(fù)雜的公式推導(dǎo)和程序編輯。這就要求故障診斷技術(shù)員要掌握多種的故障診斷方法和多種的數(shù)據(jù)分析能力，甚至需要進(jìn)行復(fù)雜程序編輯，難度較大。另外，有些故障診斷方法在進(jìn)行復(fù)雜故障診斷時(shí)，診斷結(jié)果會(huì)出現(xiàn)多個(gè)故障原因和故障發(fā)生部位，給汽車維修技術(shù)員增加維修時(shí)間。

因此，要想快速準(zhǔn)確地進(jìn)行汽車電控系統(tǒng)的故障診斷，維修技術(shù)人員必須要有一套較理想的故障診斷方法，使得技術(shù)人員能夠進(jìn)行正確的故障分析和推理，并方便的確定故障的準(zhǔn)確部位，以便進(jìn)行汽車電控系統(tǒng)的快速維修。因此，探索一種適合于汽車電控系統(tǒng)的故障診斷方法，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 故障樹(shù)分析方法

由于汽車電控系統(tǒng)的故障特點(diǎn)與汽車機(jī)械故障特點(diǎn)存在很大的不同，汽車電控部件之間表面上看起來(lái)并沒(méi)有太大的聯(lián)系，存在較大的抽象性；另外，汽車電控系統(tǒng)的故障具有很大的隨機(jī)性和間歇性。故障樹(shù)分析法能夠根據(jù)故障特征進(jìn)行故障樹(shù)分析，得到系統(tǒng)所有的故障原因和故障發(fā)生部位，因此，故障樹(shù)分析法比較適合于汽車電控系統(tǒng)的故障特點(diǎn)。

故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis）簡(jiǎn)稱FTA法，是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹(shù)枝狀逐漸細(xì)化的分析方法。因而，它是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的有效工具，其目的在于判明基本故障，確定故障的原因、影響和發(fā)生的概率。

故障樹(shù)分析法就是把所研究系統(tǒng)的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標(biāo)，然后尋找直接導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素，在找出造成下一級(jí)事件發(fā)生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、無(wú)需再深究的因素為止。通常把最不希望發(fā)生的事件稱為頂端事件，無(wú)需再深究的事件稱為底端事件，介于頂端事件和底端事件的一切事件為中間事件。用相應(yīng)的符號(hào)代表這些事件，再用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T把頂端事件、中間事件和底端事件連接成樹(shù)形圖。這樣的樹(shù)形圖稱為故障樹(shù)，用以表示系統(tǒng)或設(shè)備的特定事件與它的各個(gè)子系統(tǒng)或各個(gè)部件故障事件之間的邏輯關(guān)系（如圖1所示）。以故障樹(shù)為工具，分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種途徑，計(jì)算各個(gè)可靠性特征量，對(duì)系統(tǒng)的安全性或可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法稱為故障樹(shù)分析法。

圖1 故障樹(shù)結(jié)構(gòu)圖

故障樹(shù)特點(diǎn)就是故障樹(shù)的所有底端事件都沒(méi)有發(fā)生，則故障樹(shù)的頂端事件就不會(huì)發(fā)生，即：故障樹(shù)的每個(gè)底端事件的發(fā)生都是一種故障樹(shù)頂端事件的可能。因此，采用故障樹(shù)分析法進(jìn)行故障診斷分析，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)故障診斷結(jié)果。維修技術(shù)員在進(jìn)行維修操作時(shí)，就需要拆裝多個(gè)部件進(jìn)行判斷，甚至很多技術(shù)員是通過(guò)部件更換進(jìn)行故障驗(yàn)證的方式來(lái)進(jìn)行故障排除，大大地增加了維修難度和維修時(shí)間。

現(xiàn)在的汽車故障診斷技術(shù)是在不解體之前，通過(guò)相關(guān)檢測(cè)，得到技術(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析推理，確定汽車技術(shù)狀況，查明故障發(fā)生部位和原因的過(guò)程。因此，能夠準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生部位，縮小故障診斷結(jié)果范圍的故障診斷方法才是最有實(shí)際經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義的。

2 基于條件規(guī)則的故障樹(shù)分析法及其應(yīng)用

如果能夠在故障樹(shù)分析法的基礎(chǔ)上，增加條件規(guī)則判斷，不斷縮小診斷范圍，最后得出的故障診斷結(jié)果就比較確定，范圍也比較小，這樣就可以大大地提高故障維修效率。

2.1 基于條件規(guī)則的故障樹(shù)分析法

基于條件規(guī)則的故障樹(shù)分析法就是在故障樹(shù)分析法的故障樹(shù)的中間事件和底端事件上，增加一定的條件規(guī)則，進(jìn)行物理和邏輯判斷，確定故障樹(shù)每個(gè)的分支的選擇，以便準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷分析，得出準(zhǔn)確的故障發(fā)生的原因和故障部位（如圖2所示）。

由圖2中可以看出，從頂事件出發(fā)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地方，分別添加相應(yīng)的規(guī)則條件，用來(lái)識(shí)別故障樹(shù)分析的具體分支走向，就可以縮小診斷范圍，減少診斷步驟和條件規(guī)則判斷次數(shù)。

圖2 基于條件規(guī)則的故障樹(shù)結(jié)構(gòu)圖

條件規(guī)則一般為：數(shù)值范圍（電壓、電阻、頻率、油壓和角度等數(shù)值）是否變化、是否出現(xiàn)、是否偏高、偏低、偏大、偏小，以及各種的性質(zhì)特征現(xiàn)象等。條件規(guī)則需要技術(shù)員進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并且通過(guò)檢測(cè)得到相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和特征，以便進(jìn)行相應(yīng)的分析判斷，從而進(jìn)一步進(jìn)行診斷推理。

故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須通過(guò)查找大量的維修資料，結(jié)合具體車型，構(gòu)建邏輯推理思維，進(jìn)行故障樹(shù)的設(shè)計(jì)。一般汽車故障診斷員所從事的工作對(duì)象只是較少的車型，因此，對(duì)于診斷員來(lái)說(shuō)，掌握某一種具體車型的故障樹(shù)的設(shè)計(jì)并沒(méi)有太大的困難，甚至現(xiàn)在的汽車診斷技術(shù)員都能夠自行設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的故障樹(shù)。

通過(guò)設(shè)計(jì)好的具有條件規(guī)則的故障樹(shù)，診斷技術(shù)員就可以進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)獲得診斷數(shù)據(jù)和信息，確定準(zhǔn)確的故障發(fā)生部位。

2.2 具體應(yīng)用

下面以豐田8A-FE電控發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)故障為例，進(jìn)行電控點(diǎn)火系統(tǒng)故障診斷分析。

豐田8A-FE電控發(fā)動(dòng)機(jī)的電控點(diǎn)火系統(tǒng)主要有：電磁感應(yīng)式曲軸和凸輪軸位置傳感器、點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、分電器、火花塞和相關(guān)的高壓導(dǎo)線等組成。控制點(diǎn)火提前角的傳感器主要有：水溫傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等（如圖3所示）。

圖3 8A-FE電控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)控制原理圖

豐田8A-FE電控發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)中的電控單元ECU，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)傳感器的信號(hào)，進(jìn)行分析計(jì)算，輸出點(diǎn)火控制信號(hào)IGT，控制點(diǎn)火器。點(diǎn)火器促使內(nèi)部的控制三極管導(dǎo)通和截止，使得點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組導(dǎo)通和切斷，使得點(diǎn)火線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而點(diǎn)火線圈發(fā)生磁場(chǎng)互感，在次級(jí)繞組上產(chǎn)生高壓電動(dòng)勢(shì)，并傳給分電器分火頭，再通過(guò)高壓導(dǎo)線傳給火花塞，使火花塞兩極擊穿并產(chǎn)生火花。火花大小決定于點(diǎn)火線圈的匝數(shù)，以及點(diǎn)火線圈的充放電的時(shí)間長(zhǎng)短。點(diǎn)火正時(shí)主要是由電控單元ECU輸出的點(diǎn)火控制指令I(lǐng)GT的時(shí)刻決定，IGT信號(hào)輸出的時(shí)間越早，點(diǎn)火發(fā)生時(shí)間越早，點(diǎn)火提前角越大。

圖4 8A-FE型發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)帶有條件規(guī)則的故障樹(shù)圖

根據(jù)該型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制理論，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的帶有條件規(guī)則的故障樹(shù)（如圖4所示）。從圖中的故障樹(shù)頂端事件電控點(diǎn)火系統(tǒng)故障，到最底端的故障具體發(fā)生部位，中間又增加了中間事件，每個(gè)中間事件通過(guò)條件規(guī)則的判斷，就可以少了一個(gè)由該中間事件產(chǎn)生的分支，這個(gè)分支直到底端事件可以無(wú)需診斷。所以，在實(shí)際的診斷過(guò)程中，可以省去了很多不必要的診斷，提高了診斷效率。另外，由于汽車電控系統(tǒng)的電路復(fù)雜的原因，對(duì)于每個(gè)電控部件出現(xiàn)故障時(shí)，有可能會(huì)跟電路以及電控單元有關(guān)，因此，在維修過(guò)程中，可以再進(jìn)一步進(jìn)行子故障樹(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步區(qū)分電控元件損壞、電路故障以及電控單元損壞的故障原因。

通過(guò)基于條件規(guī)則的故障樹(shù)設(shè)計(jì)，并結(jié)合每個(gè)電控元件的子故障樹(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行診斷分析，可以精確地找出故障發(fā)生的準(zhǔn)確部位，節(jié)省了維修人員的維修時(shí)間，提高維修效率。

另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，汽車電控系統(tǒng)故障診斷過(guò)程基本不占用維修工位，提高了維修作業(yè)空間利用率。

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，采用基于條件規(guī)則的故障樹(shù)分析法，可以有效地提高汽車電控系統(tǒng)的故障診斷效率，減少維修時(shí)間，提高汽車維修作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。其次，采用此辦法，可以防止誤診和漏診，提高了診斷的準(zhǔn)確率。再次，采用此辦法所設(shè)計(jì)的故障樹(shù)，具有很高的適用性和針對(duì)性，大大地減輕了故障診斷和維修技術(shù)難度。另外，采用此辦法設(shè)計(jì)的故障樹(shù)構(gòu)建成診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就可以嘗試進(jìn)行遠(yuǎn)程故障輔助診斷。

[1]許化東.基于故障樹(shù)分析法汽車故障診斷專家系統(tǒng)的研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué),2002.

[2]Luo W.L.and Zou Z.J.Neural Network Based Robust Controller for Trajectory Tracking of Underwater Vehicles. China Ocean Engineering[J],2007,21(2):281-292.

[3]周平,楊浩泉.電控發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障診斷流程的設(shè)計(jì)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2008,37(2):43-45.

[4]陳才連.汽油電控發(fā)動(dòng)機(jī)失火及其診斷技術(shù)方法[J].機(jī)電信息,2010,(24):43-53.

[5]王萬(wàn)森.人工智能原理及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:37-65.

[6]肖云魁.汽車故障診斷學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:1-278.

[7]李百華.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2009:1-262.

[8]一汽豐田公司.豐田轎車故障維修手冊(cè)(威馳、卡羅拉、凱美瑞、皇冠)[Z].