基于專家推理的工程機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉學(xué)勇，徐曉東

（1.江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇無錫214083;2.總裝備部工程兵軍事代表局，北京， 100850）

現(xiàn)代工程機(jī)械的智能化、電子化的程度相對較高，涉及到機(jī)、電、液和氣一體化等多學(xué)科交叉技術(shù)，其各個(gè)組成部分，如機(jī)械傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等的工作原理和結(jié)構(gòu)組成都比較復(fù)雜，出現(xiàn)故障后的檢測與維修難度大，給工程兵部隊(duì)的使用、維護(hù)、保養(yǎng)和故障帶來很大的不便。這些裝備在使用過程中的拆裝、調(diào)試、檢測和維修的技術(shù)資料儲備，維修技術(shù)力量的培訓(xùn)，維修設(shè)備和手段的更新等，嚴(yán)重滯后于部隊(duì)的實(shí)際需求。根據(jù)部隊(duì)平時(shí)使用、訓(xùn)練過程中有關(guān)這三種新型工程機(jī)械故障排除與維修的統(tǒng)計(jì)資料顯示，作業(yè)與保障分隊(duì)各種類型工程裝備的突發(fā)隨機(jī)故障有很多，而各分隊(duì)在進(jìn)行故障分析、排除和對結(jié)構(gòu)原理的掌握等方面具有明顯的不足，嚴(yán)重地影響了對這些設(shè)備的快速日常維護(hù)、保養(yǎng)和故障檢測及排除，因而必須更多地借助生產(chǎn)廠家或外部技術(shù)力量的支持。到目前為止，絕大多數(shù)部分隊(duì)仍沒有能夠拿出一套行之有效的解決方法。這一現(xiàn)狀顯然無法滿足部隊(duì)工程裝備高完好率、高機(jī)動性的要求。本文提出研制一套基于便攜式電腦和手持式電子裝置（PDA）的新型工程機(jī)械故障專家診斷系統(tǒng)，以提高部隊(duì)在新型工程機(jī)械檢測維修方面的保障能力。

1 系統(tǒng)功能與組成

新型工程機(jī)械故障專家診斷系統(tǒng)，主要包括兩方面的功能:1）維修決策與指導(dǎo)功能，用來幫助工程兵分隊(duì)進(jìn)行推、挖、裝等工程機(jī)械的故障分析、識別、診斷、定位和維修方法、維修時(shí)間、維修編組等維修方案的確定和實(shí)施等任務(wù)。2）教學(xué)訓(xùn)練功能，可進(jìn)行工程裝備使用、操縱與維修人員和新兵的工程機(jī)械工作原理、結(jié)構(gòu)組成方面的教學(xué)訓(xùn)練，以及工程裝備故障的分析、診斷、定位、維修方案的制定與實(shí)施等的訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

該系統(tǒng)硬件由兩部分構(gòu)成，即作為應(yīng)用系統(tǒng)主體的筆記本計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場使用終端的手持工業(yè)計(jì)算機(jī)終端（以下簡稱PDA）。其中PDA主要用來在計(jì)算機(jī)難以使用的場合，用來指導(dǎo)操作維修人員利用維修領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行工程裝備故障的分析判斷、故障定位、維修方案制定和現(xiàn)場維修診斷等。通過PDA同時(shí)可以獲取故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行暫時(shí)存儲，然后利用無線或有線手段上傳到筆記本計(jì)算機(jī)中，以豐富、完善和更新故障專家診斷與訓(xùn)教系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，擴(kuò)大和增長系統(tǒng)的指導(dǎo)診斷能力。筆記本計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用軟件系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心，可以用來進(jìn)行故障分析、診斷、定位、維修方案的制定，進(jìn)而指導(dǎo)維修人員實(shí)施故障的快速維修和設(shè)備的現(xiàn)場快速保養(yǎng)維護(hù)。另一方面，用來進(jìn)行專業(yè)人員的培訓(xùn)教學(xué)，利用系統(tǒng)所融合的維修專家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使培訓(xùn)人員掌握工程裝備故障的分析判斷過程、定位方法、具體故障維修方案的制定，了解和掌握工程機(jī)械零部件及系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、性能參數(shù)、分解、檢修、裝配與調(diào)整技巧與方法，形象直觀地顯示故障的層次關(guān)系及工程裝備結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)、工作原理和性能特點(diǎn)，提高專業(yè)人員的維修技能與裝備保障能力。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)規(guī)劃

系統(tǒng)由手持式智能工業(yè)終端（PDA）模塊、專家故障診斷模塊、數(shù)據(jù)錄入模塊、工作原理結(jié)構(gòu)檢測裝配與調(diào)整模塊、維修方案生成模塊、訓(xùn)教模塊、幫助模塊和打印輸出模塊等組成，程序流程如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)主程序框圖

2.2 專家故障診斷軟件

故障專家診斷的主要功能是根據(jù)使用維修人員提供的現(xiàn)場故障信息，綜合系統(tǒng)所融合的維修保障領(lǐng)域?qū)＜矣嘘P(guān)故障現(xiàn)象分析、故障原因識別、總成或系統(tǒng)工作原理、結(jié)構(gòu)、分解、檢修、裝配與調(diào)整等方面的經(jīng)驗(yàn)、技能信息，對工程裝備的故障進(jìn)行系統(tǒng)的診斷與分析解剖，并能根據(jù)故障原因的不同給出故障維修方案，包括維修方法、維修時(shí)間、維修編組、維修器材與工具等技術(shù)方案。另外，專家診斷模塊也可用來進(jìn)行維修操作人員的維修保障訓(xùn)練、實(shí)習(xí)等工作。該模塊的流程圖如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)錄入軟件

為防止初學(xué)者輸入無效數(shù)據(jù)，破壞故障數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，所以數(shù)據(jù)錄入模塊面向高級用戶，在進(jìn)入數(shù)據(jù)錄入功能時(shí)要求輸入高級用戶密碼，只有正確輸入密碼才能進(jìn)入數(shù)據(jù)錄入界面。

圖2 故障專家診斷流程圖

數(shù)據(jù)錄入界面除下拉式操作菜單外，也提供了方便的操作命令按鈕，如“插入節(jié)點(diǎn)”、“插入子節(jié)點(diǎn)”、“更改節(jié)點(diǎn)名稱”等，用戶可以利用菜單或命令按鈕，方便地進(jìn)行新型工程機(jī)械故障的數(shù)據(jù)錄入工作。

各個(gè)故障數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)均由自身編號（ID）和父編號（parent）組成，如圖3所示。上級節(jié)點(diǎn)和下級節(jié)點(diǎn)由parent鏈接，下級節(jié)點(diǎn)的父編號（parent）與上級節(jié)點(diǎn)的ID號相同，形成從上級節(jié)點(diǎn)到下級節(jié)點(diǎn)的單向鏈接關(guān)系。故障樹的層次結(jié)構(gòu)成為動態(tài)擴(kuò)展的樹形結(jié)構(gòu)，有效地解決了大數(shù)據(jù)量存儲與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的固定分配空間約束這一難題。

圖3 故障數(shù)據(jù)的鏈表結(jié)構(gòu)

2.4 維修方案生成軟件

維修方案主要包括故障現(xiàn)象、故障分析判斷、故障原因分析、故障的排除和調(diào)整方法、故障零部件的更換與修理時(shí)間、零部件維修的編組、機(jī)具設(shè)備、工具材料及輔料等內(nèi)容。

維修方案和排除步驟是在專家診斷并確定故障原因后，提供的給維修人員的維修方案和維修操作步驟。

維修方案數(shù)據(jù)的存儲方式與故障數(shù)據(jù)存儲方式相似，也是采用單向鏈表的形式，不再贅述。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 故障層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫與檢索方案的設(shè)計(jì)

由于新型工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)與工作原理的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)故障信息數(shù)據(jù)庫時(shí)面臨極大的困難。實(shí)際工程應(yīng)用中，同一故障現(xiàn)象，可能由多種原因引起，而每種故障原因又可能由不同的零部件引起。同一零部件又會產(chǎn)生多種故障原因。因此，故障零部件、系統(tǒng)、故障原因、故障現(xiàn)象等元素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，再加上領(lǐng)域?qū)＜业南嚓P(guān)的經(jīng)驗(yàn)知識，這些元素在數(shù)據(jù)庫的存儲時(shí)很難處理。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)，合理的融合了鏈表式結(jié)構(gòu)與層次化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了故障現(xiàn)象、故障原因和故障分析過程數(shù)據(jù)表，滿足了專家推理的需求和程序的高效運(yùn)行的要求。

3.2 工作原理、結(jié)構(gòu)、檢修、分解、裝配與調(diào)整數(shù)據(jù)信息高效存儲與顯示

每一個(gè)新型工程機(jī)械，其組成零部件至少上萬，考慮到其檢修、分解、裝配與調(diào)整等信息數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量幾乎是海量的。如何存儲這些數(shù)據(jù)，并恰當(dāng)?shù)仫@示出來是件巨大的工作。經(jīng)過對當(dāng)前所能見到的幫助系統(tǒng)和工程裝備信息化管理手段進(jìn)行仔細(xì)分析和比較。應(yīng)用了Word文檔格式轉(zhuǎn)換為Html格式，將相應(yīng)的主題信息存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，開發(fā)了編譯軟件，對轉(zhuǎn)換后的html文件和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編譯鏈接，較好地處理了數(shù)據(jù)庫信息檢索、html文檔數(shù)據(jù)存儲和可執(zhí)行文件數(shù)據(jù)查詢?nèi)呗?lián)合作用的工作原理等數(shù)據(jù)存儲與顯示模式。程序執(zhí)行效果與人機(jī)界面都是比較優(yōu)秀的。

4 結(jié)論

新型工程機(jī)械故障專家診斷系統(tǒng)在研制開發(fā)過程中，認(rèn)真貫徹了有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，主要性能指標(biāo)滿足了規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。所采用的嵌入式工業(yè)級移動數(shù)據(jù)終端、嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、面向?qū)ο筌浖_發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，具有先進(jìn)、成熟、可靠等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)充分貫徹了模塊化、一體化、結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο蠛兔嫦驊?yīng)用的設(shè)計(jì)思想，使系統(tǒng)的軟件穩(wěn)定、可靠、友好，達(dá)到了使用要求。