基于故障樹和規(guī)則推理的穿梭車故障診斷

張 寶，楊 豐，李學(xué)軍，楊 濤

（1.四川煙草工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽分廠，綿陽 621000；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621010）

0 引言

穿梭車作為自動化物流系統(tǒng)中一種智能型軌道導(dǎo)引搬運(yùn)設(shè)備，在自動化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。它具有沿著固定路徑動態(tài)移載的功能，可實(shí)現(xiàn)物料在不同站點(diǎn)之間的傳送，使得自動化輸送系統(tǒng)的設(shè)備布局更加緊湊、簡捷[1]。然而，實(shí)際工程應(yīng)用中穿梭車的正常運(yùn)行完全依賴于各組件裝置的固有可靠性，對穿梭車缺少有效的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，時(shí)常出現(xiàn)故障誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，而且一旦發(fā)生故障，維修人員只能憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)逐一排查找出故障原因，故障處理效率低下，嚴(yán)重影響了整個(gè)物流系統(tǒng)的工作效率。

故障診斷技術(shù)已越來越多地在自動化物流系統(tǒng)領(lǐng)域得到應(yīng)用。章採品[2]等研究了基于故障樹分析法的堆垛機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了專家系統(tǒng)知識獲取與表示方式；李小平[3]等建立了一種基于Internet、OPC以及故障樹技術(shù)的堆垛機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷及維修系統(tǒng)，對堆垛機(jī)信息的采集、傳輸、故障分析等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹；聶峰[4]提出運(yùn)用上位和下位監(jiān)控系統(tǒng)對穿梭車在應(yīng)用過程中發(fā)生的常見故障進(jìn)行診斷分析，并通過監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)計(jì)的作業(yè)跟蹤與設(shè)備任務(wù)管理功能進(jìn)行故障定位的方法，該方法實(shí)現(xiàn)了穿梭車故障遠(yuǎn)程診斷功能，但是對于故障原因分析仍需要人工查詢確認(rèn)，存在故障定位不精確、故障報(bào)警信息不明確等缺陷。

本文針對某卷煙廠出入庫穿梭車時(shí)常因當(dāng)前站點(diǎn)信息丟失或激光脫靶等故障而無法正常運(yùn)行的實(shí)際問題，提出了一種組合條碼識別與激光測距的冗余定位方法，以增強(qiáng)定位的可靠性；設(shè)計(jì)了一種基于故障樹與規(guī)則的穿梭車故障診斷系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能，使用Visual Studio 2010和Microsoft SQL 2008開發(fā)的原型系統(tǒng)在該卷煙廠穿梭車的故障診斷中得到了成功應(yīng)用。

1 定位技術(shù)分析

定位技術(shù)作為穿梭車控制技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系著穿梭車的安全性和運(yùn)行效率，一旦定位出現(xiàn)偏差、錯(cuò)誤等故障，極易導(dǎo)致物料出入庫不正常、物料跌落損毀等事故的發(fā)生。穿梭車的定位方法主要有：1) 認(rèn)址片定位，即采用沿著穿梭車的行進(jìn)方向設(shè)置認(rèn)址片，控制器通過檢測認(rèn)址片來判斷穿梭車位置和站點(diǎn)位置；2) 認(rèn)址片編碼器定位[5]，即在方法1) 的基礎(chǔ)上引入編碼器對認(rèn)址片進(jìn)行校驗(yàn)，從而提供定位可靠性；3) 激光定位[6,7]，即采用激光測距器進(jìn)行定位；4) 激光認(rèn)址片定位，即在方法3) 的基礎(chǔ)上采用認(rèn)址片對激光定位進(jìn)行校驗(yàn)，提高定位可靠性[8]；5) 條碼定位[9,10]，即采用在穿梭車底部安裝條碼閱讀器，在條碼閱讀器的正前方、軌道的外側(cè)邊安裝條碼帶，穿梭車運(yùn)行過程中通過掃描條碼帶獲取位置信息進(jìn)行定位；6) 磁柵定位[11]，即采用靜磁柵位移傳感器和靜磁柵尺替換方法5) 中的條碼閱讀器與條碼帶，實(shí)現(xiàn)精確定位。表1對幾種定位方法進(jìn)行了對比分析。

表1 定位方法優(yōu)缺點(diǎn)對比分析表

現(xiàn)階段穿梭車大多采用單一技術(shù)手段進(jìn)行定位，性能各異；相比之下，方法4) 不僅定位精度高而且可靠性高，效果最好。但是，由于認(rèn)址片提供的信息量有限，無法辨識當(dāng)前站點(diǎn)信息。為此，本文提出采用條碼識別技術(shù)對現(xiàn)有激光測距定位進(jìn)行校驗(yàn)，構(gòu)建了一種組合條碼識別和激光測距的穿梭車冗余定位系統(tǒng)。條碼識別技術(shù)是一種集信息識別、數(shù)據(jù)采集、自動錄入和快速處理等于一體的新型信息技術(shù)，為解決數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)采集的“瓶頸”問題提供了有效途徑[12]。

2 冗余定位系統(tǒng)

本文提出的組合條碼識別和激光測距的穿梭車冗余定位系統(tǒng)，由激光測距模塊、條碼識別模塊和控制模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中激光測距傳感器選用SICK DL50-P2225，測量精度為±3mm，響應(yīng)時(shí)間為10ms；條碼閱讀器選用SICK CLV650-0000，其掃描空間為200mm～1600mm，采用增強(qiáng)型SMART條碼重組技術(shù)，對于破損、污損、打印質(zhì)量差或?qū)Ρ榷炔畹臈l碼有良好的讀取性能。

通過激光測距模塊對穿梭車當(dāng)前位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤采集，并將得到的位置信息傳遞給控制模塊；然后控制模塊根據(jù)當(dāng)前位置信息和目標(biāo)站點(diǎn)的位置信息對穿梭車進(jìn)行位置和速度控制；最后當(dāng)穿梭車定位運(yùn)行停止后，控制模塊通過條碼定位校驗(yàn)?zāi)K掃描獲取距離穿梭車最近站點(diǎn)的條碼標(biāo)簽信息，根據(jù)標(biāo)簽信息是否有效對激光測距定位進(jìn)行校驗(yàn)，判斷穿梭車定位是否精準(zhǔn)可靠。穿梭車定位改進(jìn)安裝示意圖如圖2所示。

圖1 冗余定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 定位改進(jìn)示意圖

3 穿梭車故障診斷設(shè)計(jì)

穿梭車作為自動化物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其故障具有隨機(jī)性、不確定性。若穿梭車發(fā)生故障，將直接影響整個(gè)物流系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，對穿梭車進(jìn)行故障分析、診斷十分必要。故障樹分析法（Fault Tree Analysis FTA）是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐漸細(xì)化的分析方法[13]，具有便于分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、刻畫系統(tǒng)各事件關(guān)聯(lián)性的優(yōu)點(diǎn)。規(guī)則推理通過把相關(guān)領(lǐng)域的專家知識形式化描述出來，形成系統(tǒng)規(guī)則進(jìn)行檢索推理，符合人類思維習(xí)慣，具有推理直觀、快速的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合二者的優(yōu)勢，本文設(shè)計(jì)了一種基于故障樹與規(guī)則的故障診斷系統(tǒng)，采用故障樹分析法對穿梭車故障進(jìn)行分析，確定故障原因及其發(fā)生概率，按照相關(guān)準(zhǔn)則將故障樹轉(zhuǎn)化為規(guī)則，形成規(guī)則知識庫，并根據(jù)穿梭車故障發(fā)生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的規(guī)則推理機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)穿梭車故障自診斷功能。

3.1 穿梭車故障樹分析

故障樹分析就是將故障原因從整體到局部逐步細(xì)化，自上而下逐層分解，從而對故障系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評價(jià)和分析[14]。根據(jù)穿梭車主要結(jié)構(gòu)和工作原理，本文按下述步驟建立以“穿梭車不能正常運(yùn)行”T作為頂事件的穿梭車主故障樹。故障樹主體結(jié)構(gòu)如圖3所示，各事件對應(yīng)的事件名稱如表2所示。

圖3 穿梭車故障樹主體結(jié)構(gòu)

3.2 故障樹轉(zhuǎn)化為規(guī)則

采用故障樹對穿梭車故障進(jìn)行分析處理，即是通過研究穿梭車結(jié)構(gòu)、功能和行為的因果關(guān)系，理清故障傳播的層次和父、子節(jié)點(diǎn)間的因果關(guān)系[14]。根據(jù)文獻(xiàn)[15]提出的故障樹轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生式規(guī)則的三條準(zhǔn)則，可以采用“IF THEN”型的診斷規(guī)則來體現(xiàn)各個(gè)父、子節(jié)點(diǎn)間的正向因果關(guān)系鏈，以此來表示故障原因及故障傳播邏輯關(guān)系。

3.3 規(guī)則推理

收集統(tǒng)計(jì)某卷煙廠穿梭車歷史故障信息，在2013年期間穿梭車主故障發(fā)生頻次中：行走故障2次、移載故障6次、滑觸線故障4次、控制故障0次、定位故障15次，定位故障發(fā)生比例高達(dá)約56%，說明導(dǎo)致穿梭車無法正常運(yùn)行的原因一般都是由定位失效引起。因此，在一般規(guī)則推理的基礎(chǔ)上，根據(jù)主故障不同頻次分級建立子規(guī)則庫，即主故障頻次越高對應(yīng)的子規(guī)則庫優(yōu)先級越高，推理過程中按優(yōu)先級進(jìn)行規(guī)則檢索，從而提高故障診斷效率。

4 實(shí)例分析

針對某卷煙廠出入庫穿梭車使用過程中因當(dāng)前站點(diǎn)信息丟失或激光脫靶等故障而無法正常運(yùn)行的實(shí)際問題，完成了對穿梭車定位方法的改進(jìn)。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)圖4所示的定位校驗(yàn)診斷模型，改進(jìn)后的冗余定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穿梭車當(dāng)前站點(diǎn)信息的實(shí)時(shí)跟蹤，有效防止了在因激光測距誤差增大等原因穿梭車移載鏈機(jī)與站點(diǎn)輸送鏈機(jī)對位不準(zhǔn)的情況下，盲目進(jìn)行上下貨任務(wù)導(dǎo)致貨物堵塞、跌落甚至損毀等事故的發(fā)生，提高了系統(tǒng)定位的可靠性。

此外，基于Visual Studio 2010和Microsoft SQL 2008開發(fā)工具，采用C#開發(fā)的基于故障樹與規(guī)則的穿梭車故障診斷系統(tǒng)也在該卷煙廠得到了成功應(yīng)用，所開發(fā)故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

運(yùn)用該故障診斷系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了穿梭車運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測界面如圖6所示；而且根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)造的規(guī)則庫和分級優(yōu)先推理機(jī)制，通過將獲取的狀態(tài)參數(shù)與推理規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，不僅保證了故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的及時(shí)響應(yīng)，而且實(shí)現(xiàn)了穿梭車故障快速診斷功能，故障診斷界面如圖7所示。借助于系統(tǒng)得出的故障診斷信息，維護(hù)人員對于突發(fā)故障可以第一時(shí)間獲取詳細(xì)的故障信息，從而提高了故障維修效率，減少了穿梭車故障停機(jī)時(shí)間。

表2 事件及事件對應(yīng)名稱

圖4 定位校驗(yàn)診斷模型

圖5 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 穿梭車狀態(tài)監(jiān)測界面

圖7 穿梭車故障診斷界面

5 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有穿梭車定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)建了一種組合條碼識別和激光測距的冗余定位系統(tǒng)，并通過實(shí)際應(yīng)用證明該定位系統(tǒng)可以有效提高穿梭車定位的可靠性。綜合故障樹便于知識獲取與分析、規(guī)則推理直觀高效的優(yōu)點(diǎn)，以及穿梭車故障發(fā)生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于故障樹與規(guī)則的穿梭車故障診斷系統(tǒng)，通過在某卷煙廠的成功應(yīng)用說明了該系統(tǒng)具有良好性能，有助于提高故障維修效率。

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