基于故障樹的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海瀾

摘要??? 為了提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷效率，提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷準(zhǔn)確率，本文根據(jù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種基于故障樹的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。首先分析了故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)其常見故障模式，建立了系統(tǒng)的故障樹模型，并設(shè)計(jì)了一種正向推理方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的推理。設(shè)計(jì)了人機(jī)交互系統(tǒng)，該人機(jī)交互系統(tǒng)擁有良好的交互性，具有一定的自我學(xué)習(xí)能力。

【關(guān)鍵詞】天然氣發(fā)動(dòng)機(jī) 故障診斷 專家系統(tǒng) 故障樹

天然氣汽車作為21世紀(jì)新型替代燃油的燃料汽車，因其具有污染低、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展，由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用了大量的電子技術(shù)，越來(lái)越難找到導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的原因。因此，建立一套快速高效的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)并提出合理化的改進(jìn)意見，這對(duì)提高汽車維修企業(yè)的維修效率和質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

故障診斷，就是通過(guò)特定設(shè)備系統(tǒng)，對(duì)某種特定設(shè)備功能失常的原因進(jìn)行分析診斷，并通過(guò)系統(tǒng)中所存儲(chǔ)的故障信息快速找到故障原因，并給出具體維修意見。基于故障樹的故障診斷方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型故障診斷的常用方法，在故障樹分析方法中，故障樹的根是系統(tǒng)中的一個(gè)故障，故障中的具體事件是一片樹葉，通過(guò)模塊故障將系統(tǒng)故障與故障基本事件連接起來(lái)，通過(guò)倒排故障樹圖形表達(dá)故障事件與故障原因的邏輯關(guān)系。故障樹分析法能夠直觀的表達(dá)出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的故障形式，可以快速的診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障的具體原因。

為了能夠快速對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，本文設(shè)計(jì)了一套基于故障樹的專家診斷系統(tǒng)，通過(guò)故障樹將大量的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因以及維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行圖像式的表達(dá)出來(lái)，再通過(guò)人機(jī)界面的方式將每個(gè)故障進(jìn)行形象直觀的顯示出來(lái)，并引導(dǎo)用戶進(jìn)行逐步查找原因并進(jìn)行維修。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由供氣單元、ECU單元、點(diǎn)火控制單元。供氣單元主要由高壓關(guān)閉電磁閥、熱交換器、電子截止閥、天然氣進(jìn)氣口壓力傳感器以及發(fā)動(dòng)機(jī)各溫度傳感器構(gòu)成;點(diǎn)火控制單元由點(diǎn)火電磁閥以及火花塞等構(gòu)成。渦輪增壓器控制系統(tǒng)可以使得氣體壓力能夠被精確控制。天然氣系統(tǒng)零部件主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)上，火花塞與點(diǎn)火電磁閥分別為獨(dú)立的元件，各缸采用獨(dú)立的高壓點(diǎn)火電磁閥，而天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)溫度比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)溫度要高，因此采用水冷增壓器。

儲(chǔ)氣瓶中的天然氣經(jīng)過(guò)濾清器進(jìn)行清潔過(guò)濾后，通過(guò)高壓關(guān)閉電磁閥對(duì)其進(jìn)行控制，天然氣經(jīng)過(guò)減壓后被輸送到噴射器中，ECU發(fā)出指令后對(duì)注射器中的天然氣進(jìn)行控制，天然氣與增壓后的控制器再混合器中進(jìn)行混合，駕駛?cè)送ㄟ^(guò)節(jié)氣閥門控制天然氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)缸燃燒的量，火系統(tǒng)對(duì)進(jìn)去發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)缸的天然氣依次點(diǎn)火。發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋值以及加速踏板位置可以精確計(jì)算出所需天然氣的流量，并通過(guò)氧量?jī)x測(cè)算出所需的空燃比。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)RS232通訊串口對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行采集并傳輸顯示。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，其故障也較多，為了能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行有效診斷，并找到故障具體原因，設(shè)計(jì)了一種故障樹的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。

2故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)主要由人機(jī)接口、信號(hào)采集單元、故障獲取單元、數(shù)據(jù)庫(kù)、故障樹以及推理部分等構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)的采集模塊主要由單片機(jī)掃描系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障信息時(shí)，系統(tǒng)能夠通過(guò)單片機(jī)采集的各種參數(shù)對(duì)故障進(jìn)行大體位置進(jìn)行定位，確定發(fā)動(dòng)機(jī)哪個(gè)模塊發(fā)生此故障，然后通過(guò)建立的知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行摸排推理，最后將故障原因以及相關(guān)維修方法通過(guò)人機(jī)接口傳送到用戶中。

3 專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)

3.1 故障樹設(shè)計(jì)

結(jié)合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作原理，以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障為頂事件，由實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)建立其總體故障樹模型，故障樹模型如圖2所示。現(xiàn)以系統(tǒng)中“發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)”故障為例進(jìn)行介紹。

將故障樹的頂事件看作專家系統(tǒng)的故障征兆，故障樹的最底層作為最終的診斷結(jié)果，故障樹的每一層之間的邏輯關(guān)系對(duì)應(yīng)于專家系統(tǒng)的推理過(guò)程，考慮到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)便于修改、刪除和添加的特點(diǎn)，因此采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)作為各個(gè)故障子樹模型的知識(shí)存儲(chǔ)，樹中節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系由字段和代碼的組合表示。

3.2 診斷系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)診斷系統(tǒng)中，人機(jī)界面控制系統(tǒng)開發(fā)作為整個(gè)診斷系統(tǒng)中重要的一部分，人機(jī)界面設(shè)計(jì)好壞關(guān)系到軟件的流暢程度以及用戶的體驗(yàn)效果。為了保證故障專家診斷系統(tǒng)的安全性，不同用戶享受的使用權(quán)限也不相同，對(duì)于專家系統(tǒng)的底層配置只有指定的系統(tǒng)管理人員才能進(jìn)行更改;對(duì)專家知識(shí)庫(kù)的專家知識(shí)和知識(shí)規(guī)則、故障樹進(jìn)行修改，而普通用戶只能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行診斷和故障檢測(cè)。故障診斷專家系統(tǒng)的主界面主要包括故障檢索單元、故障診斷單元、知識(shí)管理單元、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)輸入單元和系統(tǒng)維護(hù)單元。

專家系統(tǒng)軟件進(jìn)行故障檢索的時(shí)候使用故障檢索界面。

進(jìn)入人機(jī)界面系統(tǒng)主頁(yè)，通過(guò)主頁(yè)導(dǎo)航界面的故障檢索按鈕進(jìn)入故障搜索所在的人機(jī)界面;在故障搜索界面輸入發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，在關(guān)鍵字搜索框中輸入要搜索的關(guān)鍵字，系統(tǒng)對(duì)知識(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)中的知識(shí)及規(guī)則進(jìn)行模糊匹配，找到與搜索關(guān)鍵字相關(guān)的故障信息記錄，然后反饋給用戶。

4 結(jié)語(yǔ)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是目前我國(guó)汽車領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在使用過(guò)程中難免出現(xiàn)各種各樣的故障現(xiàn)象，為了有效的對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行分析，并快速進(jìn)行維修，本文設(shè)計(jì)了一種基于故障樹的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，分析了故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)其常見故障模式建立了系統(tǒng)的故障樹模型，并設(shè)計(jì)了一種正向推理方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的推理;設(shè)計(jì)了人機(jī)交互系統(tǒng)，該人機(jī)交互系統(tǒng)擁有良好的交互性，具有一定的自我學(xué)習(xí)能力。該系統(tǒng)對(duì)于提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)維修效率，提高維修人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)具有重要意義。

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