基于故障樹的防爆工程車故障診斷系統(tǒng)★

施 洋， 王 曉

（1.山西工程職業(yè)學院機電工程系， 山西 太原 030032；2.中國煤炭科工集團太原研究院， 山西 太原 030006）

引言

煤炭作為我國最安全可靠的能源，其戰(zhàn)略資源地位不可動搖。煤礦防爆工程車主要完成除煤炭運輸以外的人員、物料、設備和矸石等運輸工作，是煤礦運輸不可或缺的重要組成部分。煤礦井下敷設管道眾多，空間狹小、環(huán)境惡劣，煤炭采掘、巷道支護、煤炭輸送、設備安裝、輔助材料的運輸都在這一狹小空間完成。防爆工程車受本身結構所限以防爆柴油機為動力，其不僅帶來了二次污染，給井下環(huán)境帶來很大壓力，同時也使得車輛在嚴苛的工作環(huán)境中動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構等出現(xiàn)故障的頻次增高，成為防爆工程車發(fā)展的瓶頸和制約我國煤炭生產發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。而防爆工程車故障診斷系統(tǒng)則可以利用先驗知識對類似故障做出迅速準確的判斷，幫助工程技術人員盡快定位故障、解決故障，減少因為防爆工程車故障導致煤炭生產率的下降。

1 防爆工程車故障診斷系統(tǒng)組成

防爆工程車故障診斷系統(tǒng)，如圖1 所示，該系統(tǒng)中用戶通過人機接口實現(xiàn)與故障診斷系統(tǒng)的信息交互，專家也通過人機接口將故障信息與解決問題的方法錄入后臺數(shù)據(jù)庫。防爆工程車故障診斷系統(tǒng)包括登錄模塊、知識庫管理模塊、故障診斷模塊和歷史信息查詢模塊。其中登錄模塊主要用來區(qū)分用戶與專家；知識庫管理模塊主要完成知識庫的添加、修改、刪除等維護工作；故障診斷模塊主要完成對用戶描述故障信息與后臺數(shù)據(jù)庫信息的匹配，以找到故障現(xiàn)象背后的癥結；歷史信息查詢模塊主要完成對故障信息的頻次統(tǒng)計，用來對后期技術人員對防爆工程車的技術升級改造提供指導依據(jù)。

圖1 防爆工程車故障診斷系統(tǒng)

2 防爆工程車故障診斷系統(tǒng)故障樹的建立

防爆工程車故障診斷系統(tǒng)知識庫的建立主要通過故障樹的搭建來完成。故障樹是在系統(tǒng)設計過程中，通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為等）進行分析，畫出的邏輯框圖。運用故障樹確定系統(tǒng)故障原因的可能組合及其發(fā)生概率，來計算系統(tǒng)故障的概率，采取相應的解決措施，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

本文以煤礦防爆工程車傳動系統(tǒng)的常見故障為例建立故障樹，如下頁圖2 所示，其中編號跟各自對應的故障事件如下頁表1 所示。在本故障樹中將傳動系統(tǒng)故障作為頂事件，中間事件是導致傳動系統(tǒng)故障發(fā)生的所有故障原因，這些原因中又包含多個形成此故障的子事件，故障樹末端是底事件，底事件是不能再分解的子事件。在故障樹中所有的故障原因主要由相關領域內專家、文獻及車輛維護人員交流總結歸納形成[1]。

表1 防爆工程車傳動系統(tǒng)故障事件

圖2 防爆工程車傳動系統(tǒng)故障樹

根據(jù)建立的故障樹從頂事件開始對每一個事件由上向下逐級梳理，對每一個輸出事件，若下面是或門，則將該或門下的每一個輸入事件各自排成一行；若下面是與門，則將該與門下的所有輸入事件排在同一行，直到所有的事件均被處理，所得的每一行的底事件的集合就是故障樹的一個割集，最后對各行的割集通過兩兩比較，劃去那些非最小割集的行，剩下的即為故障樹的最小割集。通過對防爆工程車傳動系統(tǒng)故障樹定性分析后，得出其最小割集為{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17}，{X18}，{X19}，{X20}，{X21}，{X22}，{X23}，{X24}，{X25}，{X26}，{X27}，{X28}，{X29}，{X30}，{X31}，{X32}，{X33}，{X34}，{X35}，{X36}，{X37}[2]。

通過對過去故障信息數(shù)據(jù)的查詢，可以估算出故障樹中各個底事件發(fā)生的概率，如圖3 所示，在所有底事件相互獨立的情況下利用式（1）計算頂事件傳動系統(tǒng)故障概率：

圖3 各個底事件的概率

式中：qi表示第i 個底事件發(fā)生的概率[3]。

各個底事件發(fā)生概率的高低對頂事件發(fā)生概率降低的影響程度使用底事件概率重要度來衡量，其具體利用式（2）計算

式中：Q（q1，q2，...，qn）為頂事件發(fā)生的概率函數(shù)；n 為底事件的個數(shù)。

3 知識庫管理模塊中知識庫的建立

知識庫是防爆工程車故障診斷系統(tǒng)的“大腦”，它建立的好壞直接影響到故障診斷的準確率和診斷效率[4]。本文的知識庫是基于SQL Server 數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫關系表將防爆工程車故障樹中的邏輯關系表示出來。本文主要論述故障樹關系表的設計，其主要包括故障分類表如表2 所示、故障征兆表如表3 所示、故障原因表如表4 所示和故障措施表如表5 所示，故障日志表如表6 所示。

表2 故障分類表

表3 故障征兆表

表4 故障原因表

表5 故障措施表

表6 故障日志表

診斷日志表中有權重值，它默認值為0，每當出現(xiàn)過一次診斷，權重值加1，代表這種故障出現(xiàn)過一次，隨著歷史數(shù)據(jù)的增加，權重值可以為技術人員進行技術升級改造提供數(shù)據(jù)支撐[5]。

將防爆工程車相關故障信息按照故障樹的邏輯關系組成相互之間有聯(lián)系的二維數(shù)據(jù)表后，還需要合理的推理機制完成對故障信息的處理與診斷。本文采用正向推理的方式完成故障診斷，即通過對故障現(xiàn)象的描述，分析判斷出故障類型，根據(jù)故障類型后即可縮小故障搜索范圍，再與知識庫中故障現(xiàn)象信息進行模糊匹配，如果完成匹配，則根據(jù)知識庫中的故障措施表給出解決方案，故障排除后將此條目相應的權重值加1；如果故障現(xiàn)象在知識庫中沒有完成匹配，說明此故障現(xiàn)象并未在知識庫中寄存，則記錄在診斷日志表中，提示相關技術人員需要對知識庫進行更新。因此防爆工程車故障診斷系統(tǒng)是一個不斷更新和完善的系統(tǒng)[6]。推理流程如圖4 所示。

圖4 防爆工程車故障診斷系統(tǒng)推理流程圖

4 故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)

本文根據(jù)防爆工程車故障診斷系統(tǒng)的需求，采用C#與SQL Server 相結合的方式，使用C/S 的結構實現(xiàn)系統(tǒng)中的各項功能。利用登錄窗口實現(xiàn)普通用戶與專業(yè)技術人員的區(qū)分，普通用戶主要完成故障現(xiàn)象的描述輸入，專業(yè)技術人員不僅可以完普通用戶的功能，還可以完成知識庫的維護即知識庫的增、刪、改等操作。通過友好的人機接口畫面和故障樹推理機制，快速準確地定位防爆工程車故障原因并給出相應的解決方案[7]。通過上述的設計運用Visual Studio 2017 設計出故障診斷系統(tǒng)界面，如圖4 所示。

圖4 防爆工程車故障診斷系統(tǒng)界面

5 結語

本文通過利用C# 語言和SQL Server 數(shù)據(jù)庫在Visual Studio 2017 上搭建防爆工程車故障診斷平臺，利用此故障診斷系統(tǒng)可以快速準確地完成防爆工程車故障的準確定位并能提供相應的解決方案，幫助防爆工程車的使用的人員迅速高效地排除故障，減少了因防爆工程車故障造成煤礦井下的交通堵塞，提高了煤礦生產的效率。