基于專家推理的工程機械故障診斷系統設計

劉學勇，徐曉東

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

現代工程機械的智能化、電子化的程度相對較高，涉及到機、電、液和氣一體化等多學科交叉技術，其各個組成部分，如機械傳動系統、液壓系統、工作裝置、回轉機構等的工作原理和結構組成都比較復雜，出現故障后的檢測與維修難度大，給工程兵部隊的使用、維護、保養和故障帶來很大的不便。這些裝備在使用過程中的拆裝、調試、檢測和維修的技術資料儲備，維修技術力量的培訓，維修設備和手段的更新等，嚴重滯后于部隊的實際需求。根據部隊平時使用、訓練過程中有關這三種新型工程機械故障排除與維修的統計資料顯示，作業與保障分隊各種類型工程裝備的突發隨機故障有很多，而各分隊在進行故障分析、排除和對結構原理的掌握等方面具有明顯的不足，嚴重地影響了對這些設備的快速日常維護、保養和故障檢測及排除，因而必須更多地借助生產廠家或外部技術力量的支持。到目前為止，絕大多數部分隊仍沒有能夠拿出一套行之有效的解決方法。這一現狀顯然無法滿足部隊工程裝備高完好率、高機動性的要求。本文提出研制一套基于便攜式電腦和手持式電子裝置（PDA）的新型工程機械故障專家診斷系統，以提高部隊在新型工程機械檢測維修方面的保障能力。

1 系統功能與組成

新型工程機械故障專家診斷系統，主要包括兩方面的功能:1）維修決策與指導功能，用來幫助工程兵分隊進行推、挖、裝等工程機械的故障分析、識別、診斷、定位和維修方法、維修時間、維修編組等維修方案的確定和實施等任務。2）教學訓練功能，可進行工程裝備使用、操縱與維修人員和新兵的工程機械工作原理、結構組成方面的教學訓練，以及工程裝備故障的分析、診斷、定位、維修方案的制定與實施等的訓練學習。

該系統硬件由兩部分構成，即作為應用系統主體的筆記本計算機和現場使用終端的手持工業計算機終端（以下簡稱PDA）。其中PDA主要用來在計算機難以使用的場合，用來指導操作維修人員利用維修領域專家的經驗知識進行工程裝備故障的分析判斷、故障定位、維修方案制定和現場維修診斷等。通過PDA同時可以獲取故障經驗數據和信息進行暫時存儲，然后利用無線或有線手段上傳到筆記本計算機中，以豐富、完善和更新故障專家診斷與訓教系統的數據庫，擴大和增長系統的指導診斷能力。筆記本計算機及其應用軟件系統是本系統的核心，可以用來進行故障分析、診斷、定位、維修方案的制定，進而指導維修人員實施故障的快速維修和設備的現場快速保養維護。另一方面，用來進行專業人員的培訓教學，利用系統所融合的維修專家的經驗數據，使培訓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，了解和掌握工程機械零部件及系統的工作原理、結構組成、性能參數、分解、檢修、裝配與調整技巧與方法，形象直觀地顯示故障的層次關系及工程裝備結構的組成特點、工作原理和性能特點，提高專業人員的維修技能與裝備保障能力。

2 系統總體設計

2.1 系統規劃

系統由手持式智能工業終端（PDA）模塊、專家故障診斷模塊、數據錄入模塊、工作原理結構檢測裝配與調整模塊、維修方案生成模塊、訓教模塊、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使用維修人員提供的現場故障信息，綜合系統所融合的維修保障領域專家有關故障現象分析、故障原因識別、總成或系統工作原理、結構、分解、檢修、裝配與調整等方面的經驗、技能信息，對工程裝備的故障進行系統的診斷與分析解剖，并能根據故障原因的不同給出故障維修方案，包括維修方法、維修時間、維修編組、維修器材與工具等技術方案。另外，專家診斷模塊也可用來進行維修操作人員的維修保障訓練、實習等工作。該模塊的流程圖如圖2所示。

2.3 數據錄入軟件

為防止初學者輸入無效數據，破壞故障數據庫內容，所以數據錄入模塊面向高級用戶，在進入數據錄入功能時要求輸入高級用戶密碼，只有正確輸入密碼才能進入數據錄入界面。

圖2 故障專家診斷流程圖

數據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“插入節點”、“插入子節點”、“更改節點名稱”等，用戶可以利用菜單或命令按鈕，方便地進行新型工程機械故障的數據錄入工作。

各個故障數據節點均由自身編號（ID）和父編號（parent）組成，如圖3所示。上級節點和下級節點由parent鏈接，下級節點的父編號（parent）與上級節點的ID號相同，形成從上級節點到下級節點的單向鏈接關系。故障樹的層次結構成為動態擴展的樹形結構，有效地解決了大數據量存儲與數據庫結構的固定分配空間約束這一難題。

圖3 故障數據的鏈表結構

2.4 維修方案生成軟件

維修方案主要包括故障現象、故障分析判斷、故障原因分析、故障的排除和調整方法、故障零部件的更換與修理時間、零部件維修的編組、機具設備、工具材料及輔料等內容。

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。

維修方案數據的存儲方式與故障數據存儲方式相似，也是采用單向鏈表的形式，不再贅述。

3 系統設計中的關鍵技術

3.1 故障層次結構數據庫與檢索方案的設計

由于新型工程機械的結構與工作原理的復雜性，在設計故障信息數據庫時面臨極大的困難。實際工程應用中，同一故障現象，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。同一零部件又會產生多種故障原因。因此，故障零部件、系統、故障原因、故障現象等元素之間的關系錯綜復雜，再加上領域專家的相關的經驗知識，這些元素在數據庫的存儲時很難處理。在設計數據庫時，合理的融合了鏈表式結構與層次化結構，構建了故障現象、故障原因和故障分析過程數據表，滿足了專家推理的需求和程序的高效運行的要求。

3.2 工作原理、結構、檢修、分解、裝配與調整數據信息高效存儲與顯示

每一個新型工程機械，其組成零部件至少上萬，考慮到其檢修、分解、裝配與調整等信息數據，其數據量幾乎是海量的。如何存儲這些數據，并恰當地顯示出來是件巨大的工作。經過對當前所能見到的幫助系統和工程裝備信息化管理手段進行仔細分析和比較。應用了Word文檔格式轉換為Html格式，將相應的主題信息存儲到SQL Server數據庫中，開發了編譯軟件，對轉換后的html文件和數據庫進行編譯鏈接，較好地處理了數據庫信息檢索、html文檔數據存儲和可執行文件數據查詢三者聯合作用的工作原理等數據存儲與顯示模式。程序執行效果與人機界面都是比較優秀的。

4 結論

新型工程機械故障專家診斷系統在研制開發過程中，認真貫徹了有關設計標準、規范，主要性能指標滿足了規定的技術指標要求。所采用的嵌入式工業級移動數據終端、嵌入式數據庫技術、面向對象軟件開發技術和數據庫技術等，具有先進、成熟、可靠等優點。系統的開發設計充分貫徹了模塊化、一體化、結構化、面向對象和面向應用的設計思想，使系統的軟件穩定、可靠、友好，達到了使用要求。