基于故障樹和規則推理的穿梭車故障診斷

張 寶，楊 豐，李學軍，楊 濤

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

0 引言

穿梭車作為自動化物流系統中一種智能型軌道導引搬運設備，在自動化物流系統中的應用日益廣泛。它具有沿著固定路徑動態移載的功能，可實現物料在不同站點之間的傳送，使得自動化輸送系統的設備布局更加緊湊、簡捷[1]。然而，實際工程應用中穿梭車的正常運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監測與故障診斷，時常出現故障誤報、漏報等現象，而且一旦發生故障，維修人員只能憑借個人經驗逐一排查找出故障原因，故障處理效率低下，嚴重影響了整個物流系統的工作效率。

故障診斷技術已越來越多地在自動化物流系統領域得到應用。章採品[2]等研究了基于故障樹分析法的堆垛機故障診斷專家系統，重點闡述了專家系統知識獲取與表示方式；李小平[3]等建立了一種基于Internet、OPC以及故障樹技術的堆垛機遠程故障診斷及維修系統，對堆垛機信息的采集、傳輸、故障分析等相關技術進行了介紹；聶峰[4]提出運用上位和下位監控系統對穿梭車在應用過程中發生的常見故障進行診斷分析，并通過監控系統和設計的作業跟蹤與設備任務管理功能進行故障定位的方法，該方法實現了穿梭車故障遠程診斷功能，但是對于故障原因分析仍需要人工查詢確認，存在故障定位不精確、故障報警信息不明確等缺陷。

本文針對某卷煙廠出入庫穿梭車時常因當前站點信息丟失或激光脫靶等故障而無法正常運行的實際問題，提出了一種組合條碼識別與激光測距的冗余定位方法，以增強定位的可靠性；設計了一種基于故障樹與規則的穿梭車故障診斷系統，以實現故障自診斷功能，使用Visual Studio 2010和Microsoft SQL 2008開發的原型系統在該卷煙廠穿梭車的故障診斷中得到了成功應用。

1 定位技術分析

定位技術作為穿梭車控制技術中的關鍵技術，直接關系著穿梭車的安全性和運行效率，一旦定位出現偏差、錯誤等故障，極易導致物料出入庫不正常、物料跌落損毀等事故的發生。穿梭車的定位方法主要有：1) 認址片定位，即采用沿著穿梭車的行進方向設置認址片，控制器通過檢測認址片來判斷穿梭車位置和站點位置；2) 認址片編碼器定位[5]，即在方法1) 的基礎上引入編碼器對認址片進行校驗，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行定位；4) 激光認址片定位，即在方法3) 的基礎上采用認址片對激光定位進行校驗，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、軌道的外側邊安裝條碼帶，穿梭車運行過程中通過掃描條碼帶獲取位置信息進行定位；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，實現精確定位。表1對幾種定位方法進行了對比分析。

表1 定位方法優缺點對比分析表

現階段穿梭車大多采用單一技術手段進行定位，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，由于認址片提供的信息量有限，無法辨識當前站點信息。為此，本文提出采用條碼識別技術對現有激光測距定位進行校驗，構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。條碼識別技術是一種集信息識別、數據采集、自動錄入和快速處理等于一體的新型信息技術，為解決數據輸入和數據采集的“瓶頸”問題提供了有效途徑[12]。

2 冗余定位系統

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，由激光測距模塊、條碼識別模塊和控制模塊組成，系統結構如圖1所示，其中激光測距傳感器選用SICK DL50-P2225，測量精度為±3mm，響應時間為10ms；條碼閱讀器選用SICK CLV650-0000，其掃描空間為200mm～1600mm，采用增強型SMART條碼重組技術，對于破損、污損、打印質量差或對比度差的條碼有良好的讀取性能。

通過激光測距模塊對穿梭車當前位置信息進行實時跟蹤采集，并將得到的位置信息傳遞給控制模塊；然后控制模塊根據當前位置信息和目標站點的位置信息對穿梭車進行位置和速度控制；最后當穿梭車定位運行停止后，控制模塊通過條碼定位校驗模塊掃描獲取距離穿梭車最近站點的條碼標簽信息，根據標簽信息是否有效對激光測距定位進行校驗，判斷穿梭車定位是否精準可靠。穿梭車定位改進安裝示意圖如圖2所示。

圖1 冗余定位系統結構圖

圖2 定位改進示意圖

3 穿梭車故障診斷設計

穿梭車作為自動化物流系統中的關鍵設備，其故障具有隨機性、不確定性。若穿梭車發生故障，將直接影響整個物流系統的正常運轉。為此，對穿梭車進行故障分析、診斷十分必要。故障樹分析法（Fault Tree Analysis FTA）是一種將系統故障形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐漸細化的分析方法[13]，具有便于分析系統結構、刻畫系統各事件關聯性的優點。規則推理通過把相關領域的專家知識形式化描述出來，形成系統規則進行檢索推理，符合人類思維習慣，具有推理直觀、快速的優點。結合二者的優勢，本文設計了一種基于故障樹與規則的故障診斷系統，采用故障樹分析法對穿梭車故障進行分析，確定故障原因及其發生概率，按照相關準則將故障樹轉化為規則，形成規則知識庫，并根據穿梭車故障發生的特點，設計合理的規則推理機制，最終實現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化，自上而下逐層分解，從而對故障系統的可靠性進行評價和分析[14]。根據穿梭車主要結構和工作原理，本文按下述步驟建立以“穿梭車不能正常運行”T作為頂事件的穿梭車主故障樹。故障樹主體結構如圖3所示，各事件對應的事件名稱如表2所示。

圖3 穿梭車故障樹主體結構

3.2 故障樹轉化為規則

采用故障樹對穿梭車故障進行分析處理，即是通過研究穿梭車結構、功能和行為的因果關系，理清故障傳播的層次和父、子節點間的因果關系[14]。根據文獻[15]提出的故障樹轉化為產生式規則的三條準則，可以采用“IF THEN”型的診斷規則來體現各個父、子節點間的正向因果關系鏈，以此來表示故障原因及故障傳播邏輯關系。

3.3 規則推理

收集統計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，定位故障發生比例高達約56%，說明導致穿梭車無法正常運行的原因一般都是由定位失效引起。因此，在一般規則推理的基礎上，根據主故障不同頻次分級建立子規則庫，即主故障頻次越高對應的子規則庫優先級越高，推理過程中按優先級進行規則檢索，從而提高故障診斷效率。

4 實例分析

針對某卷煙廠出入庫穿梭車使用過程中因當前站點信息丟失或激光脫靶等故障而無法正常運行的實際問題，完成了對穿梭車定位方法的改進。實際應用中根據圖4所示的定位校驗診斷模型，改進后的冗余定位系統實現了穿梭車當前站點信息的實時跟蹤，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與站點輸送鏈機對位不準的情況下，盲目進行上下貨任務導致貨物堵塞、跌落甚至損毀等事故的發生，提高了系統定位的可靠性。

此外，基于Visual Studio 2010和Microsoft SQL 2008開發工具，采用C#開發的基于故障樹與規則的穿梭車故障診斷系統也在該卷煙廠得到了成功應用，所開發故障診斷系統結構如圖5所示。

運用該故障診斷系統，不僅實現了穿梭車運行狀態的遠程監測，狀態參數監測界面如圖6所示；而且根據設計構造的規則庫和分級優先推理機制，通過將獲取的狀態參數與推理規則進行實時匹配，不僅保證了故障發生時系統的及時響應，而且實現了穿梭車故障快速診斷功能，故障診斷界面如圖7所示。借助于系統得出的故障診斷信息，維護人員對于突發故障可以第一時間獲取詳細的故障信息，從而提高了故障維修效率，減少了穿梭車故障停機時間。

表2 事件及事件對應名稱

圖4 定位校驗診斷模型

圖5 故障診斷系統結構圖

圖6 穿梭車狀態監測界面

圖7 穿梭車故障診斷界面

5 結論

本文分析了現有穿梭車定位技術的優缺點，構建了一種組合條碼識別和激光測距的冗余定位系統，并通過實際應用證明該定位系統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、規則推理直觀高效的優點，以及穿梭車故障發生的特點，設計開發了一種基于故障樹與規則的穿梭車故障診斷系統，通過在某卷煙廠的成功應用說明了該系統具有良好性能，有助于提高故障維修效率。

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