某型軍用工程裝備故障診斷系統設計與實現

魯冬林，莊建東，曾擁華，劉 立，石大權

(1.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007； 2.新疆軍區裝備部裝備供應處，新疆 烏魯木齊 830002)

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某型軍用工程裝備故障診斷系統設計與實現

魯冬林1，莊建東1，曾擁華1，劉 立1，石大權2

(1.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007； 2.新疆軍區裝備部裝備供應處，新疆 烏魯木齊 830002)

某型軍用工程裝備是執行非戰爭軍事行動的重要救災設備，是道路搶險部隊使用最為廣泛的工程裝備，一旦發生故障，將對部隊執行救災任務產生巨大影響。對該型裝備故障診斷系統進行了詳盡的分析，并在此基礎上設計開發了基于故障樹的故障診斷專家系統，將裝備維修由傳統的經驗判斷型改為專家系統智能輔助決策型，大幅提高了裝備的實時維修保障能力。

工程裝備；故障診斷；專家系統

0 引言

近年來各種自然災害頻繁發生，對人們生產生活造成極大影響，人民軍隊作為處置災害的主要力量擔負著重要職責，某型軍用工程裝備在搶險救災過程中主要負責道路搶險工作，為救災力量及時進入受災地點開辟通路，但其在使用過程中難免遇到突發故障，在分秒必爭的環境中需要及時診斷出存在故障并對其進行搶修，因此，搶險工程裝備的伴隨式輔助維修是一個急需解決的課題。

設備維修是知識及經驗不斷積累的過程[1]，維修人員能夠及時診斷出故障不僅需要一定的知識經驗積累，也需要正確有效的指引。研究設計該故障診斷系統，使其能夠智能化地指導裝備維修人員以最短時限完成故障分析與診斷工作，維修人員只需搜索故障現象關鍵詞即可查詢到相應故障并根據故障檢測方法與步驟逐步判斷直至問題查明，最終得到故障診斷報告。

1 系統體系結構

該故障診斷系統在需求分析的基礎上，采用C/S四層體系設計方法，整個體系架構包括客戶層、表現層、業務層以及數據庫層，每層功能相對獨立，各自發揮不同作用，下層為上層服務。

系統體系結構圖如圖1所示。

圖1 系統體系結構圖

其中客戶層主要包括普通用戶、高級用戶和管理員，三種身份人員對應不同的操作權限，普通用戶通過登錄系統使用故障診斷功能，高級用戶在普通用戶的基礎上添加了數據信息管理功能，能夠對故障知識庫進行升級更新，管理員則擁有最高權限，在前兩者基礎上還能進行用戶管理操作，可以添加、修改、刪除用戶。表現層即窗體界面層，能夠達到與用戶交互的目的，在使用人員與計算機程序之間傳遞信息；業務層是該故障診斷系統的核心，內置了系統全部的應用業務，能夠提供滿足用戶需求的各項功能；數據庫層基于.Net Framework 3.5框架，用來定義、維護、更新和查詢數據，完成數據訪問和操作等一系列步驟。

2 系統層次建模

2.1 用例模型

本系統根據輔助維修軟件平臺的實際使用情況創建三個參與者，分別是普通用戶、高級用戶和管理員。用例(Use Case)是參與者可以感受到的系統服務或功能單元，它定義了系統是如何被參與者使用的，描述了參與者為了使用系統所提供的某一完整功能而與系統之間發生的交互過程[2]。組織用例的模型關系主要包括<>關系和<>關系。

故障診斷的用例關系圖如圖2所示。

圖2 故障診斷用例關系圖

2.2 靜態模型

用戶使用故障診斷系統必須先通過輸入正確的用戶名和密碼進行登錄，即所有事務都依賴于用戶登錄，在身份驗證通過后即可進行故障診斷相關工作。在類圖中相應部分用虛線箭頭相連，表示存在依賴關系。故障診斷作為本系統設計的核心內容，其類圖如圖3所示。

圖3 故障診斷類圖

2.3 動態模型

對于一個事件數量較多且事件順序復雜的系統來說，首先需要繪制系統狀態圖才能保證程序運行過程盡可能不出現錯誤。該型工程裝備故障診斷系統的時序圖如圖4所示。

圖4 故障診斷時序圖

3 建立和分析故障樹

3.1 構建故障樹

由于該型裝備結構組成復雜，裝備故障模式多樣，裝備的故障節點數目較多，因此故障樹的建立分為三級。這樣建樹使得故障樹結構清晰，布局緊湊，內容完整。這里以“發動機無法啟動”故障模式為例，其故障樹如圖5所示。

3.2 故障樹定性分析

設故障樹的底事件集合為：{x1,x2,…,xn},如果有一底集：{xi1,xi2,…,xin}，i=1,2,…,k, {xi1,xi2,…,xin}?{x1,x2,…,xn},當滿足條件xi1=xi2=…=xin=1時，函數S(x)=1，也即該子集所含全部底事件均發生時，頂事件必然發生，則該子集就是割集，割集數為k[3]。

求得故障樹的最小割集后，故障數的結構函數也隨之確定。設故障樹有k個最小割集，只要有一個最小割集kj(j=1,2,…,k)中的全部底事件xi均發生，系統必定發生故障[4]，kj可以表示為：

(1)

k個最小割集中，只要發生一個，頂事件就會發生[5]，即故障樹的結構函數為：

(2)

3.3 故障樹定量分析

設頂事件：

T=C1+C2+…+Cn

(3)

其中，C1、C2、Cn為最小割集。

那么由容斥定理，頂事件的發生概率為：

(4)

其中，Ci、Cj、Ck分別是第i、j、k個最小割集。

圖5 “發動機無法啟動”故障樹

PT=P1-P2+P3-P4+…+(-1)n+1Pn

(5)

在式(5)中，P1是PT的上界，P1-P2為PT的下界，作

圖6 故障診斷流程圖

4 專家系統實現

4.1 故障檢索

本系統故障現象檢索支持多關鍵字的模糊查詢，主要是利用SQL查詢語言，把用戶輸入的關鍵字與知識庫中的節點信息進行比對[6]，將匹配成功的故障事件及其對應的規則存儲在中間數據庫中，將查詢到的結果列表顯示在檢索界面。

查詢關鍵字數越多，查詢難度越大，查詢反饋也越多。本系統關鍵字查詢實現的核心代碼如下：

string textsearch = textgz.Text;

textsearch = textsearch.Trim();

str = textsearch.Split(new char[] { ' ' });

for (int i = 0; i < str.Length; i++)

{

sql = sql + "Fault like ('%" + Convert.ToString(str[i]) + "%') and";

}

sql = "select * from Fault where "+ sql.Substring(0,sql.Length - 4);

conn.Open();

da = new OleDbDataAdapter(sql, conn);

DataTable dt = new DataTable();

da.Fill(dt);

gridControl1.DataSource = dt;

4.2 故障分析

故障分析的實現思路是用戶將故障現象導入分析框架后，根據在實際維修中發現的故障事實和已經采取的維修操作，配合專家系統的選擇性問題提示，按照故障樹分析方法自上而下查找導致頂事件的故障原因。這里以“變速桿已到掛擋位置而車輛不動”故障診斷為例。在故障現象搜索框中輸入“變速桿 車輛不動”兩個關鍵字進行模糊查詢，此時會檢索出知識庫中所有包含有“變速桿”和“車輛不動”信息的故障情況，用戶根據實際情況選出最符合的選項以便進行下一步的診斷分析。在故障診斷過程中，根據相應提示通過選擇“是”或“否”對故障進行判斷，對于較為復雜的檢查操作，系統會給出詳細的檢查方法，最終直至故障問題查明。“變速桿已到掛擋位置而車輛不動”的故障診斷流程圖如圖6所示。

該故障診斷系統診斷界面如圖7所示。

5 結論

該型軍用工程裝備故障診斷系統以Visual Studio為

圖7 故障診斷界面

平臺進行開發，主要開發語言為C#，后臺數據庫采用Access 2010，目前已在PC、平板電腦等平臺部署使用，運行效果良好。本系統中采用的故障診斷模式相比過去單一且被動的交互形式有一定程度的改進，有利地促進了該型工程裝備維修保障任務的完成。

[1] 楊菊輝，范玉德,劉更.重點設備狀態檢修系統設計與實現[J].微型機與應用，2014，33(8)：4-6,9.

[2] 肖瑾. 基于用例的軟件需求管理研究[J]. 核動力工程，2009，30(z2)：79-83.

[3] 李馨. 模糊故障樹分析方法新探[J]. 電子產品可靠性與環境試驗，2007，25(1)：27-30.

[4] 劉文紅，吳欣. 基于SFTA和等價類的軟件測試用例設計方法研究與應用[J]. 現代電子技術，2013，36(21)：128-131.

[5] 孫權. 應用故障樹解決實際問題[J]. 電子質量，2005(8)：26-31.

[6] 梁海龍，魯冬林,陳俞龍，等. 基于.NET的工程裝備維修保障輔助系統設計與實現[J]. 電腦編程技巧與維護，2015(13)：39-40.

The design and implementation of the system forengineering equipment fault diagnosis

Lu Donglin1, Zhuang Jiandong1, Zeng Yonghua1, Liu Li1, Shi Daquan2

(1. PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2. Xinjiang Military Region Equipment Supply Department, Urumqi 830002, China)

A type of military engineering equipment is an important relief equipment for non-war military operations. It’s the most extensive engineering equipment used by road rescue troops. In the event of a failure, it will have a tremendous impact on the disaster relief. In this paper, the fault diagnosis system of this type of equipment is analyzed in detail, and on this basis, a fault diagnosis expert system based on fault tree is designed and developed. The equipment maintenance is changed from traditional experience judgment to expert system intelligent assistant decision, and it improves the equipment maintenance support capabilities.

engineering equipment; fault diagnosis; expert system

TP391

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.027

魯冬林，莊建東，曾擁華，等.某型軍用工程裝備故障診斷系統設計與實現[J].微型機與應用，2017,36(12)：91-93，97.

2016-11-29)

魯冬林(1969-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：工程裝備保障。

莊建東(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：工程裝備保障。E-mail：249627469@qq.com。

曾擁華(1978-)，男，博士，講師，主要研究方向：工程裝備信息管理系統研究。