基于故障樹的天然氣發動機故障診斷專家系統設計

王海瀾

摘要??? 為了提高天然氣發動機故障診斷效率，提高天然氣發動機故障診斷準確率，本文根據天然氣發動機的工作機理，設計了一種基于故障樹的天然氣發動機故障診斷專家系統。首先分析了故障診斷專家系統的總體結構，根據其常見故障模式，建立了系統的故障樹模型，并設計了一種正向推理方式實現系統的推理。設計了人機交互系統，該人機交互系統擁有良好的交互性，具有一定的自我學習能力。

【關鍵詞】天然氣發動機 故障診斷 專家系統 故障樹

天然氣汽車作為21世紀新型替代燃油的燃料汽車，因其具有污染低、節能、經濟等優點，在國內外迅速發展，由于天然氣發動機中應用了大量的電子技術，越來越難找到導致發動機故障的原因。因此，建立一套快速高效的天然氣發動機故障診斷系統并提出合理化的改進意見，這對提高汽車維修企業的維修效率和質量具有重要的現實意義。

故障診斷，就是通過特定設備系統，對某種特定設備功能失常的原因進行分析診斷，并通過系統中所存儲的故障信息快速找到故障原因，并給出具體維修意見?；诠收蠘涞墓收显\斷方法是近年來發展起來的一種新型故障診斷的常用方法，在故障樹分析方法中，故障樹的根是系統中的一個故障，故障中的具體事件是一片樹葉，通過模塊故障將系統故障與故障基本事件連接起來，通過倒排故障樹圖形表達故障事件與故障原因的邏輯關系。故障樹分析法能夠直觀的表達出天然氣發動機系統的故障形式，可以快速的診斷出發動機系統發生故障的具體原因。

為了能夠快速對天然氣發動機系統故障進行診斷，本文設計了一套基于故障樹的專家診斷系統，通過故障樹將大量的天然氣發動機故障原因以及維修經驗進行圖像式的表達出來，再通過人機界面的方式將每個故障進行形象直觀的顯示出來，并引導用戶進行逐步查找原因并進行維修。

1 天然氣發動機控制系統

天然氣發動機控制系統主要由供氣單元、ECU單元、點火控制單元。供氣單元主要由高壓關閉電磁閥、熱交換器、電子截止閥、天然氣進氣口壓力傳感器以及發動機各溫度傳感器構成;點火控制單元由點火電磁閥以及火花塞等構成。渦輪增壓器控制系統可以使得氣體壓力能夠被精確控制。天然氣系統零部件主要分布在發動機上，火花塞與點火電磁閥分別為獨立的元件，各缸采用獨立的高壓點火電磁閥，而天然氣發動機排氣系統溫度比汽油發動機溫度要高，因此采用水冷增壓器。

儲氣瓶中的天然氣經過濾清器進行清潔過濾后，通過高壓關閉電磁閥對其進行控制，天然氣經過減壓后被輸送到噴射器中，ECU發出指令后對注射器中的天然氣進行控制，天然氣與增壓后的控制器再混合器中進行混合，駕駛人通過節氣閥門控制天然氣進入發動機內缸燃燒的量，火系統對進去發動機內缸的天然氣依次點火。發動機的控制系統根據轉速反饋值以及加速踏板位置可以精確計算出所需天然氣的流量，并通過氧量儀測算出所需的空燃比。發動機控制系統通過RS232通訊串口對發動機參數進行采集并傳輸顯示。天然氣發動機控制系統是一個復雜龐大的系統，其故障也較多，為了能夠對發動機故障進行有效診斷，并找到故障具體原因，設計了一種故障樹的天然氣發動機故障診斷專家系統。

2故障診斷專家系統結構

本文所設計的天然氣發動機故障診斷專家系統主要由人機接口、信號采集單元、故障獲取單元、數據庫、故障樹以及推理部分等構成?？傮w結構如圖1所示。

發動機信號的采集模塊主要由單片機掃描系統、檢測系統以及控制系統。

當發動機發生故障信息時，系統能夠通過單片機采集的各種參數對故障進行大體位置進行定位，確定發動機哪個模塊發生此故障，然后通過建立的知識庫中的數據進行摸排推理，最后將故障原因以及相關維修方法通過人機接口傳送到用戶中。

3 專家系統知識庫的設計

3.1 故障樹設計

結合天然氣發動機系統的結構特點以及工作原理，以天然氣發動機運行故障為頂事件，由實際維修經驗建立其總體故障樹模型，故障樹模型如圖2所示?，F以系統中“發動機轉速波動”故障為例進行介紹。

將故障樹的頂事件看作專家系統的故障征兆，故障樹的最底層作為最終的診斷結果，故障樹的每一層之間的邏輯關系對應于專家系統的推理過程，考慮到關系數據庫便于修改、刪除和添加的特點，因此采用關系數據庫作為各個故障子樹模型的知識存儲，樹中節點之間的層次關系由字段和代碼的組合表示。

3.2 診斷系統人機界面設計

天然氣發動機診斷系統中，人機界面控制系統開發作為整個診斷系統中重要的一部分，人機界面設計好壞關系到軟件的流暢程度以及用戶的體驗效果。為了保證故障專家診斷系統的安全性，不同用戶享受的使用權限也不相同，對于專家系統的底層配置只有指定的系統管理人員才能進行更改;對專家知識庫的專家知識和知識規則、故障樹進行修改，而普通用戶只能對發動機故障進行診斷和故障檢測。故障診斷專家系統的主界面主要包括故障檢索單元、故障診斷單元、知識管理單元、發動機型號輸入單元和系統維護單元。

專家系統軟件進行故障檢索的時候使用故障檢索界面。

進入人機界面系統主頁，通過主頁導航界面的故障檢索按鈕進入故障搜索所在的人機界面;在故障搜索界面輸入發動機型號，在關鍵字搜索框中輸入要搜索的關鍵字，系統對知識庫、規則庫中的知識及規則進行模糊匹配，找到與搜索關鍵字相關的故障信息記錄，然后反饋給用戶。

4 結語

天然氣發動機是目前我國汽車領域發展的一個重點方向，天然氣發動機機械結構相對復雜，在使用過程中難免出現各種各樣的故障現象，為了有效的對天然氣發動機故障進行分析，并快速進行維修，本文設計了一種基于故障樹的天然氣發動機故障診斷專家系統，分析了故障診斷專家系統的總體結構，根據其常見故障模式建立了系統的故障樹模型，并設計了一種正向推理方式實現系統的推理;設計了人機交互系統，該人機交互系統擁有良好的交互性，具有一定的自我學習能力。該系統對于提高天然氣發動機維修效率，提高維修人員實際經驗具有重要意義。

參考文獻

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