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(xué)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yán)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(gòu)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(chǎn)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(zhǔn)確的判斷，幫助工程技術(shù)人員盡快定位故障、解決故障，減少因為防爆工程車故障導(dǎo)致煤炭生產(chǎn)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(jié)；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(shù)人員對防爆工程車的技術(shù)升級改造提供指導(dǎo)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(guān)領(lǐng)域內(nèi)專家、文獻及車輛維護人員交流總結(jié)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(zhǔn)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(guān)系表將防爆工程車故障樹中的邏輯關(guān)系表示出來。本文主要論述故障樹關(guān)系表的設(shè)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(quán)重值，它默認值為0，每當(dāng)出現(xiàn)過一次診斷，權(quán)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(quán)重值可以為技術(shù)人員進行技術(shù)升級改造提供數(shù)據(jù)支撐[5]。

將防爆工程車相關(guān)故障信息按照故障樹的邏輯關(guān)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(yīng)的權(quán)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(guān)技術(shù)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(jié)合的方式，使用C/S 的結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(zhǔn)確地定位防爆工程車故障原因并給出相應(yīng)的解決方案[7]。通過上述的設(shè)計運用Visual Studio 2017 設(shè)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(jié)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(zhǔn)確地完成防爆工程車故障的準(zhǔn)確定位并能提供相應(yīng)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(chǎn)的效率。