燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究＊

全 睿 全書海 謝長(zhǎng)君 陳啟宏

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1） 武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2） 武漢 430070）

0 引 言

作為一種清潔、高效、環(huán)境友好的新型動(dòng)力源，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由于成本、使用壽命、耐久性和可靠性等因素制約了其產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)推廣程度［1］.朱新堅(jiān)等［2－3］在國內(nèi)最早開展了燃料電池可靠性的定性分析和單片電池的健康診斷研究；A.Ingimundarson等［4］利用機(jī)理建模方法對(duì)電堆氫氣泄露進(jìn)行識(shí)別；L.A.M.Riascos等［5］利用Baysian網(wǎng)絡(luò)對(duì)氫氧混合、風(fēng)機(jī)故障、冷卻系統(tǒng)故障和氫氣低壓幾種故障進(jìn)行識(shí)別；M.Gerbec［6］和R.Quan［7］等利用故障樹分析法對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障建立了故障樹模型，但如何進(jìn)一步完善模型并將之應(yīng)用到實(shí)際中還有待探討.專家系統(tǒng)可以充分利用和積累本領(lǐng)域的專家知識(shí)和技術(shù)人員的維修經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合一定的推理方法，實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測(cè)、準(zhǔn)確定位和預(yù)測(cè)，并能提出相關(guān)維修方法和建議，因此，設(shè)計(jì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可離線和在線診斷的專家系統(tǒng)對(duì)進(jìn)一步提高其安全性、可靠性和可維修性是很有必要的.

1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的故障特點(diǎn)分析

以自主研發(fā)的60kW燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)［8］中的圖1.從功能結(jié)構(gòu)上可細(xì)分為氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、燃料電池堆、控制器、單片電壓巡檢單元等.

依據(jù)課題組自2003年研發(fā)出“楚天一號(hào)”燃料電池轎車以來針對(duì)燃料電池、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃料電池車的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合所收集的各種故障數(shù)據(jù)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障類型如下：（1）傳感器故障.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器包含有壓力、流量、溫度、液位、電導(dǎo)率、相對(duì)濕度、電壓、電流等傳感器.根據(jù)其故障原因可分為偏差故障、沖擊故障、開路故障、漂移故障、短路故障、周期性干擾故障.在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況和控制命令信息，若某一傳感器的輸出超出規(guī)定的范圍或輸出信號(hào)變化率超過最大理論值時(shí)，可判定為該傳感器轉(zhuǎn)換電路或感應(yīng)部件發(fā)生故障；（2）執(zhí)行器故障.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的執(zhí)行器包括風(fēng)機(jī)、電磁閥、繼電器、冷卻風(fēng)扇、循環(huán)水泵和氫氣循環(huán)泵等，當(dāng)確定控制線路正常時(shí)，若控制器發(fā)出控制命令信號(hào)后執(zhí)行器無響應(yīng)或響應(yīng)遠(yuǎn)離期望值時(shí)可判斷其發(fā)生故障，通常造成其故障的部位在其控制電路和內(nèi)部相關(guān)部件；（3）線路故障.包括線路的短路、斷路、打鐵和接觸不良，該故障一般在研發(fā)初期出現(xiàn)，通常是由工作人員在系統(tǒng)集成與安裝過程中不規(guī)范操作或由于線路選型、設(shè)計(jì)和布局不合理造成；（4）電堆故障.燃料電池堆的故障可以分為由于水失衡、管路堵塞、高溫、高壓力差、氫氧混合、催化劑中毒以及關(guān)鍵組件自身性能衰減或裝配加工不可靠等造成的質(zhì)子交換膜、電極和雙極板故障等；（5）控制器故障.主要包括硬軟件故障.其中，硬件故障包括供電電路、最小系統(tǒng)、信號(hào)采集電路、輸出電路和通信電路由于設(shè)計(jì)不合理或部分元器件失效造成無法正常工作甚至系統(tǒng)失控；軟件故障主要包括潛在的程序BUG或相關(guān)過程參數(shù)控制策略不完善導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰減甚至損壞；（6）誤用故障.由于能量管理策略的不合理，使燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)過載或輸出功率超出當(dāng)前的實(shí)際輸出能力，導(dǎo)致單片電池性能急劇下降甚至造成不可修復(fù)的永久性損壞；或由于人為誤操作和工作疏忽，一方面導(dǎo)致氫氧直接混合帶來氫氣燃爆等安全隱患，另一方面導(dǎo)致某些部件或設(shè)備直接毀壞等.

2 故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)其基本組成主要由人機(jī)接口、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫和推理機(jī)構(gòu)成，同時(shí)還添加其它輔助單元，見圖1.

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

單片巡檢單元、檢測(cè)單元和控制器構(gòu)成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各種過程參數(shù)和工作狀態(tài)，對(duì)于某些非系統(tǒng)過程參數(shù)需要工作人員借助相關(guān)儀器儀表進(jìn)行定量檢測(cè)或依賴聽覺、視覺和嗅覺進(jìn)行進(jìn)行定性判斷（見后述），當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)故障現(xiàn)象時(shí)，首先對(duì)故障進(jìn)行定位，確定故障出現(xiàn)在哪個(gè)子系統(tǒng)，然后根據(jù)規(guī)則庫中的知識(shí)進(jìn)行推理，最后通過人機(jī)接口給出故障原因及其相關(guān)處理措施，另外還可根據(jù)診斷的要求對(duì)知識(shí)進(jìn)行修改、刪除和添加.

3 專家系統(tǒng)知識(shí)庫的設(shè)計(jì)

3.1 故障樹模型和知識(shí)庫的構(gòu)建

以“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障”為頂事件，結(jié)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作機(jī)理，由實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及燃料電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，建立其總體故障樹模型，見圖2.現(xiàn)以系統(tǒng)其中一個(gè)子故障樹“空氣供給系統(tǒng)故障”為例，有關(guān)其他自系統(tǒng)更多的故障樹模型可參考文獻(xiàn)［5，7，9］.

圖2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的故障樹模型

將故障樹的頂事件看作專家系統(tǒng)的故障征兆，將底事件看作最終的診斷結(jié)果，故障樹的層次邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于專家系統(tǒng)的推理過程，因此，故障樹與專家系統(tǒng)的知識(shí)庫可以通過割集關(guān)聯(lián)起來.考慮到關(guān)系數(shù)據(jù)庫便于修改、刪除和添加，因此采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為各個(gè)故障子樹模型的知識(shí)存儲(chǔ)，用字段和代碼相結(jié)合方法表示樹中各節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系，見表1和2.

表1 故障樹的字段定義

表2 故障樹的字段和代碼表示

3.2 知識(shí)的表示

本系統(tǒng)利用產(chǎn)生式規(guī)則［10］進(jìn)行知識(shí)表示.在這里對(duì)產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行模糊化加以改進(jìn)，從而形成模糊產(chǎn)生式規(guī)則表示法，這樣既充分考慮到診斷知識(shí)的模糊性、不確定性以及規(guī)則的強(qiáng)度，又符合人的思維，便于人機(jī)交換信息和規(guī)則的在線修改、擴(kuò)充和刪減.其表示法一般寫為

式中：a為前提，b為結(jié)論，CF為規(guī)則的置信度（μi＝0～1），由診斷專家根據(jù)維修人員的經(jīng)驗(yàn)提煉后給出的.對(duì)于多個(gè)邏輯關(guān)系的前提，一般有以下3種表達(dá)形式.

針對(duì)圖2所示的“空氣供給系統(tǒng)故障”的故障樹模型（若未加說明，全文相關(guān)研究方法和思路僅以“空氣供給系統(tǒng)故障”為例加以論述），以3.1所述的以頂事件為前提，底事件為故障原因，例如可以得到如下一條規(guī)則：

破除結(jié)論中的“或”關(guān)系，添加各條規(guī)則的置信度，結(jié)合表1和表2的故障樹用字段加代碼表示法，可進(jìn)一步提煉如下.

在這里需要指出的是，針對(duì)產(chǎn)生式規(guī)則的任意一個(gè)前提是當(dāng)頂事件發(fā)生的同時(shí)，該中間事件的故障現(xiàn)象（即故障征兆）出現(xiàn)來確定的，規(guī)則R401～R403中的前提F401的確定過程簡(jiǎn)單描述如下：

其中：T為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障樹的頂事件，F(xiàn)4和F401的定義如表1和2所列，這里的故障征兆有些可直接通過信號(hào)采集系統(tǒng)獲取的參數(shù)表征，有些故障征兆需要專家借助檢測(cè)設(shè)備或通過經(jīng)驗(yàn)獲取.

為了方便知識(shí)庫中規(guī)則的查詢和存儲(chǔ)，利用數(shù)據(jù)庫建立故障規(guī)則表和故障條件表分別見表3和表4.

表3 故障規(guī)則表

表中，RuleID為規(guī)則編號(hào)，用RXXX表示，F(xiàn)STID為故障樹節(jié)點(diǎn)代碼，F(xiàn)STreason代表故障原因或診斷結(jié)論，Rused表示規(guī)則是否成功匹配（1代表匹配成功，0代表未能匹配），F(xiàn)STCS為故障處理措施，RCF為規(guī)則的置信度，F(xiàn)STMS為節(jié)點(diǎn)征兆描述，flag為條件匹配標(biāo)志（1為匹配成功，默認(rèn)值為0）.將表3中的規(guī)則以RuleID為帶頭節(jié)點(diǎn)，以前提和診斷結(jié)論作為必備要素，結(jié)合規(guī)則的匹配條件、故障診斷措施和置信度以圖3所示的鏈表形式［11］在工作區(qū)進(jìn)行知識(shí)的連續(xù)存儲(chǔ).

圖3 知識(shí)鏈表

4 推理機(jī)

為了與工作人員常用的故障診斷思維方式相一致，根據(jù)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)故障的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用正向推理策略，見圖4.

圖4 正向推理流程

首先，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前故障征兆和相關(guān)工作狀態(tài)確定故障范圍，即找出各個(gè)故障子樹的頂事件；其次，針對(duì)正向推理中出現(xiàn)的“沖突消解”［12］，系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)規(guī)則的置信度RCF，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)確定故障樹中各節(jié)點(diǎn)事件的優(yōu)先級(jí)（置信度RCF越大，其優(yōu)先級(jí)越高）；然后從規(guī)則庫中選擇規(guī)則利用深度優(yōu)先搜索法對(duì)兩者進(jìn)行前提匹配，匹配成功則進(jìn)行故障樹下一節(jié)點(diǎn)的故障診斷，直到進(jìn)行到底事件為葉節(jié)點(diǎn)，最后給出診斷結(jié)果和處理措施，匹配不成功通過知識(shí)庫維護(hù)系統(tǒng)對(duì)故障樹進(jìn)行錄入和補(bǔ)充.

5 專家系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行舉例

5.1 主界面的設(shè)計(jì)

運(yùn)行故障診斷專家系統(tǒng)后，首先進(jìn)入到專家系統(tǒng)的主界面，如圖5所示，專家系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫管理單元、幫助文檔，并綜合了離線故障診斷和實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與手動(dòng)控制功能.

圖5 主界面

5.2 知識(shí)庫的維護(hù)

點(diǎn)擊主界面的“知識(shí)庫管理”按鈕，進(jìn)入知識(shí)庫維護(hù)界面，增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要提供該其父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的故障編號(hào)、故障現(xiàn)象、與其他分支的邏輯關(guān)系等，在建立節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系后，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)按照If…Then的格式將節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為規(guī)則的表示形式并生成知識(shí)鏈表，并將其添加到系統(tǒng)相應(yīng)的故障子樹中；刪除某一分支時(shí)，只需提供其故障名稱或編號(hào)及其父節(jié)點(diǎn)的故障編號(hào)即可.

5.3 診斷實(shí)例分析

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的各種過程參數(shù)（如單片電壓、電流、溫度和流量等）由單片巡檢單元、檢測(cè)單元采集，通過CAN總線傳送給控制單元，并由控制單元最終通過USB（或串口）將實(shí)時(shí)參數(shù)發(fā)送給實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，其中各個(gè)參數(shù)的安全閥值根據(jù)實(shí)際調(diào)試要求設(shè)置.對(duì)于圖2故障樹中的一些常見典型故障，系統(tǒng)可以直接利用數(shù)據(jù)庫引擎調(diào)用緩沖區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)自檢、啟動(dòng)、正常運(yùn)行、過載運(yùn)行和停車5種工作模式時(shí)的過程參數(shù)安全閥值直接給出診斷結(jié)果，這就是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線診斷功能.

經(jīng)過試用驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以很好的解決燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)一般性的故障診斷問題，滿足了設(shè)計(jì)和實(shí)際維修、維護(hù)的需要，與傳統(tǒng)的一旦出現(xiàn)故障利用相關(guān)工具和儀表逐個(gè)排除故障的方式相比，效率更高，診斷結(jié)果更直觀.

5.4 自學(xué)習(xí)機(jī)制

本系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能為［13］：（1）正確案例的學(xué)習(xí).初始狀態(tài)下規(guī)則庫中的每條規(guī)則置信度RCF、故障樹節(jié)點(diǎn)的故障概率主要由專家（本課題組的幾名教授構(gòu)成）給出，或由事先的先念概率（來自電控技術(shù)總監(jiān)）確定，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、各個(gè)階段和使用條件下部件故障分布的隨機(jī)性，對(duì)底事件發(fā)生概率好規(guī)則置信度的動(dòng)態(tài)修改提出了一定要求.因此，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)某種故障診斷成功時(shí)，規(guī)則庫中與之匹配的故障樹節(jié)點(diǎn)其故障概率和規(guī)則置信度RCF分別自動(dòng)增加0.001和0.01；（2）錯(cuò)誤案例的學(xué)習(xí).當(dāng)系統(tǒng)診斷針對(duì)某個(gè)故障診斷失敗或無法找到匹配的規(guī)則時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)輸出失敗的原因，并結(jié)合已有的診斷能力給出近似的補(bǔ)救措施，提醒工作人員或?qū)＜腋倪M(jìn)知識(shí)庫和推理機(jī)制.這樣經(jīng)過多次反復(fù)驗(yàn)證和改進(jìn)，系統(tǒng)的智能水平和診斷效率將逐漸提高.

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)較好的繼承了前人的維修和診斷經(jīng)驗(yàn)，能對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)常見的典型故障做出準(zhǔn)確的分析和判斷，并給出相關(guān)診斷措施，在實(shí)際工作中進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和故障診斷中獲得了良好的效果.目前針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷，可參考的實(shí)用文獻(xiàn)有限，因此本文所做的研究也只是一個(gè)初步的探討，針對(duì)知識(shí)的獲取、知識(shí)庫和故障樹模型的建立和完善，需要在今后的實(shí)踐中通過不斷積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)加以完善.

［1］陳全世，齊占寧.燃料電池電動(dòng)汽車的技術(shù)難關(guān)和發(fā)展前景［J］.汽車工程，2001，23（6）：361－364.

［2］邵慶龍，曹廣益，朱新堅(jiān).質(zhì)子交換膜燃料電池可靠性分析［J］.能源技術(shù)，2003，24（4）：145－148.

［3］郭家興，朱新堅(jiān)，曹廣益.質(zhì)子交換膜燃料電池故障診斷［J］.電源技術(shù)，2008，32（8）：528－531.

［4］Ingimundarson A，Stefanopoulou A G，McKay D.A model－based detection of hydrogen leaks in a fuel cell stack［C］／／Proceedings of IEEE Transactions on Control Systems Technology，2008：1 004－1 012.

［5］Riascos L A M，Simoes M G，Miyagi P E.A bayesian network fault diagnostic system for proton exchange membrane fuel cells［J］.Journal of Power Sources，2007：267－278.

［6］Gerbec M，Jovan V，Petrovcic J.Operational and safety analyses of a commercial PEMFC system［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2008，33（5）：4147－4160.

［7］Quan R，Tan B H，Quan S H.Study on fault tree analysis of fuel cell stack malfunction［C］／／Proceedings of 2010International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2010：579－582.

［8］全 睿，全書海，黃 亮.基于模糊故障樹的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫安全性［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（7）：951－956.

［9］全 睿.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2009.

［10］王俊國，尹 泉，萬淑蕓.基于規(guī)則的機(jī)車柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2003，27（6）：785－787.

［11］王 弘，余 化，黃雄武.制氧機(jī)組故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫的研制［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（11）：91－92.

［12］魏傳鋒，李運(yùn)澤，王 浚.航天器熱故障診斷專家系統(tǒng)推理機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31（1）：61－62.

［13］張 健，廖 瑛，莊景釗.基于故障樹分析法的某型直升機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2002，32（3）：76－78.