自動變速器離線故障診斷專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

周 昕 趙治國

（1.上海通用汽車有限公司；2.同濟大學）

1 前言

自動變速器（AT）與手動變速器（MT）相比，其結(jié)構復雜，零部件多，故障原因多種多樣，因此對維修技術人員要求更高，即在生產(chǎn)過程中需要對其質(zhì)量狀態(tài)作出快速準確的判斷，及時找到故障原因并加以預防，甚至要求在不解體的情況下能準確判斷故障來源并加以解決。

傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)由于知識庫不能及時更新，需要定期下載更新包來同步用戶的數(shù)據(jù)庫，且診斷和故障分析方法不能做到自主學習及自我改進。而專家系統(tǒng)比傳統(tǒng)的診斷程序具有更好的擴展性和適應性。使用專家系統(tǒng)輔助技術人員進行故障排除，不僅可縮短診斷時間，而且還能幫助培訓新員工，提升整體團隊的技術水平。

目前，專家系統(tǒng)在汽車行業(yè)的應用還處于試驗階段，大多通過HTML網(wǎng)頁程序的編制來實現(xiàn)，且要求用于診斷的計算機必須聯(lián)網(wǎng)運行，既不利于在無網(wǎng)絡覆蓋條件下的診斷和故障解決，也不適用于對特有故障模式情況的學習和快速判斷。為此，開發(fā)了自動變速器故障診斷專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有故障診斷、模式學習和數(shù)據(jù)庫管理功能，而且預留了接口，通過加載不同的數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)不同總成間故障診斷的切換，也便于后續(xù)開發(fā)整車級別的診斷專家系統(tǒng)。

2 6TXX系列自動變速器

某汽車6TXX系列自動變速器為6速前置前驅(qū)式自動變速器，根據(jù)傳遞的扭矩和尺寸的不同，可分為6T30/40/45 3種類型，各類型具有共同的結(jié)構，包括液力變矩器、行星齒輪系、摩擦式多片離合器總成和液壓控制系統(tǒng)。行星齒輪系提供6個前進擋和1個倒擋，通過變速器內(nèi)的控制模塊（TCM）來改變速比。TCM接收并監(jiān)測各種電子傳感器的輸入信號，并使用這些信息決策最佳換擋時刻及執(zhí)行換擋。

隨著變速器中摩擦接合部件逐漸磨損或年久變形，換擋時間也將增加或減少。為了補償這些變化，TCM可自適應調(diào)節(jié)壓力控制電磁閥的指令壓力，以保持原來標定的換擋正時，并能在車輛使用周期內(nèi)保持最佳換擋品質(zhì)。

由于6TXX系列自動變速器均采用電子控制，其離線故障的診斷和排除需要技術人員有一定的診斷維修經(jīng)驗。從專家系統(tǒng)的程序角度來說，要將經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為軟件能夠應用的一種標準是非常困難的，因為人腦既可以通過經(jīng)驗（案例），又可以通過規(guī)則來作出判斷，當2種推理結(jié)果相沖突時，人腦會進行綜合考慮取舍后作出判斷。然而對于專家系統(tǒng)來說，這個問題就需要通過軟件算法來解決。

本文所開發(fā)的故障診斷專家系統(tǒng)可以適用于6T30、6T40及6T50自動變速器。后續(xù)可在此系統(tǒng)和知識庫的基礎上增添其它系列的變速器故障診斷功能，包括用于混合動力汽車的變速器系列。

3 專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 專家系統(tǒng)結(jié)構

一般專家系統(tǒng)由用戶界面、推理機和知識庫3部分組成。為使用戶能夠方便地更新和維護知識庫，在該系統(tǒng)設計時增加了知識庫管理系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)包含4大部分，結(jié)構如圖1所示。

該系統(tǒng)各部分功能如下。

a. 用戶界面。用戶界面由輸入和輸出2個部分組成，界面采用VisualBasic設計實現(xiàn)，用戶可在Windows XP或更高版本系統(tǒng)中操作運行，如圖2所示。

b. 推理機。推理機是專家系統(tǒng)的信息處理程序，其主要由調(diào)度程序和推理程序組成。調(diào)度程序主要負責調(diào)用和查詢數(shù)據(jù)庫中的語句信息；推理程序主要負責運算數(shù)據(jù)庫各元素屬性的邏輯關系，并給予調(diào)度程序執(zhí)行調(diào)用或查詢動作。設計時將推理機內(nèi)建在程序中，實現(xiàn)了推理和控制一體化，并且實現(xiàn)了程序自我保護功能，不會因為用戶誤刪系統(tǒng)文件導致程序無法運行。

c. 知識庫。知識庫是信息的集合，以數(shù)據(jù)庫的形式保存。數(shù)據(jù)庫中包括現(xiàn)象、原因、屬性規(guī)則等相關信息，并且以程序能夠識別的結(jié)構來表達。由于數(shù)據(jù)庫接口統(tǒng)一，方便通過切換數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)程序整體功能的擴展。該系統(tǒng)中使用Access來構建知識庫。

d. 知識庫管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)允許授權人員對知識庫中的知識條目進行管理，包括添加、修改、刪除、更新、備份、升級等操作，用戶可在不了解數(shù)據(jù)庫結(jié)構的情況下直接對數(shù)據(jù)庫進行維護和升級操作。

3.2 知識的獲取與分析

首先通過與技師交流來獲取經(jīng)驗，再將這些經(jīng)驗進行信息分解。通過交流可知，不同系列變速器的復雜程度不同，雖然自動變速器的結(jié)構比手動變速器復雜，但是某些款型的自動變速器故障診斷卻不一定比手動變速器復雜。

另外也發(fā)現(xiàn)，像生產(chǎn)現(xiàn)場這樣工作強度和密度大的地方，每個技師都依靠自身所經(jīng)歷過的案例積累經(jīng)驗，并沒有一個系統(tǒng)或工具來記錄和在團隊中分享各自的經(jīng)驗感想，更沒有工具能夠查閱以往的故障與新發(fā)現(xiàn)的故障有何種關聯(lián)；技師分析和解決問題的步驟都是從自身角度出發(fā)，對新上任的技師，只能靠言傳身教和親身經(jīng)歷來豐富自己的故障診斷經(jīng)歷。這些不利于歸納總結(jié)常見的故障原因、優(yōu)化故障排除時間、給設計調(diào)試工程師提供反饋意見，從而導致工作效率低。因此，通過將一些常見的故障原因作歸納總結(jié)，并將其同失效模式結(jié)合起來，可作為開發(fā)故障診斷專家系統(tǒng)知識庫的一個突破口。

3.3 知識庫及其管理系統(tǒng)的建立

專家所運用到的知識必須要經(jīng)過計算機編碼才能為專家系統(tǒng)所用。推理機從知識庫取用所需要的知識條目用于問題的推理解決。知識庫中的知識既可來自專業(yè)材料，也可采用從公共渠道取得的常識。專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫可以以多種方式存儲知識條目。

將知識庫的接口作了規(guī)范和統(tǒng)一，如果要解決其它總成的故障問題，用戶只需要將數(shù)據(jù)庫位置切換到新數(shù)據(jù)庫即可使用，免去了重新開發(fā)診斷程序的麻煩。但這對知識庫的結(jié)構布置要求很高，不僅要使數(shù)據(jù)庫易于被程序所讀取，還要易于維護和更新。專家系統(tǒng)知識庫功能如圖3所示。

該專家系統(tǒng)的知識來源于2個方面：一方面通過產(chǎn)品設計說明書、產(chǎn)品技術說明書、產(chǎn)品使用說明書、產(chǎn)品潛在失效模式報告、零部件測試報告和維修手冊等渠道收集；另一方面通過生產(chǎn)車間對相關問題的解決經(jīng)驗、培訓材料和資深技術人員的經(jīng)驗傳授獲得。

在自動變速器實際故障診斷和解決過程中，現(xiàn)象和原因不是簡單的一一對應關系，某個現(xiàn)象可能是多種原因共同作用的結(jié)果，同時，某幾種原因的排列組合又能造成多種現(xiàn)象同時發(fā)生，因此故障現(xiàn)象和原因是多重對應關系。假設故障現(xiàn)象為1個集合（現(xiàn)象1，2，3......n），故障原因為1個集合（原因1，2，3，……m），則其對應關系如圖4所示。

在Visual Basic中添加data控件，通過設置App.Path，ADODB.Connection和 DataSource等屬性作為數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)的接口，將知識庫鏈接到程序中，如圖5所示。知識庫各功能實現(xiàn)代碼略。

3.4 推理機實現(xiàn)

推理機是專家系統(tǒng)的核心。目前一般將推理方式分為基于規(guī)則的推理和基于案例的推理2類。

3.4.1 基于規(guī)則的推理方式

基于規(guī)則的推理方式在專家系統(tǒng)中使用最廣泛。根據(jù)輸入的故障信息，推理機采用預設在程序里的規(guī)則，將結(jié)果輸出到程序界面反饋給用戶，通常用于表示具有因果關系的知識，并且可用樹狀圖來表達相互關系。OBD系統(tǒng)運用的就是基于規(guī)則的推理方式。

假設故障現(xiàn)象為1個集合 （現(xiàn)象1，2，3......n），故障原因為 1個集合（原因 1，2，3，……m），則使用程序語言可表述為：

IF<現(xiàn)象1>；若現(xiàn)象1成立且

<現(xiàn)象2>；現(xiàn)象2成立且

<現(xiàn)象n>；現(xiàn)象n成立

THEN<原因1>；則原因1成立且

<原因2>；原因2成立且

<原因m>；原因m成立

該推理方式比較成熟，開發(fā)周期短，應用廣泛，但是效率較低，更新慢，擴展性較差。

3.4.2 基于案例的推理方式

基于案例的推理方法為，推理機首先讀取用戶選擇的故障狀況或用戶輸入的故障關鍵詞，然后搜尋知識庫并從中找到與該關鍵詞相關的案例再給出信息。知識庫中的相關知識條目可以更新，并在下次診斷中被應用到新的推理中，如圖6所示。

典型的基于案例的推理包括相似案例檢索、案例修訂、案例更新等。案例的表示、檢索、問題特征提取和案例的更新是關鍵的問題。使用源案例來求解目標案例能夠簡化知識的獲取，通過直接使用案例能夠提高求解效率。因此案例的保存既是程序?qū)W習的過程，也是知識獲取的過程?；诎咐评淼拇a略。

基于案例的推理方式更新快、擴展性好，但是前期開發(fā)周期長，程序編制復雜，故障現(xiàn)象與原因兩者間具有復雜性和不確定性。

該故障診斷專家系統(tǒng)在基于規(guī)則推理的基礎上進行了改進，融合了基于案例推理的優(yōu)點，使系統(tǒng)結(jié)構得到優(yōu)化，推理結(jié)果更貼合實際情況，而同時軟件的開發(fā)周期也較短。

4 測試實例

4.1 故障搜索

已知故障為“變速器油溫度過高”，需要搜索相關信息。運行故障診斷專家系統(tǒng)并進入搜索模塊，在故障清單中查找或選定故障現(xiàn)象 “變速器油溫度過高”，系統(tǒng)即顯示相關故障的現(xiàn)象及其故障定義、發(fā)生原因和推薦采取的措施，如圖7所示。實際原因為變速器管路冷卻系統(tǒng)內(nèi)有雜質(zhì)而造成阻塞，推理出的多項原因中包含了該原因。

4.2 故障診斷

故障診斷模塊中可實現(xiàn)從現(xiàn)象到原因和從原因到現(xiàn)象的2種推理方式。

a. 已知故障現(xiàn)象為“倒擋不工作”，需要進行診斷。運行故障診斷專家系統(tǒng)，進入診斷模塊，查找或選定故障現(xiàn)象“無倒擋”，系統(tǒng)即顯示相關的故障原因提供參考，排查并確定故障原因后選擇匹配的故障原因條目，即顯示對于此故障原因的定義，如圖8所示。實際原因為壓力控制電磁閥不工作。

b. 已知故障原因為 “變速器冷卻系統(tǒng)阻塞”，需要進行診斷。運行故障診斷專家系統(tǒng)，進入診斷模塊，查找或選定故障原因 “冷卻系統(tǒng)阻塞”，系統(tǒng)即顯示在該原因作用時會產(chǎn)生何種故障現(xiàn)象，給予技術人員解決問題的思路和經(jīng)驗，如圖9所示。

5 結(jié)束語

利用Visual Basic 6.0和Access構建了自動變速器離線故障診斷專家系統(tǒng)，并開發(fā)了推理程序和知識庫管理系統(tǒng)。經(jīng)過對模擬故障的測試可知，該系統(tǒng)運行順利，結(jié)果準確，使用簡便快捷，達到預期的設計目標。

知識的獲取和知識庫的構建是該故障診斷專家系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵。通過在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際應用，對知識庫中的相關信息進行了更新，從而使系統(tǒng)診斷的結(jié)果更貼合實際狀況，進一步提升了該系統(tǒng)的實際應用價值。

1 Joseph Giarratano.專家系統(tǒng)原理與編程.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

2 Christoph Adami.Knowledge Introduction to Artificial Life.Springer-Verlag，1998.

3 馬才伏.汽車自動變速器故障的診斷與排除.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008.

4 朱迅.自動變速器維修.北京：北京郵電大學出版社，2007.5 程曉章.基于規(guī)則的柴油機故障診斷專家系統(tǒng).合肥工業(yè)大學學報，2003.

6 吳今培.智能故障診斷與專家系統(tǒng).北京：科學出版社，1997.7 紀常偉.基于故障樹的汽車故障診斷系統(tǒng)開發(fā).車輛與動力技術，2003.