汽車天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)的研發(fā)

王 軍

（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000）

由于壓縮天然氣 （CNG）是一種具有優(yōu)越燃燒經(jīng)濟性、排放性的清潔能源，所以天然氣發(fā)動機改裝技術(shù)大量地應(yīng)用于中國城市公交車、出租車、私家車上，保有量非常大。然而電控發(fā)動機加裝了天然氣系統(tǒng)后，其故障診斷與維修變得更加復(fù)雜和困難，尤其是天然氣系統(tǒng)故障檢修工作復(fù)雜、技術(shù)難度較高，僅憑汽車維修人員的傳統(tǒng)檢修方法來進行天然氣發(fā)動機的故障診斷已不可能。這不僅給維修人員提出更高的要求，還導(dǎo)致天然氣發(fā)動機的維護費用和維修成本不斷地增加，嚴重影響了汽車維修企業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì)。近年來，隨著人工智能技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用人工智能技術(shù)進行汽車故障診斷也得到快速發(fā)展。而專家系統(tǒng)與天然氣發(fā)動機故障診斷技術(shù)的結(jié)合就是人工智能技術(shù)應(yīng)用于汽車維修領(lǐng)域的典型案例。天然氣故障診斷專家系統(tǒng)把汽車維修專家的寶貴知識和經(jīng)驗存儲在計算機內(nèi)，通過計算機內(nèi)部程序模擬汽車維修專家診斷推理過程，實現(xiàn)對天然氣發(fā)動機故障的準確診斷與維修。因此，開發(fā)先進的天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)人工智能化的故障檢測已是迫在眉睫，對于提高天然氣發(fā)動機的運行可靠性，汽車維修企業(yè)的工作效益，都具有重要的意義。

1 汽車天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)的總體設(shè)計

汽車天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)是以故障樹分析法對故障產(chǎn)生的原因、機理以及各故障之間的關(guān)聯(lián)性等進行設(shè)計，然后對設(shè)計出的故障樹進行總結(jié)和提煉，通過產(chǎn)生式規(guī)則和框架表示法構(gòu)建知識庫，存儲在計算機數(shù)據(jù)庫里。選用正向推理方法，采用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)工具，設(shè)計出交互性強、方便用戶操作的人機對話界面，結(jié)合內(nèi)部強大的數(shù)據(jù)庫開發(fā)出天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)。通過用戶與計算機人機界面的對話，專家系統(tǒng)模擬汽車維修專家的診斷思維模式，逐步引導(dǎo)用戶最終確定天然氣發(fā)動機故障的部位和原因，并給出維修建議，最終實現(xiàn)天然氣發(fā)動機故障的診斷排除。同時該專家系統(tǒng)還應(yīng)具備數(shù)據(jù)管理能力和遠程在線檢測功能。天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)主要由知識庫、推理機、故障樹、解釋系統(tǒng)、人機接口、數(shù)據(jù)庫等組成。知識庫是存放基于故障樹分析所提煉的診斷知識的規(guī)則、故障原因、故障維修建議等內(nèi)容；推理機以知識庫中的規(guī)則知識和數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)定合適的推理策略推理出故障原因并給出維修建議。解釋系統(tǒng)用來說明故障診斷過程中每一步推理步驟和推理思想。人機接口是專家系統(tǒng)與用戶進行對話交流的方式，專家系統(tǒng)采用向用戶提問、用戶選擇問題選項的方式來引導(dǎo)用戶進行故障診斷，最終確定故障部位。

2 專家系統(tǒng)的知識庫設(shè)計

2.1 知識的獲取

天然氣發(fā)動機與普通電控發(fā)動機本質(zhì)區(qū)別在于加裝了一套天然氣進氣系統(tǒng)，它主要包括儲氣瓶、供氣 （充氣）管路、減壓器、高頻噴氣閥組、油氣轉(zhuǎn)換開關(guān)和點火提前器和天然氣控制電腦等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)以天然氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)及工作原理、故障機理為基礎(chǔ)，進行充分地分析，通過建立其故障樹來獲取天然氣發(fā)動機的故障知識。

天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)知識庫來源于天然氣發(fā)動機相關(guān)的文獻資料和專業(yè)書籍以及汽車維修專家的經(jīng)驗知識等，結(jié)合天然氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)機理、故障現(xiàn)象及故障原因分析建立故障樹。然后以故障樹定性分析方法，將其分類、歸納、提煉。天然氣發(fā)動機故障樹如圖2所示。本系統(tǒng)采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的框架集成知識表示形式，有效地建立知識庫，以利于推理機的設(shè)計。

通過對天然氣發(fā)動機的實際調(diào)研、分析和總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)天然氣汽車燃氣系統(tǒng)多發(fā)故障主要有6個一級常見故障：發(fā)動機運行故障、發(fā)動機啟動故障、天然氣轉(zhuǎn)換故障、天然氣轉(zhuǎn)換開關(guān)故障、天然氣損耗指示故障、天然氣進排氣系統(tǒng)故障等。16個二級常見故障現(xiàn)象：冷車起動困難、熱車不易啟動、發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、發(fā)動機動力不足、行駛中熄火自動轉(zhuǎn)油、轉(zhuǎn)換開關(guān)無顯示、轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示燒氣實際在燒油、無法轉(zhuǎn)換到CNG、轉(zhuǎn)換至CNG熄火、天然氣耗量過多、燃料儲量顯示不準、天然氣壓力表指針變化大、無法充裝CNG等，以及天然氣管路或閥門堵塞、高壓電磁閥未打開、空氣濾清器過臟堵塞、減壓器輸出壓力高于正常值、真空管破裂等80個故障原因。

2.2 知識的表示

知識的表示是將知識獲取機構(gòu)獲得的知識按照一定的規(guī)則進行編碼，并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的機器代碼，存儲在計算機中。本專家系統(tǒng)的知識表示采用了產(chǎn)生式規(guī)則表示法和框架表示法相結(jié)合的知識表示方法。

1）規(guī)則表示法 天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)把天然氣發(fā)動機工作異常作為頂事件，把中間產(chǎn)生的故障現(xiàn)象作為中間事件，將導(dǎo)致中間事件的故障原因作為底事件，以此建立故障樹和知識的產(chǎn)生式規(guī)則。針對“天然氣轉(zhuǎn)換開關(guān)故障”這一中間事件，做最小割集后包含有“轉(zhuǎn)換開關(guān)無顯示”這一底事件，利用產(chǎn)生式規(guī)則表示法表示為“IF線束插頭電路接觸不實”，AND“燃氣ECU至轉(zhuǎn)換開關(guān)連線損壞或插接不實”，AND“燃氣ECU壞”，THEN“轉(zhuǎn)換開關(guān)無顯示”這個規(guī)則表示，生成計算機專家系統(tǒng)知識庫的知識。產(chǎn)生式規(guī)則在進行事件的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的表示方面有一定的局限性，所以產(chǎn)生式規(guī)則通常與其他表示法聯(lián)合使用共同進行知識庫知識的表示。

圖1 電控天然氣發(fā)動機進氣系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖2 天然氣發(fā)動機故障樹

2）框架式表示法 以框架表示法為知識結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)以天然氣發(fā)動機故障樹上的結(jié)點信息為單位，將其設(shè)計成若干個診斷框架。用戶根據(jù)對應(yīng)的規(guī)則知識，與被診斷的天然氣發(fā)動機的故障現(xiàn)象相比較，找到相匹配的知識后，啟動相關(guān)的子系統(tǒng)診斷框架。為了有利于推理機的設(shè)計，將框架內(nèi)容分為間接框架層、直接框架層、故障原因?qū)?、故障結(jié)論層和維修建議層。根據(jù)用戶提供的故障信息，天然氣發(fā)動機專家診斷系統(tǒng)會在這些框架層中搜索最匹配的框架，從而找到最終的推理結(jié)論，然后再去搜索相對應(yīng)的故障維修建議。圖3為天然氣發(fā)動機工作異常的框架表示法示意圖。

圖3 天然氣發(fā)動機工作異常的框架表示法示意圖

3 天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)的推理機設(shè)計

本專家系統(tǒng)的推理機以規(guī)則置信度優(yōu)先級為沖突消解策略，以深度優(yōu)先搜索為搜索策略并結(jié)合正向的推理方法。系統(tǒng)進行故障診斷時，首先在直接框架層和間接框架層進行診斷搜索，當(dāng)搜尋到相匹配的框架節(jié)點后，啟動該框架中對應(yīng)的規(guī)則集，按照規(guī)則置信度的初設(shè)值自動將規(guī)則集排序，引導(dǎo)用戶得到確定的最終診斷結(jié)果，并給出維修策略和建議，整個推理過程完全模擬了汽車維修專家的診斷思路。

4 天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)的實現(xiàn)

天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)以Windows 7的操作系統(tǒng)為平臺，以Visual Basic 6.0為開發(fā)語言進行可視化人機界面的設(shè)計，Access 2003軟件進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。選擇 ADO（Active Data Object）作為天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)庫訪問工具，能使專家系統(tǒng)更便捷地訪問數(shù)據(jù)源。圖4為天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)架圖。

在天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)的啟動登錄界面里設(shè)置了普通用戶和管理員兩種登錄方式，普通用戶只能使用專家系統(tǒng)的故障診斷和技術(shù)資料服務(wù)等功能。而管理人員既可使用普通用戶的全部功能，還可以隨時對知識庫和數(shù)據(jù)庫進行添加和刪減等后期維護操作，以保證知識庫的不斷更新。天然氣發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)啟動登錄后的主界面主要包括故障診斷功能、知識庫管理功能、數(shù)據(jù)庫管理功能和專家在線幫助功能等4個模塊。

圖4 天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)架圖

故障診斷功能通過人機界面使用戶和系統(tǒng)進行友好交互，用戶先在該界面的故障樹模塊里選擇與現(xiàn)實故障所對應(yīng)的故障節(jié)點，專家系統(tǒng)利用人機界面向用戶提問，“是 （異常）”或“否 （正常）”或“不確定”這3個選項，依次推理下去，得到最終推理結(jié)果并給出維修策略和建議，所有結(jié)果及推理的中間過程都能顯示在該界面當(dāng)中，以便于用戶進行查詢保存。

知識庫管理功能主要是對知識庫進行后期的管理維護，同時還可以對知識庫進行動態(tài)的添加、刪除、修改等操作。該功能模塊包括框架庫管理、規(guī)則庫管理、維修建議庫管理3個模塊，每個模塊的界面交互性都可視友好，操作簡便。

數(shù)據(jù)庫管理的功能只能由系統(tǒng)管理員完成對數(shù)據(jù)表的添加、刪除等修改操作，還可以對數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)類型進行修改。

專家在線幫助功能包括專家遠程診斷模塊、客戶資料管理模塊和技術(shù)資料服務(wù)模塊。專家遠程診斷服務(wù)可以通過專家與客戶或維修人員在網(wǎng)絡(luò)平臺進行溝通交流，在線解決天然氣發(fā)動機出現(xiàn)的疑難雜癥?？蛻糍Y料管理模塊可以記錄客戶資料信息、客戶車輛參數(shù)信息和車輛維修檔案，使系統(tǒng)更便捷調(diào)取這些信息，提高故障診斷的效率。由于車型繁多，以及新技術(shù)、新工藝日新月異，因此，本專家系統(tǒng)提供了技術(shù)資料服務(wù)模塊，以供用戶在線學(xué)習(xí)和在線查詢維修資料。

5 結(jié)束語

本文所述的基于故障樹分析法的天然氣發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)用戶界面交互性好，操作直觀便捷，功能強大。該研究成果已經(jīng)在部分天然氣汽車得到驗證，效果很好，能引導(dǎo)用戶快速確定天然氣發(fā)動機的故障部位，并給出相應(yīng)的維修策略。本系統(tǒng)雖然解決了知識庫動態(tài)擴展的問題，但對其他類型的天然氣專家系統(tǒng)的診斷兼容性還不是太好，今后還要加強對別的類型天然氣發(fā)動機系統(tǒng)故障知識庫的擴充，以進一步加強專家系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性。