康明斯柴油发电机故障诊断系统

摘要：运用故障树分析法进行康明斯柴油发电机的故障分析，并转化成二叉故障树；采用产生式规则和框架表示法相结合构建知识库；采用层次分析法设计了故障诊断专家系统。基于Windows平台和Del-phi7.0语言开发了故障诊断专家系统。为用户提供了一套简单、实用的故障诊断工具，给*装备的故障诊断带来极大的方便。

康明斯柴油发电机具有动力性强、使用可靠和适用性强等许多优点，目前广泛应用各系列康明斯柴油发电机组上。由于该柴油发电机的控制、检测和电器系统现代化程度高，组成结构比较复杂，技术会含量高，相关技术资料和维修数据比较缺乏，且受生产厂商技术封锁的限制，给康明斯柴油发电机的故障诊断和维修带来很大的不便。为此，本文运用现代故障诊断理论，研究康明斯柴油发电机的故障诊断技术和方法，设计开发康明斯柴油发电机故障诊断专家系统软件。

一、故障诊断专家系统的总体设计

专家系统的基本设计思想就是将知识和控制推理策略分开，形成知识库。专家系统在揄策略的控制下，利用存储起来的知识分析与处理问题。这样在进行故障诊断时，用户为系统提供一些已知数据，然后从系统中获得专家水平的故障诊断与维修方法的指导结论Ⅲ。

1、模型选择与构建

层次分析诊断模型主要是利用系统结构分级原理将复杂系统分为系统级、子系统级和部件级等几个层次，然后对不同的层次，分别采用与它较为适合的具体层次诊断方法确定故障的部件和原因，直至到达预定层次并获得相应的结果为止。层次分析诊断模型是整个康明斯柴油发电机故障诊断专家系统设计的主导思想，诊断知识的表示和诊断推理机制都围绕此进行设计。结构工程机械柴油发电机的实际维修情况，本文研制的系统采用层次分析诊断模型。在建立模型时，主要采用按照结构分解的方法。

2、总体设计

首先按层次分析法对康明斯柴油发电机的系统结构进分级，即按各部分析隶属关系，用树状结构对柴油发电机系统进行分解，顶层是系统本身，下一层是组成系统的各子系统，再下一层是各子系统的组成部件，直至不可分为止。

知识库的构建是采用故障树转化成二叉故障树、框架和产生式相结合的方式来表达专家知识。根据表示形式、性质、层次、内容来构建完整知识库。

推理机采取正向推理与反向推理相结合的方式，根据知识库中的知识和用户提供的事实进行推理，对康明斯柴油发电机进行故障诊断。即运用数据库中的初始故障状态或人机对话所获得的故障状态，对知识进行搜索、推理和匹配。推理机是运用机器模拟专家的思维机制，用算法表示来分析问题、解决问题。

数据管理主要利用Delphi面向对象的编程技术，把知识库管理延伸到用户界面，让用户不依赖数据库软件就能进行数据操作和管理，包括数据添加、修改、删除等。

为使专家系统具备实用价值，在系统准确诊断出设备中存在的问题后，进一步向用户提供一些建议和方法，较终解决康明斯柴油发电机存在故障维修问题。

人机界面是用户与专家系统交互的接口，由输入和输出两大部分组成。一方面，它把一些信息或命令（由键盘等获得）进行识别、理解后输入给系统；另一方面，把专家系统产生的诊断结果由内部形式转换成人类能够接受的形式，再输出给用户。其总体设计流程如图1所示。

图1  柴油机诊断系统总体设计流程

二、故障诊断专家系统知识库设计

1、故障树分析法

（1）建树方法和步骤。

故障树的建树方法可参见参考文献。国标（GJB768.1-89）对故障树建立步骤有严格的规定。其基本步骤可归纳为，首先确定故障树的顶事件，建立边界条件，通过逐层次分解得到原始故障树，然后进行原始故障树的简化，得到较终的故障树，供后续的分析计算与故障诊断使用。

（2）二叉故障树。

二叉故障树是层次数据结构的一种，它由节点和分支组成。其中节点用于存储信息或知识，分支用于连接各节点。在故障诊断系统的知识表示中，二叉树是一种常用方法，这种数据结构能够清晰表示故障现象和各种故障原因之间的关系。在故障诊断专家系统中，为了便于数据库存储和算法的实现，可将普通故障树转化为二叉故障树。

2、专家系统知识库设计

专家系统的工作过程是获得知识并加以应用的过程。处理知识的首要问题就是如何表示知识的问题。知识的表示就是描述所做的一级约定，是知识符号化的过程，即把知识编码成为一种合适的数据结构。康明斯柴油发电机故障诊断专家系统知识库，主要采用框架表示法，库中的每条知识又是采用产生式规则来表示。

（1）产生式规则表示法。

产生式规则表示法将*信息与某些行为相关联，对新信息或需要执行的过程作出断言。产生式规则表示的知识中，一般都引入阈值和权值。其中阈值用来表示应该肯定还是否定的限度，权值表示同一规则中不同条件的重要程度，如果条件的置信度大于阀值，则该条件表示一条肯定事实，否则该条件表示一条否定事实。如：If蓄电池电压<24V（0.5，1.0）then蓄电池充电或更换（0.5，1.0），如果已知蓄电池电压<24V的可信度只有30%（0.3），小于其阈值（0.5），则不能认为此规则成立。而“权值”是反映其功能关键程度、故障概率和检测代价的参数，权值越大说明该条件越重要，在推理过程中更应作为优先考虑的对象。

（2）框架表示法。

针对本文用二叉故障树来分析康明斯柴油发电机故障，虽然其内容不同，但都可分成顶事件、中间事件和底事件，都有故障树节点，存在一些共同属性，因此我们可以把这些共同属性分离出来，建成一个上层框架，再把各类事件独有的属性分别分别构成下层框架，并可在下层框架间设立一个专用的槽（称为“AKO”），反映上、下层之间的关系，指出其上层框架，以建立上下框架间联系，下层框架还可以继承其上层的属性和值，既减少知识冗余和保持知识一致性，又节约了时间和空间。

3、专家系统知识库推理流程的具体实现

（1）明确故障类型：

先了解柴油发电机发生故障的现象，然后确定故障大致部位和所属系统或类型。例如检查冷却液渗漏，即可将故障大致定位于冷却系统进行诊断。

（2）选择推理方式：

比较明确的故障，宜采用确定推理，并得出明确的推理结果。如果故障现象比较模糊，则采用不确定性推理。

（3）得出故障结论：

依据推理，可以得出故障结论等信息，并提供给用户相应维修方法。

三、专家系统的实现

1、总体设计

康明斯柴油发电机故障诊断专家系统设计的指导思想是：提供一个特定环境，协助用户进行故障诊断和维护。该专家系统采用Delphi7.0软件编写，由知识库、推理机和系统外壳三大部分组成，整合成软件则可分成故障查询、故障诊断、数据维护三大模块。

2、故障诊断模块结构设计

根据系统故障层次模型和系统的故障树分析结果，结合建构的系统故障诊断数据库，开发出系统的故障诊断模块，其结构框架如图2所示。

3、故障诊断模块的程序实现

本系统设计对康明斯柴油发电机两大机构和五大系统进行故障诊断。以“柴油发电机起动困难或不能起动（排气冒烟）”故障为例，阐述故障诊断的步骤。

进入故障诊断主界面后，选择“燃油系统”下拉菜单，选定“柴油发电机起动困难或不能起动（排气冒烟）故障”，根据提示，进行选择或输入置信度等值，根据提示进行故障诊断，诊断过程略。

图2  康明斯柴油机故障诊断模块结构图

总结：

本文在深入分析了康明斯柴油发电机典型故障后，结合当前先进的故障诊断技术，将故障树分析法和专家系统应用于柴油发电机的故障诊断。用层次分析法构建了柴油发电机的故障诊断模型，建立了专家系统的知识库和推理机，完成了康明斯柴油发电机故障诊断专家系统的开发。该系统界面友好，功能较全，提供了诊断、查询、维护等实用功能，运行流畅，方便*等基层单位用户进行故障诊断和维修。