某型裝甲車發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】針對裝甲車輛發(fā)動機(jī)裝置特點(diǎn)，將嵌入式傳感器采集技術(shù)與專家系統(tǒng)結(jié)合，研制了裝甲車輛發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。使用證明，該系統(tǒng)界面友好、使用方便、診斷準(zhǔn)確率高，具有很好的推廣價值。

【關(guān)鍵詞】傳感器;專家系統(tǒng);故障診斷

隨著以信息技術(shù)為核心的高新技術(shù)武器裝備不斷裝備部隊(duì)，裝甲車輛的發(fā)展速度更為迅猛，裝備朝著通用化、系列化和模塊化的方向發(fā)展。[1]裝甲車輛在日常訓(xùn)練中使用頻率高，發(fā)動機(jī)設(shè)備故障時有發(fā)生。由于裝甲車輛發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的專業(yè)極多，而且故障原因沒有確定的規(guī)律可循，給故障的診斷和排除帶來了極大的困難。目前故障診斷主要依靠簡易診斷儀器和一線維修人員的主觀診斷法，依賴性強(qiáng)、自動化程度低、通用性差。

發(fā)動機(jī)專家系統(tǒng)技術(shù)是解決這個難題的有效方法。本文以某型裝甲車輛發(fā)動機(jī)為研究對象，基于嵌入式技術(shù)與傳感器檢測技術(shù)，開發(fā)出一種專家系統(tǒng)與車載診斷技術(shù)相結(jié)合的發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)，指導(dǎo)維修人員較迅速、準(zhǔn)確地找出發(fā)動機(jī)故障原因，滿足發(fā)動機(jī)故障診斷效率和準(zhǔn)確性的需求。

1.發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可分為嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備和專家系統(tǒng)軟件兩部分。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)，以安裝在裝甲車輛發(fā)動機(jī)上的各種傳感器為基礎(chǔ)，對車輛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對表征發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)的特征信號進(jìn)行檢驗(yàn)。傳感器主要包括熱電阻型溫度傳感器、電流型油壓傳感器、霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器等。嵌入式控制板采集傳感器數(shù)據(jù)后，通過RS232串行接口上傳到專家系統(tǒng)軟件分析處理。

圖1 總體方案示意圖

專家系統(tǒng)軟件通過虛擬儀表的形式直觀顯示出各傳感器參數(shù)，并分析處理。如特征信號超出正常范圍，可根據(jù)故障現(xiàn)象，依據(jù)故障診斷系統(tǒng)存儲的故障知識庫，運(yùn)用推理方法完成故障診斷過程，并顯示在人機(jī)界面上，給維修人員以維修指導(dǎo)（見圖1）。[2]

2.嵌入式電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備為典型的嵌入式設(shè)備，具有CPU、Flash存儲器，SRAM內(nèi)存、隔離電源、模擬信號調(diào)理以及放大、SWD調(diào)試接口、串行通信接口等硬件資源，可實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的信號隔離、放大、AD轉(zhuǎn)換、存儲、上傳等功能。

硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 嵌入式硬件原理框圖

2.1 車載電源電路設(shè)計(jì)

車載電子設(shè)備穩(wěn)定工作，需要有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。車載電源要求能夠工作在更寬的輸入電壓、更大的電流以及更高的溫度極值條件下，并且需要更高的散熱效率。因此，高性能的車載電源設(shè)計(jì)是車載電子設(shè)備可靠工作的保障。

車載電源系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境比普通電源系統(tǒng)要復(fù)雜，因?yàn)檐囕v內(nèi)部的電磁環(huán)境較為惡劣。車內(nèi)電氣設(shè)備在運(yùn)行時會產(chǎn)生大量電磁干擾，這些干擾的頻帶很寬，通過傳導(dǎo)、耦合或者輻射的方式，傳播到電源系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)而影響到電子設(shè)備的正常工作。最惡劣的情況往往是由于車輛自身產(chǎn)生的干擾所產(chǎn)生的，如點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及整流器系統(tǒng)的干擾脈沖。對整機(jī)系統(tǒng)來說，必須有針對性地對電源進(jìn)行凈化處理。除了對干擾源的消除，最重要的是提升電源系統(tǒng)的抗干擾能力。常用的提升電源系統(tǒng)抗干擾能力的方法包括：用吸收法進(jìn)行尖峰濾除，以消除正脈沖干擾，采用的器件可以是熱敏電阻、TVS管等;對于負(fù)脈沖，可以采用增加電容容量，利用蓄能抵抗干擾。對于電源跌落干擾，可以增加電源的濾波電容數(shù)量。在滿足成本和性能指標(biāo)要求的同時，盡量選用寬壓輸入范圍的電源芯片。

如圖3所示，車載24V電源首先經(jīng)過保險絲F2，可有效避免電流過大時，損壞后級電路。D1為TVS管，可對流向后端的電流分流，箝制后端電路電壓，抑制脈沖干擾。C51、L16、C52構(gòu)成π型濾波電路，凈化后端電源。U10為寬壓輸入DC/DC電源，具有9～36V的寬電壓輸入范圍，固定輸出為24V，且輸入輸出完全隔離，工作溫度范圍可以達(dá)到-40度至85度。輸入端的電容C50具有濾除噪聲以及儲能的作用，可保證電源快速跌落瞬間DC/DC電源正常工作。

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖4所示電路是一個典型的同相放大電路，目的是測量電流輸出型傳感器的數(shù)據(jù)。

選擇運(yùn)放的主要目的如下：1）阻抗變換。運(yùn)放的輸入電阻高，可實(shí)現(xiàn)源阻抗與AD采樣電路的有效隔離，以高輸入電阻減少對前級的影響，增大負(fù)載能力;2）其低輸出電阻、瞬間大輸出電流、高壓擺率、快速建立時間可以滿足ADC內(nèi)部采樣保持電路快速準(zhǔn)確采樣的需求。3）抗混疊濾波。在運(yùn)放輸出端添加一階低通濾波器，既可以濾除干擾噪聲，還能為AD采樣提供電荷保持電路，減小AD內(nèi)部電壓保持電容對輸入電壓的影響。

圖4的測量原理描述如下：4-20mA電流環(huán)的接法為兩線制，一端接AGND，一端接AIN1+，4-20mA電流環(huán)經(jīng)過高精度采樣電阻R59后，將電流信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，之后經(jīng)過運(yùn)放電路以及RC濾波處理后，由CPU經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供嵌入式系統(tǒng)存儲、分析。

3.專家系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)完成故障知識數(shù)據(jù)庫的建立，故障原因推理、故障解釋，給出維修參考意見。原理框圖如圖5所示。

3.1 故障知識數(shù)據(jù)庫建立

知識庫用于存儲領(lǐng)域內(nèi)的原理知識、維修經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及事實(shí)常識。首先通過應(yīng)用工程師咨詢維修領(lǐng)域?qū)＜?，獲取專業(yè)知識，之后通過人機(jī)接口更新、完善故障診斷數(shù)據(jù)庫。知識庫的完善要經(jīng)過反復(fù)的改進(jìn)與歸納，才能使設(shè)備在一定程度上達(dá)到人類專家的水平。[3]

圖5 專家系統(tǒng)原理框圖

知識庫的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)的重要組成部分，每一個模塊的運(yùn)行都離不開知識庫。本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫來存儲故障信息。利用ADO進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，采用結(jié)構(gòu)化查詢語言SOL進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

針對信息的不同，建立原始知識庫（包括規(guī)則知識和發(fā)動機(jī)資料知識）和推理知識庫（主要為隸屬度數(shù)據(jù)）兩種知識庫。

3.2 專家系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)程序，它通過收集故障知識，運(yùn)用智能推理方法完成故障診斷過程。[3-4]設(shè)計(jì)該故障診斷系統(tǒng)的目的，就是要使計(jì)算機(jī)在該領(lǐng)域中起到一定的人類專家的作用，其基本思想是使計(jì)算機(jī)能夠模擬某領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q實(shí)際問題的工作過程，如解決問題的經(jīng)驗(yàn)、方法和步驟等。[5]

當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分監(jiān)測到發(fā)動機(jī)工況參數(shù)異常時，通過故障診斷系統(tǒng)的推理機(jī)制，按照一定的規(guī)則和策略進(jìn)行推理，分析出故障原因的范圍，并通過人機(jī)接口，為維修人員提出供參考的維修步驟和建議。

專家系統(tǒng)軟件作為人機(jī)交互接口，除了輸出故障信息以外，也接收操作者的信息，比如人工輸入故障現(xiàn)象、添加知識庫等。

專家系統(tǒng)軟件采用面向?qū)ο蟮腃#編程語言設(shè)計(jì)，依托微軟公司的VS2010開發(fā)。在線檢測界面通過虛擬儀表的形式直觀顯示出各傳感器參數(shù)，并有故障報警提示功能。[2]

4.應(yīng)用實(shí)例

以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速過低為例演示系統(tǒng)應(yīng)用。用戶進(jìn)入在線檢測界面后，點(diǎn)擊“檢測開始”按鈕，系統(tǒng)開始在線采集傳感器數(shù)據(jù)并顯示。如數(shù)據(jù)異常，則顯示故障現(xiàn)象。用戶點(diǎn)擊“離線檢測”按鈕進(jìn)入離線檢測界面，進(jìn)一步判斷故障原因（見圖6、圖7）。

如圖6、圖7所示，用戶在故障類別中選擇“轉(zhuǎn)速異?！?，選擇故障現(xiàn)象為“啟動轉(zhuǎn)速低于100轉(zhuǎn)/分”，故障程度為明顯，點(diǎn)擊“診斷”按鈕，專家系統(tǒng)推理出故障原因?yàn)椤靶枰鼡Q電平或者充電”。

5.結(jié)束語

本文針對裝甲車輛發(fā)動機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的各種故障，結(jié)合嵌入式傳感器和專家系統(tǒng)技術(shù)，提出了智能故障診斷方法，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了裝甲裝備發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面友好、工作穩(wěn)定可靠，能夠很好地滿足在線監(jiān)測和離線診斷的要求。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)故障診斷準(zhǔn)確率高，能為發(fā)動機(jī)故障維修人員提供有力的技術(shù)支持，可有效提高發(fā)動機(jī)故障診斷自動化與智能化水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李芳，田忠舜.坦克裝甲車輛虛擬儀表研究[J].車輛與動力技術(shù)，2003（1）：40-46.

[2]胡文江，江杰，李杰.全數(shù)字化車輛儀表的應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)息，2006，22（12-2）：220-222.

[3]武波，馬玉祥.專家系統(tǒng)[M].北京：北京理工大學(xué)出版，2000.

[4]吳今培，肖建華.智能故障與專家系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，1997.

[5]肖云魁.汽車故障診斷學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：賈偉崗（1980—），男，工學(xué)碩士，研究方向：數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)。