基于模型診斷電路故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡莉莎 曾維鵬 韓寶如

摘 要： 為了使電路故障診斷系統(tǒng)更加智能化、高效化，將基于模型診斷的故障診斷技術(shù)應(yīng)用在智能消防小車(chē)電路中。根據(jù)小車(chē)的系統(tǒng)行為信息對(duì)小車(chē)進(jìn)行建模，利用串口模塊將描述文件在線(xiàn)輸入到計(jì)算機(jī)中，再根據(jù)IsDS算法以及帶有終止節(jié)點(diǎn)的CSSE?tree算法調(diào)用MiniSAT求解器求解診斷結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠迅速指示故障元件，診斷效率較高，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 基于模型診斷； MiniSAT求解器； 電路故障診斷系統(tǒng)； 串口模塊

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TP301.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0108?03

Design and implementation of circuit fault diagnosis system based on model

CAI Lisha1， 2， ZENG Weipeng1，2， HAN Baoru3

（1. Sun Yat?sen University， Guangzhou 510275， China； 2. Hainan College of Software Technology， Qionghai 571400， China；

3. Hainan University， Haikou 570102， China）

Abstract： In order to make the circuit fault diagnosis system more intelligent and efficient， the fault diagnosis technology based on model is applied to the circuit of intelligent fire truck. The fire truck was modeled according to the system behavior information. The serial module is used to import the description file into the computer online， and then the MiniSAT solver based on IsDS algorithm and CSSE?tree algorithm with termination node is called to solve the diagnosis results. The experimental results show that the system can quickly indicate the fault component， and has high diagnostic efficiency and good application prospect.

Keywords： model?based diagnosis； MinSAT solver； circuit fault diagnosis system； serial module

常見(jiàn)的電路故障診斷方法是技術(shù)人員利用儀表結(jié)合自身所學(xué)的知識(shí)及積累的診斷經(jīng)驗(yàn)對(duì)電路進(jìn)行一路一路的測(cè)試，最終確定故障元件。該方法診斷效率低下，而且要求對(duì)電路的工作原理有一定的了解?；谀Ｐ驮\斷技術(shù)利用電路元件之間的連接關(guān)系建立系統(tǒng)模型，如果觀測(cè)到的行為與假設(shè)系統(tǒng)正常工作時(shí)所預(yù)期的行為不一致時(shí)說(shuō)明系統(tǒng)存在故障，利用診斷推理算法診斷故障并確定故障元件[1]。該方法診斷效率高，設(shè)備獨(dú)立性強(qiáng)，重復(fù)利用率高，維護(hù)更新簡(jiǎn)單便捷。智能消防小車(chē)的實(shí)現(xiàn)減少了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)不必要的人員傷亡，人們利用傳感器感知火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)并利用路徑規(guī)劃算法自動(dòng)尋找最優(yōu)路徑迅速找到事發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行滅火行動(dòng)。智能消防小車(chē)的系統(tǒng)能否正常運(yùn)行直接影響其工作效果，基于模型的智能消防小車(chē)故障診斷系統(tǒng)能夠自動(dòng)診斷電路的故障源，并顯示故障元件方便人們及時(shí)更換元件保證小車(chē)的正常運(yùn)行。

1 基于模型診斷相關(guān)算法的研究

1.1 可滿(mǎn)足性算法

可滿(mǎn)足性算法的基本思想為：將任何一個(gè)邏輯命題轉(zhuǎn)化為一個(gè)子句集，通過(guò)各種可滿(mǎn)足性方法判定該子句集是否可滿(mǎn)足從而決定該命題是否成立[2]。為了判定一個(gè)部件是否為故障元件，其實(shí)就是判定該組件的正常行為描述與相關(guān)的系統(tǒng)描述及觀測(cè)描述是否邏輯一致，只需將該部件相關(guān)的系統(tǒng)描述與觀測(cè)描述代入MiniSAT求解器，將判斷部件是否存在故障轉(zhuǎn)換為SAT求解問(wèn)題[3]。如果可滿(mǎn)足，MiniSAT求解器得到結(jié)果判定命題公式是真的；如果不可滿(mǎn)足，說(shuō)明該部件是個(gè)故障元件。

1.2 判定算法IsDS的研究

以與門(mén)部件為例，使用IsDS算法判定與門(mén)部件是否出現(xiàn)故障。判定部件為故障元件的IsDS算法為：

Function IsDS（SubCOMP[ ]）

輸入：待判定的系統(tǒng)組件子集SubCOMP。

輸出：BOOL值，若為沖突集則返回“真”，否則返回“假”。

以與門(mén)為例說(shuō)明如何使用IsDS判定算法判定故障集。設(shè)1，2分別表示與門(mén)的兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)變量，3表示輸出節(jié)點(diǎn)變量，輸入輸出正值表示高電平，負(fù)值表示低電平，4表示組件變量，當(dāng)組件變量取正值表示部件正常工作，取負(fù)值表示部件不正常工作。當(dāng)與門(mén)部件正常工作時(shí)，輸入1，2時(shí)，輸出為3，其邏輯描述為：OK（4）∧1∧2→3，將其轉(zhuǎn)換為范式的形式（將蘊(yùn)含符號(hào)→去掉）變成-OK（4）∨-1∨-2∨3?？紤]與門(mén)不同輸入所產(chǎn)生的不同邏輯描述，則與門(mén)的合取范式（CNF）表達(dá)如下：（-OK（4） ∨ -1∨ -2 ∨3）∧（-OK（4） ∨2 ∨-3）∧（-OK（4） ∨1∨-3）。與門(mén)的系統(tǒng)描述、組件正常行為描述的CNF文件如下：

-1 -2 -4 3 0

2 -4 -3 0

1 -4 -3 0

類(lèi)似的，可以給出觀測(cè)的CNF文件描述，當(dāng)1，2輸入節(jié)點(diǎn)變量為低電平時(shí)，觀測(cè)到的輸出節(jié)點(diǎn)變量如果為高電平，則觀測(cè)的CNF文件如下：

-1 0

-2 0

3 0

組件為正常組件的CNF文件如下：

4 0

基于IIsCS判定算法使用SAT求解器求解過(guò)程如下：

Step1：首先新建一個(gè)文本文檔，根據(jù)當(dāng)前組件子集SubCOMP的系統(tǒng)描述、組件的正常行為描述以及觀測(cè)描述，該組件為正常組件描述CNF文件追加到文檔中；

Step2：調(diào)用SAT求解器，求解CNF文件，求解結(jié)果為UNSAT；

Step3：判定上述CNF是否可滿(mǎn)足，若不滿(mǎn)足說(shuō)明該組件為不正常的組件，若滿(mǎn)足說(shuō)明該組合滿(mǎn)足邏輯表達(dá)式，該組件為正常組件；

Step4：結(jié)果分析，觀測(cè)值為-1，-2，3，對(duì)于一個(gè)無(wú)故障的與門(mén)輸入為-1，-2，輸出為3，該器件應(yīng)該是存在故障，使用IsDS算法，SAT求解器求解的結(jié)果為不可滿(mǎn)足，說(shuō)明該組件存在故障為故障點(diǎn)。此算法通過(guò)SAT求解器返回的結(jié)果即可判定是否是故障組件。

1.3 產(chǎn)生所有的極小診斷算法

使用IsDS算法能判定某一個(gè)部件是否存在故障，但是在智能消防小車(chē)中由很多個(gè)門(mén)電路構(gòu)成組合邏輯電路，如何快速找出該電路系統(tǒng)中存在故障的部件，本文利用CSSE?tree方法[4]結(jié)合IsDS判定算法搜索出智能消防小車(chē)中的故障元件。IsDS判定算法使用SAT求解器，將集合內(nèi)所有部件是否正常轉(zhuǎn)換成是否可滿(mǎn)足，若部件正常則SAT求解器求解結(jié)果為SAT，若出現(xiàn)故障求解結(jié)果為USAT，那么與之相關(guān)的其他電路元件構(gòu)成的CNF文件（SD，COMPS，OBS）求解的結(jié)果必定為USAT，因而無(wú)需對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展即能判定為故障部件。某一個(gè)部件CNF文件（SD，COMPS，OBS）求解結(jié)果是SAT，即不是故障元件，那么需引入其他元件的CNF文件，對(duì)其進(jìn)一步擴(kuò)展，直至求解結(jié)果為USAT或遍歷完所有元件。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案論述

本文所設(shè)計(jì)的智能消防小車(chē)故障診斷系統(tǒng)是基于模型診斷算法的電路故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括智能消防小車(chē)電路系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)及電路系統(tǒng)與診斷系統(tǒng)之間通信的通信系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)的具體功能為：將小車(chē)在人為設(shè)計(jì)的地圖中行駛，在探測(cè)火源的過(guò)程中自主尋找路徑行駛，遇到障礙物能夠繞開(kāi)障礙物行駛，找到火源后能夠迅速滅火。在小車(chē)執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，將小車(chē)的系統(tǒng)描述、組件的正常行為描述以及觀測(cè)描述、該組件為正常組件的描述的（SD，COMPS，OBS）三元組CNF文件發(fā)送到PC機(jī)中，利用IsDS判定算法結(jié)合CSSE?tree算法使用MiniSAT求解器判定是否存在故障，如有硬件電路故障則能顯示故障元件。

2.2 智能消防小車(chē)電路系統(tǒng)

智能消防小車(chē)由處理器、尋跡傳感器、避障傳感器、直流電機(jī)、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火風(fēng)扇、電源及串口通信模塊八大部分構(gòu)成[5]。小車(chē)由3節(jié)4.5 V的電池供電，使用宏晶公司研發(fā)的STC89C52單片機(jī)作為處理器處理接收紅外火焰?zhèn)鞲衅?、紅外光電開(kāi)關(guān)避障傳感器及光電尋跡傳感器的信號(hào)結(jié)合程序要求控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及風(fēng)扇的運(yùn)行，智能消防小車(chē)硬件電路圖如圖2所示。根據(jù)智能消防小車(chē)系統(tǒng)的每個(gè)部件之間的電路連接關(guān)系建立系統(tǒng)模型，同時(shí)建立合取范式的描述文件，文件里包含系統(tǒng)描述子句、正常行為描述子句、觀測(cè)描述子句。

2.3 通信系統(tǒng)

MiniSAT求解器是一款運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下的求解器，接收DIMACS CNF簡(jiǎn)單文本格式的文件。IsDS判定算法需要將（SD，COMPS，OBS）三元組信息輸入求解器，通過(guò)求解器判定其可滿(mǎn)足性。三元組信息與智能消防小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，因此通信系統(tǒng)主要任務(wù)是將小車(chē)所構(gòu)建的三元組信息上傳給PC機(jī)，同時(shí)將求解器求解的結(jié)果下傳到小車(chē)，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的通信。

本系統(tǒng)下位機(jī)利用printf（）函數(shù)將小車(chē)構(gòu)建CNF形式的三元組描述文件轉(zhuǎn)變成C語(yǔ)言，將初始化函數(shù)uartInit（），發(fā)送函數(shù)send（），接收函數(shù)receive（）通過(guò)單片機(jī)的RS 232與上位機(jī)進(jìn)行通信。由于Python語(yǔ)言能與其他語(yǔ)言進(jìn)行無(wú)縫連接，其次該語(yǔ)言的運(yùn)行環(huán)境與MiniSAT求解器相同等優(yōu)點(diǎn)，因此上位機(jī)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選擇Python，利用發(fā)送接收函數(shù)readUart（）與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用minisat_execute（）函數(shù)調(diào)用MiniSAT求解器。

2.4 診斷系統(tǒng)

診斷系統(tǒng)利用IsDS診斷算法根據(jù)智能消防小車(chē)電路系統(tǒng)建立的三元組（SD，COMPS，OBS）即電路系統(tǒng)描述，電路系統(tǒng)組件，觀測(cè)描述輸入MiniSAT求解器中求解。將智能消防小車(chē)每一個(gè)功能模塊生成一組三元組CNF描述文件，診斷模塊根據(jù)求解器求解的結(jié)果結(jié)合CSSE?tree算法以及其修剪規(guī)則決定是否需要發(fā)送下一組三元組數(shù)據(jù)直至遍歷完所有的組件。如果求解結(jié)果為“U”則表示該模塊為故障源，如果求解結(jié)果為“S”則需要發(fā)送下一組三元組數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)兩個(gè)階段對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試：第一階段測(cè)試小車(chē)在地圖中是否能夠?qū)崿F(xiàn)尋跡，避障，滅火功能；第二階段測(cè)試系統(tǒng)能否診斷人為設(shè)置L298為故障元件并指示故障元件。經(jīng)測(cè)試，小車(chē)在正常狀態(tài)下能夠自主尋找火源，在運(yùn)行過(guò)程中始終保持在地圖黑線(xiàn)中央，遇到障礙物能夠調(diào)整行駛方向順利避開(kāi)障礙物，最終順利到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行滅火任務(wù)。在第二階段測(cè)試過(guò)程中，小車(chē)元件L298一直報(bào)障，經(jīng)過(guò)測(cè)試表明當(dāng)小車(chē)左輪壓白線(xiàn)時(shí)無(wú)法調(diào)整行駛方向，其他小車(chē)右輪壓白線(xiàn)，小車(chē)直行及小車(chē)停止三個(gè)過(guò)程正常，經(jīng)過(guò)檢查是L298OUT2口存在故障。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于智能消防小車(chē)的故障診斷系統(tǒng)，包括智能消防小車(chē)電路系統(tǒng)，通信系統(tǒng)以及診斷系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用IsDS判定算法借助MiniSAT求解器對(duì)根據(jù)小車(chē)電路結(jié)構(gòu)連接信息及觀測(cè)信息構(gòu)建的三元組進(jìn)行判定故障元件，結(jié)合CSSE?tree算法遍歷小車(chē)電路中的所有元件。該系統(tǒng)使用方便，診斷效率較高，獨(dú)立性強(qiáng)，電路系統(tǒng)與系統(tǒng)推理內(nèi)核相互獨(dú)立。系統(tǒng)完成后，使用者只需要啟動(dòng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)，有故障時(shí)電路系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)障指出故障元件，使用者及時(shí)更換元件即可。

注：本文通訊作者為曾維鵬。

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