李福英 鄧西川 趙智超 陳全

關(guān)鍵詞： 血?dú)夥治鰞x; 管路故障; 智能排障; 故障診斷; 專家系統(tǒng); 信息采集

中圖分類號(hào)： TN702?34; TB391 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）14?0032?04

Design of intelligent pipeline fault removal system for portable blood gas analyzer

LI Fuying1， DENG Xichuan1， ZHAO Zhichao2， CHEN Quan1

（1. Chongqing Medical University， Chongqing 400016， China; 2. Jiamusi University， Jiamusi 154007， China）

Abstract： The blood gas analyzer is one of the most commonly?used clinical instruments at present， and can effectively detect the pH value of the body and other indexes. Therefore， an intelligent pipeline fault removal system is designed for the portable blood gas analyzer to effectively remove pipeline faults of the portable blood gas analyzer and improve its working quality. The pipeline information acquisition module is used to collect voltage and current signals of pipelines by using the SCM to control the voltage and current signal acquisition circuit. The main control unit is used to drive the filter to filter out the noises in these signals， so as to obtain effective pipeline voltage and current signals which are transmitted to the fault diagnosis module. The expert system method is used to diagnose the fault information according to the fault diagnosis process. The fault information is sent to the fault removal module， so as to remove faults according to the reasonable fault removal method. The experimental results show that the system can accurately remove the pipeline faults of the portable blood gas analyzer in less than 2 ms， and has a good operation performance.

Keywords： blood gas analyzer; pipeline fault; intelligent troubleshooting; fault diagnosis; expert system; information acquisition

血?dú)夥治鰞x是通過(guò)電極測(cè)定人體全身血液中酸堿度值、二氧化碳分壓值以及養(yǎng)分壓值等各項(xiàng)指標(biāo)的儀器[1]。將血?dú)夥治鰞x測(cè)出的參數(shù)與各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較即可了解人體血液中的輸氧狀態(tài)以及酸堿平衡情況，為臨床中疾病診斷與確定治療方案提供了有效的科學(xué)依據(jù)[2]。血?dú)夥治鰞x可應(yīng)用于人類昏迷、嚴(yán)重外傷、甚至休克等病?；颊叩呐R床搶救與手術(shù)過(guò)程中的監(jiān)控和臨床治療過(guò)程中的觀測(cè)與研究[3]。血?dú)夥治鰞x主要由電極系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三大部分組成。其中管路系統(tǒng)較為復(fù)雜，其主要功能為自動(dòng)定標(biāo)、自動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)沖洗，是血?dú)夥治鰞x的重要組成部分[4]。便攜式血?dú)夥治鰞x因?yàn)槠溆袛y帶與使用方便等優(yōu)點(diǎn)漸漸被廣泛使用，但是其管路系統(tǒng)復(fù)雜，出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法使用。因此設(shè)計(jì)一種便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障智能排除系統(tǒng)，能快速排除血?dú)夥治鰞x故障，便于血?dú)夥治鰞x快速恢復(fù)正常，提高工作質(zhì)量[5]。

1 ?便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障智能排除系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障智能排除系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由主控單元、管路信息采集模塊、故障診斷模塊和故障排除模塊構(gòu)成[6]。其中：主控單元包括載波通信單元與數(shù)據(jù)處理單元;管路信息采集模塊包括管路檢測(cè)部分與載波通信部分，管路檢測(cè)部分包括故障檢測(cè)單元與傳感器，載波通信部分包括載波通信單元與地址編碼單元[7]。整個(gè)管路故障智能排除系統(tǒng)除主控單元、管路信息采集模塊、故障診斷模塊和故障排除模塊外，還包括隔離變壓器與電力線接口單元等。

便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障智能排除系統(tǒng)的主控單元完成整個(gè)管路故障智能排除系統(tǒng)的監(jiān)視與控制功能以及當(dāng)前管路故障信息上位機(jī)展示[8];管路信息采集模塊設(shè)置在便攜式血?dú)夥治鰞x與隔離變壓器二次端之間，采集便攜式血?dú)夥治鰞x管路工作狀態(tài)，并將獲取的管路電流、電壓信號(hào)上傳;故障診斷模塊和故障排除模塊得到的管路故障診斷信息和排除效果，通過(guò)上位機(jī)中的顯示器展示。

1.2 ?硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 ?電流電壓信號(hào)采樣

管路信息采集模塊通過(guò)單片機(jī)調(diào)控信號(hào)采集電路，采集便攜式血?dú)夥治鰞x管路的信號(hào)。信號(hào)采集電路圖見(jiàn)圖2。

1.2.2 ?故障診斷模塊

故障診斷模塊是便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障智能排除系統(tǒng)的核心部分，故障診斷模塊采用接收到濾波器反饋的管路電流和電壓信號(hào)，利用知識(shí)庫(kù)依次推理，獲取便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障部位以及置信度，并將這些診斷信息發(fā)送至故障排除模塊中進(jìn)行管路故障的有效排除。故障診斷模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

故障診斷模塊采取專家系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)診斷。專家系統(tǒng)由推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)、解釋系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取系統(tǒng)與人機(jī)接口等構(gòu)成。專家系統(tǒng)和專家工程師通過(guò)人機(jī)接口與用戶實(shí)現(xiàn)知識(shí)交互。推理機(jī)可通過(guò)診斷信息模擬專家思維在知識(shí)庫(kù)中查找知識(shí)進(jìn)行推理，找出故障解決方法[9]。知識(shí)庫(kù)是存放便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障相關(guān)的原理性知識(shí)、實(shí)際故障問(wèn)題以及專家經(jīng)驗(yàn)性解決故障方法的存儲(chǔ)器。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)便攜式血?dú)夥治鰞x管路的故障問(wèn)題、相關(guān)的故障描述以及推理機(jī)推理過(guò)程的故障狀態(tài)與處理結(jié)果[10]。將從知識(shí)工程師與訓(xùn)練數(shù)據(jù)中獲取的知識(shí)存儲(chǔ)到知識(shí)獲取系統(tǒng)中，并將其發(fā)送至知識(shí)庫(kù)內(nèi)，保障整體系統(tǒng)知識(shí)的一致;用戶通過(guò)解釋系統(tǒng)明確故障的具體診斷過(guò)程，領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^(guò)人機(jī)接口和知識(shí)獲取系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)的交互。

1.3 ?軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 ?故障診斷流程

圖4為故障診斷模塊進(jìn)行分析儀管路故障診斷的詳細(xì)流程，具體描述如下：

1） 建立存放故障規(guī)則前件和相應(yīng)規(guī)則概率，以及故障診斷結(jié)果和相應(yīng)概率的臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2） 將臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)初始化，匹配故障代碼與故障規(guī)則前件組成故障規(guī)則集，采取寬度優(yōu)先搜索方法，對(duì)規(guī)則集內(nèi)規(guī)則依次推理。將推理結(jié)果與推理結(jié)果相應(yīng)概率分別加入存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)組與存儲(chǔ)結(jié)果概率數(shù)組內(nèi)，將推理操作與推理操作相應(yīng)概率分別加入存儲(chǔ)規(guī)則前件與存儲(chǔ)規(guī)則前件概率數(shù)組內(nèi)。由以上數(shù)組組成新事實(shí)集繼續(xù)推理。

3） 重復(fù)步驟2），直至存儲(chǔ)規(guī)則前件數(shù)組無(wú)規(guī)則可匹配。

4） 故障診斷失敗，回到“推理失敗”;故障診斷成功，將推理結(jié)果中同類項(xiàng)合并，并將相應(yīng)概率相加，清除診斷結(jié)果中概率小于0.1的項(xiàng)。最后將推理過(guò)程與結(jié)果發(fā)送至“實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)”，故障診斷結(jié)束。

1.3.2 ?故障排除方法

便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障排除系統(tǒng)中故障排除模塊接收到故障診斷模塊的診斷結(jié)果信息后，采用以下故障排除方法進(jìn)行管路故障排除。

1） 便攜式血?dú)夥治鰞x系統(tǒng)信息中顯示“沖洗錯(cuò)誤”，這種故障情況在便攜式血?dú)夥治鰞x中較為常見(jiàn)，主要是由于以下故障造成。

① 便攜式血?dú)夥治鰞x管路系統(tǒng)中液體感知器未感知到清洗液。檢測(cè)清洗液瓶，發(fā)現(xiàn)其液體足夠，清洗液瓶體主泵可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，主泵下側(cè)有液體流出，檢測(cè)主泵管可見(jiàn)泵管已破裂，4個(gè)滾柱與主泵連接推動(dòng)主泵運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)4個(gè)滾柱發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)滾柱無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，主泵與泵管間摩擦力過(guò)大導(dǎo)致泵管破損，將無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的滾柱仔細(xì)清洗至可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，去掉破裂泵管并安裝新泵管，故障排除。

② 管路系統(tǒng)中電磁閥異常導(dǎo)致“沖洗錯(cuò)誤”。與管路系統(tǒng)沖洗系統(tǒng)相連接的電磁閥分別為V1，V5，V9，V11。進(jìn)行沖洗程序時(shí)，兩個(gè)液體感知器之間發(fā)光管狀態(tài)異常，檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電磁閥V11與電磁閥V1，V5，V9狀態(tài)不同，電磁閥V1，V5，V9均正常運(yùn)行，電磁閥V11無(wú)反應(yīng)。解決方案為：將便攜式血?dú)夥治鰞x關(guān)機(jī)，拆掉電磁閥V11，測(cè)試V11兩端線圈連通是否正常，電磁閥V11撥動(dòng)后無(wú)法動(dòng)作，將電磁閥V11拆開(kāi)，可見(jiàn)芯片與閥體見(jiàn)存在銹蝕，因而電磁閥無(wú)法動(dòng)作，將電磁閥銹蝕清除后重新安裝，“沖洗錯(cuò)誤”故障排除。

③ 閥管滲漏導(dǎo)致“沖洗錯(cuò)誤”。便攜式血?dú)夥治鰞x管路系統(tǒng)中存在4個(gè)短小閥管，閥管與電磁閥相連接，電磁閥頻繁運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致閥管受擠壓破損，更換破損閥管，排除故障，管路系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2） 便攜式血?dú)夥治鰞x顯示“pH電極超出范圍”或“不穩(wěn)定”。便攜式血?dú)夥治鰞x利用pH電極與參比電極實(shí)現(xiàn)pH檢測(cè)，參比電極中應(yīng)充滿氯化鉀溶液。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管路系統(tǒng)參比電極中氯化鉀溶液過(guò)少導(dǎo)致pH值測(cè)定不準(zhǔn)確，鹽橋泵與電磁閥V10正常運(yùn)行，參比電極與氯化鉀回流管連接處發(fā)現(xiàn)氯化鉀結(jié)晶，將回流管拔下，回流管與電極連接管存在異物，將異物取出，氯化鉀溶液可正常循環(huán)，故障排除。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

為了檢測(cè)便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障智能排除系統(tǒng)排除管路故障情況，在某市醫(yī)院采集管路故障便攜式血?dú)夥治鰞x10臺(tái)。將以上血?dú)夥治鰞x通過(guò)本文系統(tǒng)進(jìn)行管路故障排除，并將本文系統(tǒng)與支持向量機(jī)系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。從表1能夠看出，本文系統(tǒng)能夠?qū)?0臺(tái)便攜式血?dú)夥治鰞x出現(xiàn)的各種管路故障都準(zhǔn)確診斷出，并成功排除掉;而其他兩個(gè)系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確診斷出部分管路故障，并且也不能有效排除相應(yīng)管路故障，故障排除效果差。

統(tǒng)計(jì)本文系統(tǒng)排除上述出現(xiàn)的9種便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障性能，并將本文系統(tǒng)故障排除性能與支持向量機(jī)系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。系統(tǒng)吞吐率為系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)包與發(fā)送數(shù)據(jù)包對(duì)比結(jié)果，系統(tǒng)能耗為系統(tǒng)進(jìn)行故障排除過(guò)程所耗費(fèi)的能量。系統(tǒng)的吞吐率和能耗是評(píng)價(jià)故障排除系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

統(tǒng)計(jì)三種系統(tǒng)在排除便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障過(guò)程中的吞吐率和能耗，評(píng)價(jià)本文系統(tǒng)排除便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障的性能，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

由圖5可看出：本文系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量大小為2 000條以內(nèi)時(shí)，吞吐率均為99.5%以上;而支持向量機(jī)系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量為2 000條時(shí)，吞吐率僅為81.1%和66.8%?？芍疚南到y(tǒng)接收數(shù)據(jù)量能力較強(qiáng)，增加了系統(tǒng)排除故障的準(zhǔn)確性。

由圖6可以看出，本文系統(tǒng)在檢測(cè)管路故障數(shù)量為50個(gè)時(shí)，能耗僅為199 J，而支持向量機(jī)系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)在檢測(cè)管路故障數(shù)量為50個(gè)時(shí)，所用能耗高達(dá)715 J與741 J?？芍疚南到y(tǒng)耗能較低，是一種高效的故障排除系統(tǒng)。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)一種便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障智能排除系統(tǒng)，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)其排除故障性能進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可準(zhǔn)確排除便攜式血?dú)夥治鰞x管路故障，并通過(guò)吞吐率、能耗指標(biāo)驗(yàn)證了本文系統(tǒng)排除故障過(guò)程中，具有占用率低、耗能低等優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)運(yùn)行效果佳。

注：本文通訊作者為陳全。

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