王 軍

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

由于壓縮天然氣 （CNG）是一種具有優(yōu)越燃燒經(jīng)濟(jì)性、排放性的清潔能源，所以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改裝技術(shù)大量地應(yīng)用于中國(guó)城市公交車(chē)、出租車(chē)、私家車(chē)上，保有量非常大。然而電控發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)維修人員的傳統(tǒng)檢修方法來(lái)進(jìn)行天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的維護(hù)費(fèi)用和維修成本不斷地增加，嚴(yán)重影響了汽車(chē)維修企業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì)。近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用人工智能技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)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(dòng)機(jī)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(chē)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(chē)維修專家的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部程序模擬汽車(chē)維修專家診斷推理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障的準(zhǔn)確診斷與維修。因此，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工智能化的故障檢測(cè)已是迫在眉睫，對(duì)于提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性，汽車(chē)維修企業(yè)的工作效益，都具有重要的意義。

1 汽車(chē)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

汽車(chē)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)是以故障樹(shù)分析法對(duì)故障產(chǎn)生的原因、機(jī)理以及各故障之間的關(guān)聯(lián)性等進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)設(shè)計(jì)出的故障樹(shù)進(jìn)行總結(jié)和提煉，通過(guò)產(chǎn)生式規(guī)則和框架表示法構(gòu)建知識(shí)庫(kù)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)里。選用正向推理方法，采用面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)出交互性強(qiáng)、方便用戶操作的人機(jī)對(duì)話界面，結(jié)合內(nèi)部強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。通過(guò)用戶與計(jì)算機(jī)人機(jī)界面的對(duì)話，專家系統(tǒng)模擬汽車(chē)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(dòng)機(jī)故障的部位和原因，并給出維修建議，最終實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷排除。同時(shí)該專家系統(tǒng)還應(yīng)具備數(shù)據(jù)管理能力和遠(yuǎn)程在線檢測(cè)功能。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、故障樹(shù)、解釋系統(tǒng)、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。知識(shí)庫(kù)是存放基于故障樹(shù)分析所提煉的診斷知識(shí)的規(guī)則、故障原因、故障維修建議等內(nèi)容；推理機(jī)以知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則知識(shí)和數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)說(shuō)明故障診斷過(guò)程中每一步推理步驟和推理思想。人機(jī)接口是專家系統(tǒng)與用戶進(jìn)行對(duì)話交流的方式，專家系統(tǒng)采用向用戶提問(wèn)、用戶選擇問(wèn)題選項(xiàng)的方式來(lái)引導(dǎo)用戶進(jìn)行故障診斷，最終確定故障部位。

2 專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 知識(shí)的獲取

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與普通電控發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)區(qū)別在于加裝了一套天然氣進(jìn)氣系統(tǒng)，它主要包括儲(chǔ)氣瓶、供氣 （充氣）管路、減壓器、高頻噴氣閥組、油氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和點(diǎn)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(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理、故障機(jī)理為基礎(chǔ)，進(jìn)行充分地分析，通過(guò)建立其故障樹(shù)來(lái)獲取天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的故障知識(shí)。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)來(lái)源于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的文獻(xiàn)資料和專業(yè)書(shū)籍以及汽車(chē)維修專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等，結(jié)合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)理、故障現(xiàn)象及故障原因分析建立故障樹(shù)。然后以故障樹(shù)定性分析方法，將其分類、歸納、提煉。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障樹(shù)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(shí)表示形式，有效地建立知識(shí)庫(kù)，以利于推理機(jī)的設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際調(diào)研、分析和總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)天然氣汽車(chē)燃?xì)庀到y(tǒng)多發(fā)故障主要有6個(gè)一級(jí)常見(jiàn)故障：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障、天然氣轉(zhuǎn)換故障、天然氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)故障、天然氣損耗指示故障、天然氣進(jìn)排氣系統(tǒng)故障等。16個(gè)二級(jí)常見(jiàn)故障現(xiàn)象：冷車(chē)起動(dòng)困難、熱車(chē)不易啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足、行駛中熄火自動(dòng)轉(zhuǎn)油、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)無(wú)顯示、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)顯示燒氣實(shí)際在燒油、無(wú)法轉(zhuǎn)換到CNG、轉(zhuǎn)換至CNG熄火、天然氣耗量過(guò)多、燃料儲(chǔ)量顯示不準(zhǔn)、天然氣壓力表指針變化大、無(wú)法充裝CNG等，以及天然氣管路或閥門(mén)堵塞、高壓電磁閥未打開(kāi)、空氣濾清器過(guò)臟堵塞、減壓器輸出壓力高于正常值、真空管破裂等80個(gè)故障原因。

2.2 知識(shí)的表示

知識(shí)的表示是將知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)獲得的知識(shí)按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的機(jī)器代碼，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。本專家系統(tǒng)的知識(shí)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(shí)表示方法。

1）規(guī)則表示法 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)把天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)和知識(shí)的產(chǎn)生式規(guī)則。針對(duì)“天然氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)故障”這一中間事件，做最小割集后包含有“轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)無(wú)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(shí)”，AND“燃?xì)釫CU至轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連線損壞或插接不實(shí)”，AND“燃?xì)釫CU壞”，THEN“轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)無(wú)顯示”這個(gè)規(guī)則表示，生成計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的知識(shí)。產(chǎn)生式規(guī)則在進(jìn)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(jìn)行知識(shí)庫(kù)知識(shí)的表示。

圖1 電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障樹(shù)

2）框架式表示法 以框架表示法為知識(shí)結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障樹(shù)上的結(jié)點(diǎn)信息為單位，將其設(shè)計(jì)成若干個(gè)診斷框架。用戶根據(jù)對(duì)應(yīng)的規(guī)則知識(shí)，與被診斷的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的故障現(xiàn)象相比較，找到相匹配的知識(shí)后，啟動(dòng)相關(guān)的子系統(tǒng)診斷框架。為了有利于推理機(jī)的設(shè)計(jì)，將框架內(nèi)容分為間接框架層、直接框架層、故障原因?qū)印⒐收辖Y(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(dòng)機(jī)專家診斷系統(tǒng)會(huì)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(duì)應(yīng)的故障維修建議。圖3為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常的框架表示法示意圖。

圖3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常的框架表示法示意圖

3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的推理機(jī)設(shè)計(jì)

本專家系統(tǒng)的推理機(jī)以規(guī)則置信度優(yōu)先級(jí)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(jìn)行故障診斷時(shí)，首先在直接框架層和間接框架層進(jìn)行診斷搜索，當(dāng)搜尋到相匹配的框架節(jié)點(diǎn)后，啟動(dòng)該框架中對(duì)應(yīng)的規(guī)則集，按照規(guī)則置信度的初設(shè)值自動(dòng)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(gè)推理過(guò)程完全模擬了汽車(chē)維修專家的診斷思路。

4 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)以Windows 7的操作系統(tǒng)為平臺(tái)，以Visual Basic 6.0為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行可視化人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，Access 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。選擇 ADO（Active Data Object）作為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具，能使專家系統(tǒng)更便捷地訪問(wèn)數(shù)據(jù)源。圖4為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)架圖。

在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的啟動(dòng)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(shí)對(duì)知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加和刪減等后期維護(hù)操作，以保證知識(shí)庫(kù)的不斷更新。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)啟動(dòng)登錄后的主界面主要包括故障診斷功能、知識(shí)庫(kù)管理功能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能和專家在線幫助功能等4個(gè)模塊。

圖4 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)架圖

故障診斷功能通過(guò)人機(jī)界面使用戶和系統(tǒng)進(jìn)行友好交互，用戶先在該界面的故障樹(shù)模塊里選擇與現(xiàn)實(shí)故障所對(duì)應(yīng)的故障節(jié)點(diǎn)，專家系統(tǒng)利用人機(jī)界面向用戶提問(wèn)，“是 （異常）”或“否 （正常）”或“不確定”這3個(gè)選項(xiàng)，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(guò)程都能顯示在該界面當(dāng)中，以便于用戶進(jìn)行查詢保存。

知識(shí)庫(kù)管理功能主要是對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行后期的管理維護(hù)，同時(shí)還可以對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的添加、刪除、修改等操作。該功能模塊包括框架庫(kù)管理、規(guī)則庫(kù)管理、維修建議庫(kù)管理3個(gè)模塊，每個(gè)模塊的界面交互性都可視友好，操作簡(jiǎn)便。

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

專家在線幫助功能包括專家遠(yuǎn)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(yuǎn)程診斷服務(wù)可以通過(guò)專家與客戶或維修人員在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行溝通交流，在線解決天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)輛參數(shù)信息和車(chē)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(chē)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(yǔ)

本文所述的基于故障樹(shù)分析法的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)大。該研究成果已經(jīng)在部分天然氣汽車(chē)得到驗(yàn)證，效果很好，能引導(dǎo)用戶快速確定天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)庫(kù)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的問(wèn)題，但對(duì)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(qiáng)對(duì)別的類型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)充，以進(jìn)一步加強(qiáng)專家系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性。