某型军用工程装备故障诊断系统设计与实现

鲁冬林，庄建东，曾拥华，刘 立，石大权

(1.解放军理工大学，江苏 南京 210007； 2.新疆军区装备部装备供应处，新疆 乌鲁木齐 830002)



某型军用工程装备故障诊断系统设计与实现

鲁冬林1，庄建东1，曾拥华1，刘 立1，石大权2

(1.解放军理工大学，江苏 南京 210007； 2.新疆军区装备部装备供应处，新疆 乌鲁木齐 830002)

某型军用工程装备是执行非战争军事行动的重要救灾设备，是道路抢险部队使用最为广泛的工程装备，一旦发生故障，将对部队执行救灾任务产生巨大影响。对该型装备故障诊断系统进行了详尽的分析，并在此基础上设计开发了基于故障树的故障诊断专家系统，将装备维修由传统的经验判断型改为专家系统智能辅助决策型，大幅提高了装备的实时维修保障能力。

工程装备；故障诊断；专家系统

0 引言

近年来各种自然灾害频繁发生，对人们生产生活造成极大影响，人民军队作为处置灾害的主要力量担负着重要职责，某型军用工程装备在抢险救灾过程中主要负责道路抢险工作，为救灾力量及时进入受灾地点开辟通路，但其在使用过程中难免遇到突发故障，在分秒必争的环境中需要及时诊断出存在故障并对其进行抢修，因此，抢险工程装备的伴随式辅助维修是一个急需解决的课题。

设备维修是知识及经验不断积累的过程[1]，维修人员能够及时诊断出故障不仅需要一定的知识经验积累，也需要正确有效的指引。研究设计该故障诊断系统，使其能够智能化地指导装备维修人员以最短时限完成故障分析与诊断工作，维修人员只需搜索故障现象关键词即可查询到相应故障并根据故障检测方法与步骤逐步判断直至问题查明，最终得到故障诊断报告。

1 系统体系结构

该故障诊断系统在需求分析的基础上，采用C/S四层体系设计方法，整个体系架构包括客户层、表现层、业务层以及数据库层，每层功能相对独立，各自发挥不同作用，下层为上层服务。

系统体系结构图如图1所示。

图1 系统体系结构图

其中客户层主要包括普通用户、高级用户和管理员，三种身份人员对应不同的操作权限，普通用户通过登录系统使用故障诊断功能，高级用户在普通用户的基础上添加了数据信息管理功能，能够对故障知识库进行升级更新，管理员则拥有最高权限，在前两者基础上还能进行用户管理操作，可以添加、修改、删除用户。表现层即窗体界面层，能够达到与用户交互的目的，在使用人员与计算机程序之间传递信息；业务层是该故障诊断系统的核心，内置了系统全部的应用业务，能够提供满足用户需求的各项功能；数据库层基于.Net Framework 3.5框架，用来定义、维护、更新和查询数据，完成数据访问和操作等一系列步骤。

2 系统层次建模

2.1 用例模型

本系统根据辅助维修软件平台的实际使用情况创建三个参与者，分别是普通用户、高级用户和管理员。用例(Use Case)是参与者可以感受到的系统服务或功能单元，它定义了系统是如何被参与者使用的，描述了参与者为了使用系统所提供的某一完整功能而与系统之间发生的交互过程[2]。组织用例的模型关系主要包括<>关系和<>关系。

故障诊断的用例关系图如图2所示。

图2 故障诊断用例关系图

2.2 静态模型

用户使用故障诊断系统必须先通过输入正确的用户名和密码进行登录，即所有事务都依赖于用户登录，在身份验证通过后即可进行故障诊断相关工作。在类图中相应部分用虚线箭头相连，表示存在依赖关系。故障诊断作为本系统设计的核心内容，其类图如图3所示。

图3 故障诊断类图

2.3 动态模型

对于一个事件数量较多且事件顺序复杂的系统来说，首先需要绘制系统状态图才能保证程序运行过程尽可能不出现错误。该型工程装备故障诊断系统的时序图如图4所示。

图4 故障诊断时序图

3 建立和分析故障树

3.1 构建故障树

由于该型装备结构组成复杂，装备故障模式多样，装备的故障节点数目较多，因此故障树的建立分为三级。这样建树使得故障树结构清晰，布局紧凑，内容完整。这里以“发动机无法启动”故障模式为例，其故障树如图5所示。

3.2 故障树定性分析

设故障树的底事件集合为：{x1,x2,…,xn},如果有一底集：{xi1,xi2,…,xin}，i=1,2,…,k, {xi1,xi2,…,xin}⊂{x1,x2,…,xn},当满足条件xi1=xi2=…=xin=1时，函数S(x)=1，也即该子集所含全部底事件均发生时，顶事件必然发生，则该子集就是割集，割集数为k[3]。

求得故障树的最小割集后，故障数的结构函数也随之确定。设故障树有k个最小割集，只要有一个最小割集kj(j=1,2,…,k)中的全部底事件xi均发生，系统必定发生故障[4]，kj可以表示为：

(1)

k个最小割集中，只要发生一个，顶事件就会发生[5]，即故障树的结构函数为：

(2)

3.3 故障树定量分析

设顶事件：

T=C1+C2+…+Cn

(3)

其中，C1、C2、Cn为最小割集。

那么由容斥定理，顶事件的发生概率为：

(4)

其中，Ci、Cj、Ck分别是第i、j、k个最小割集。

图5 “发动机无法启动”故障树

PT=P1-P2+P3-P4+…+(-1)n+1Pn

(5)

在式(5)中，P1是PT的上界，P1-P2为PT的下界，作

图6 故障诊断流程图

4 专家系统实现

4.1 故障检索

本系统故障现象检索支持多关键字的模糊查询，主要是利用SQL查询语言，把用户输入的关键字与知识库中的节点信息进行比对[6]，将匹配成功的故障事件及其对应的规则存储在中间数据库中，将查询到的结果列表显示在检索界面。

查询关键字数越多，查询难度越大，查询反馈也越多。本系统关键字查询实现的核心代码如下：

string textsearch = textgz.Text;

textsearch = textsearch.Trim();

str = textsearch.Split(new char[] { ' ' });

for (int i = 0; i < str.Length; i++)

{

sql = sql + "Fault like ('%" + Convert.ToString(str[i]) + "%') and";

}

sql = "select * from Fault where "+ sql.Substring(0,sql.Length - 4);

conn.Open();

da = new OleDbDataAdapter(sql, conn);

DataTable dt = new DataTable();

da.Fill(dt);

gridControl1.DataSource = dt;

4.2 故障分析

故障分析的实现思路是用户将故障现象导入分析框架后，根据在实际维修中发现的故障事实和已经采取的维修操作，配合专家系统的选择性问题提示，按照故障树分析方法自上而下查找导致顶事件的故障原因。这里以“变速杆已到挂挡位置而车辆不动”故障诊断为例。在故障现象搜索框中输入“变速杆 车辆不动”两个关键字进行模糊查询，此时会检索出知识库中所有包含有“变速杆”和“车辆不动”信息的故障情况，用户根据实际情况选出最符合的选项以便进行下一步的诊断分析。在故障诊断过程中，根据相应提示通过选择“是”或“否”对故障进行判断，对于较为复杂的检查操作，系统会给出详细的检查方法，最终直至故障问题查明。“变速杆已到挂挡位置而车辆不动”的故障诊断流程图如图6所示。

该故障诊断系统诊断界面如图7所示。

5 结论

该型军用工程装备故障诊断系统以Visual Studio为

图7 故障诊断界面

平台进行开发，主要开发语言为C#，后台数据库采用Access 2010，目前已在PC、平板电脑等平台部署使用，运行效果良好。本系统中采用的故障诊断模式相比过去单一且被动的交互形式有一定程度的改进，有利地促进了该型工程装备维修保障任务的完成。

[1] 杨菊辉，范玉德,刘更.重点设备状态检修系统设计与实现[J].微型机与应用，2014，33(8)：4-6,9.

[2] 肖瑾. 基于用例的软件需求管理研究[J]. 核动力工程，2009，30(z2)：79-83.

[3] 李馨. 模糊故障树分析方法新探[J]. 电子产品可靠性与环境试验，2007，25(1)：27-30.

[4] 刘文红，吴欣. 基于SFTA和等价类的软件测试用例设计方法研究与应用[J]. 现代电子技术，2013，36(21)：128-131.

[5] 孙权. 应用故障树解决实际问题[J]. 电子质量，2005(8)：26-31.

[6] 梁海龙，鲁冬林,陈俞龙，等. 基于.NET的工程装备维修保障辅助系统设计与实现[J]. 电脑编程技巧与维护，2015(13)：39-40.

The design and implementation of the system forengineering equipment fault diagnosis

Lu Donglin1, Zhuang Jiandong1, Zeng Yonghua1, Liu Li1, Shi Daquan2

(1. PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2. Xinjiang Military Region Equipment Supply Department, Urumqi 830002, China)

A type of military engineering equipment is an important relief equipment for non-war military operations. It’s the most extensive engineering equipment used by road rescue troops. In the event of a failure, it will have a tremendous impact on the disaster relief. In this paper, the fault diagnosis system of this type of equipment is analyzed in detail, and on this basis, a fault diagnosis expert system based on fault tree is designed and developed. The equipment maintenance is changed from traditional experience judgment to expert system intelligent assistant decision, and it improves the equipment maintenance support capabilities.

engineering equipment; fault diagnosis; expert system

TP391

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.027

鲁冬林，庄建东，曾拥华，等.某型军用工程装备故障诊断系统设计与实现[J].微型机与应用，2017,36(12)：91-93，97.

2016-11-29)

鲁冬林(1969-)，男，硕士，副教授，主要研究方向：工程装备保障。

庄建东(1991-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：工程装备保障。E-mail：249627469@qq.com。

曾拥华(1978-)，男，博士，讲师，主要研究方向：工程装备信息管理系统研究。