基于故障树分析的汽车机械故障诊断模型及系统构建

张士轩

摘要：现代汽车技术越来越复杂，机械故障的表现多种多样，机械故障诊断定位成为汽车维修工作的难题，故障树分析法是对现代复杂系统设备进行故障诊断的安全可靠方法。本文分析了汽车机械故障发生的原因，总结了汽车机械故障诊断的方法，构建了汽车机械故障诊断故障树分析模型，设计了汽车机械故障诊断系统，提出了汽车机械故障的预防措施。本文的研究成果，对于提高汽车机械故障诊断平和汽车维修工作效率等方面具有重要作用。

关键词：故障树分析;汽车机械故障;诊断模型;系统构建

中图分类号：U472， TP311             文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）26-0259-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

汽车作为一种交通运输工具，给人们出行带来了极大便利，在人们的日常工作和生产生活中发挥着极其重要的作用。汽车由成百上千个机械零部件构成，结构复杂，工作条件差，由于使用不当和零部件磨损等原因，发生机械故障不可避免。机械故障是指机械系统因偏离设计状态而丧失部分或全部功能的显现，机械故障是汽车比较常见的一种故障。由于汽车零部件的寿命是有限的，虽然机械故障发生具有随机性，但随着汽车使用年限增长，机械故障发生总体呈增加趋势。因此，必须对汽车机械故障引起足够的重视。故障诊断是对设备运行状态和异常情况做出诊断，并确定故障大体发生部位的过程。诊断出汽车机械故障的部位和原因后，运用维修技术进行处理，将机械故障及时消除，使汽车运行稳定性及效率得到提升，运行寿命得以延长。现代汽车技术越来越复杂，机械故障的表现多种多样，机械故障诊断定位成为汽车维修工作的难题，传统的人工诊断排查技术越来越不适应汽车工业发展的需要。故障树分析（Fault Tree Analysis）是安全系统工程最重要的技术之一，已经成为设备故障诊断和预测的有效手段。本文基于故障树分析技术构建汽车机械故障诊断模型，并以此为基础设计汽车机械故障诊断系统，提高汽车机械故障诊断的信息化水平，提高汽车维修工作效率，使得维修工作按标准化程序更合理有效进行，为汽车运行的安全性和稳定性提供保障。

1 汽车机械故障发生的原因

汽车的机械零部件很多，在控制系统的统一指挥下各自发挥作用。机械故障发生后，导致汽车不能正常运转，通常表现为刹车失灵或档位反应慢，摩擦音、碰撞音或零部件震动发出有节奏的声响，排放的尾气非常刺鼻或呈黑烟状态，更严重的是汽车不能启动或启动后不能行驶。产生这些现象的原因比较复杂，大体可分为以下几类：

（1）零部件原因。汽车由很多零部件构成，且组装结构复杂，零部件的型号、类型和材质多种多样，质量参差不齐，不同零部件的使用寿命和安全系数存在差异性，有些零部件瞬间超过最大负荷造成损伤，有些零部件损坏后不能及时更换。

（2）运行使用原因。货物运输汽车严重超载已成为常态，加之行驶时间长，高强度下的消耗造成汽车运行不流畅，容易发生制动失效和传动轴脱落等机械故障。道路环境不佳或自然环境恶劣，傳动、底盘、减震和制动等容易发生机械故障。

（3）驾驶技术原因。驾驶技术对汽车机械故障影响很大。很多驾驶人员驾驶水平比较低，缺乏必要的常识，汽车出现机械故障不能及时发现，紧急事故发生时操作失误增加了机械故障发生概率，野蛮起动和野蛮驾驶等引起严重的机械故障。

（4）油品品质原因。汽车运行需要燃料油和润滑油，燃料油不合格会使喷油嘴、油泵和燃油滤清器等出现机械故障;润滑油能够减轻车辆机械零部件的磨损程度，劣质润滑油不能保证润滑油及时到达润滑部位，致使机械零件发生严重磨损。

（5）维修养护原因。维修和养护是保障汽车安全行驶的两种手段。汽车发生机械故障，如果不及时维修，不仅存在安全隐患，还可能引起更严重的故障。汽车养护是对汽车进行全新保养护理的工艺过程。通过养护，对零部件进行调整或更换，主动排除隐患。养护人员技术水平低、责任心不强、偷工减料、机械故障处理不力等原因，都会导致更严重的机械故障。

2 汽车机械故障诊断的方法

汽车机械故障诊断的方法很多，常用的包括以下四种：

（1）经验诊断法。经验诊断是汽车机械故障最常用和最简便的方法。依据维修师傅的经验，对汽车的故障状态进行观察，判断发生机械故障的原因和位置。高超的经验需要长时间地磨练和积累，需要不断学习新知识，将理论与实践相结合。

（2）全面诊断法。通过观察和经验等方面不能够准确诊断出故障时，就需要全面诊断法，维修人员拆卸零部件，进行全面的分析和检查诊断故障。拆卸一些重要零部件，再安装很难达到原装质量，即平时所说的“汽车没跑坏反被修坏”。

（3）仪器诊断法。通过先进仪器对汽车机械故障进行诊断，有些汽车厂商专门针对自己的产品设计了诊断仪器，也有很多通用仪器为多种车型设计。优点是不需要反复拆卸、迅速了解汽车各个工作单元的工作状态，准确地诊断出机械故障。

（4）智能诊断法。智能是使用推理、学习和联想等手段通过知识解决问题。智能诊断技术是运用专家知识和人工智能等手段，将汽车机械零部件信息以及故障表象等信息输入计算机系统，由系统自动诊断，具有稳定性好和准确性高等特点。

3 汽车机械故障诊断故障树分析模型

传统的人工经验诊断法和仪器设备辅助诊断法存在较高的误差率，故障树分析法是对现代复杂系统设备故障进行诊断的安全可靠方法。故障树通过图形的方式表示事件之间的逻辑关系，数学模型的形式取决于故障树结构。

设汽车由n个零部件构成，每个部件只有正常和故障两种状态，分别用“0”和“1”表示，用[Xi（i=1，2，…，n）]表示第i个底事件，定义如下：

汽车机械故障由构成汽车机械零部件的故障引起，因此，零部件底事件的状态决定了结果事件的状态，用[Φ（X）=Φ（X1，X2，…，Xn）]表示零部件结果事件的状态，即故障树的结构函数，定义如下：

设故障树G有n个底事件，表示为[X1，X2，…，Xn]，[S=Xi1，Xi2，…，Xil]为故障树G中底事件的子集，当集合S发生时，即[Xi1=Xi2=Xil=1]，结果事件发生，则S为故障树G的一个割集。若在S中随机去除一个基本事件后，不再是故障树的割集，则称子集S是故障树G的一个最小割集。

结果顶事件在t时刻发生的概率是随机变量[Φ]的期望值：

设故障树由n个底事件[X1，X2，…，Xn]构成，事件i的故障概率为[Pi（t）=PXi（t）=1]，结果事件的结构概率函数表示如下：

概率重要度。表示汽车某零部件故障发生概率对结果事件的影响程度，如果减小概率重要度大的汽车零部件的故障概率，就能有效降低汽车机械故障发生的概率。第i个汽车零部件的概率重要度的数学公式表示为：

关键重要度。故障发生概率大的汽车零部件称为关键零部件，其重要度称为关键重要度。在汽车零部件设计过程中，改进关键零部件，更能有效降低汽车故障发生概率。汽车零部件i的关键重要度的数学公式表示为：

4 汽车机械故障诊断系统设计

使用汽车机械故障诊断系统，能够及时掌握汽车的运行动态，监测汽车的运行情况。当汽车发生机械故障时，迅速组织维修，将故障造成的损失和影响降到最低。软件开发框架结构设计和系统功能设计是系统设计的核心问题。

软件开发框架提供了系统构件之间的依赖关系和控制流程，基于框架的开发技术能够使软件开发过程更规范、代码编写效率更高、运行期间更易于维护。本系统开发采用由Struts、Spring和iBatis三個独立框架构成的SSi组合框架，该框架目前是J2EE领域应用最广泛的框架，框架结构如图1所示。

在图1所示的SSi框架结构中，Struts框架用于实现控制层，封装客户端的请求并调用业务层的Service类;Spring框架，支持可重用业务和数据访问对象，实现了类似Bean的托管和整合等功能;iBatis框架用于实现数据持久层，通过DAO组件访问数据库。三个框架协同工作实现了完整的开发框架。

系统目标通过系统功能来表达和实现，系统功能设计在软件生命周期中属于概要设计阶段，主要任务是基于模块化思想设计系统的功能组成。汽车机械故障诊断系统功能由基本信息维护、机械故障诊断和系统管理维护等三个子系统构成，每个子系统又由四个功能模块构成，功能设计结果如图2所示。

5 汽车机械故障的预防措施

任何机械零部件发生故障或异常，如果不能及时排除，不但会影响出行体验、影响货物运输，还可能由此引发更大的故障，导致行驶过程中危险事故出现，直接威胁到生命财产安全。但是，依据诊断和维修只是汽车发生机械故障时的应对策略，根本的解决办法还是预防措施。最有效的汽车机械故障预防措施具体包括以下几个方面：一是，把好汽车生产质量关。汽车的很多机械故障都与生产厂商有关，国家制定严格的生产标准，并采取有力措施监控汽车生产质量，在源头上控制汽车机械故障。二是，重视汽车维护保养。维修保养是防范汽车机械故障的有效路径，定期对汽车零部件状态进行排查，及时更换润滑油，定期检测各种情况，将机械故障控制在萌芽状态。三是，提高汽车驾驶技术。正确的驾驶操作，能够有效保护零部件，减少零部件磨损和疲劳损坏，减少离合器和变速箱等部件损坏，从而减少机械故障发生。四是，实施汽车报废制度。汽车如果超过了报废年限超期使用，各种机械零件老化，存在较大的安全隐患，故障维修费用显著提高。五是，动态监测零部件状态。基于物联网和人工智能技术，及时监测到机械故障。

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【通联编辑：闻翔军】