汽车天然气发动机故障诊断专家系统的研发

王 军

（巴音郭楞职业技术学院，新疆 库尔勒 841000）

由于压缩天然气 （CNG）是一种具有优越燃烧经济性、排放性的清洁能源，所以天然气发动机改装技术大量地应用于中国城市公交车、出租车、私家车上，保有量非常大。然而电控发动机加装了天然气系统后，其故障诊断与维修变得更加复杂和困难，尤其是天然气系统故障检修工作复杂、技术难度较高，仅凭汽车维修人员的传统检修方法来进行天然气发动机的故障诊断已不可能。这不仅给维修人员提出更高的要求，还导致天然气发动机的维护费用和维修成本不断地增加，严重影响了汽车维修企业生产效率和品质。近年来，随着人工智能技术在各个领域的广泛应用，用人工智能技术进行汽车故障诊断也得到快速发展。而专家系统与天然气发动机故障诊断技术的结合就是人工智能技术应用于汽车维修领域的典型案例。天然气故障诊断专家系统把汽车维修专家的宝贵知识和经验存储在计算机内，通过计算机内部程序模拟汽车维修专家诊断推理过程，实现对天然气发动机故障的准确诊断与维修。因此，开发先进的天然气发动机故障诊断专家系统，实现人工智能化的故障检测已是迫在眉睫，对于提高天然气发动机的运行可靠性，汽车维修企业的工作效益，都具有重要的意义。

1 汽车天然气发动机故障诊断专家系统的总体设计

汽车天然气发动机故障诊断专家系统是以故障树分析法对故障产生的原因、机理以及各故障之间的关联性等进行设计，然后对设计出的故障树进行总结和提炼，通过产生式规则和框架表示法构建知识库，存储在计算机数据库里。选用正向推理方法，采用面向对象的软件开发工具，设计出交互性强、方便用户操作的人机对话界面，结合内部强大的数据库开发出天然气发动机故障诊断专家系统。通过用户与计算机人机界面的对话，专家系统模拟汽车维修专家的诊断思维模式，逐步引导用户最终确定天然气发动机故障的部位和原因，并给出维修建议，最终实现天然气发动机故障的诊断排除。同时该专家系统还应具备数据管理能力和远程在线检测功能。天然气发动机故障诊断专家系统主要由知识库、推理机、故障树、解释系统、人机接口、数据库等组成。知识库是存放基于故障树分析所提炼的诊断知识的规则、故障原因、故障维修建议等内容；推理机以知识库中的规则知识和数据库中数据为基础，设定合适的推理策略推理出故障原因并给出维修建议。解释系统用来说明故障诊断过程中每一步推理步骤和推理思想。人机接口是专家系统与用户进行对话交流的方式，专家系统采用向用户提问、用户选择问题选项的方式来引导用户进行故障诊断，最终确定故障部位。

2 专家系统的知识库设计

2.1 知识的获取

天然气发动机与普通电控发动机本质区别在于加装了一套天然气进气系统，它主要包括储气瓶、供气 （充气）管路、减压器、高频喷气阀组、油气转换开关和点火提前器和天然气控制电脑等，其结构如图1所示。天然气发动机故障诊断专家系统以天然气发动机的结构及工作原理、故障机理为基础，进行充分地分析，通过建立其故障树来获取天然气发动机的故障知识。

天然气发动机故障诊断专家系统知识库来源于天然气发动机相关的文献资料和专业书籍以及汽车维修专家的经验知识等，结合天然气发动机的结构机理、故障现象及故障原因分析建立故障树。然后以故障树定性分析方法，将其分类、归纳、提炼。天然气发动机故障树如图2所示。本系统采用基于产生式规则的框架集成知识表示形式，有效地建立知识库，以利于推理机的设计。

通过对天然气发动机的实际调研、分析和总结后，发现天然气汽车燃气系统多发故障主要有6个一级常见故障：发动机运行故障、发动机启动故障、天然气转换故障、天然气转换开关故障、天然气损耗指示故障、天然气进排气系统故障等。16个二级常见故障现象：冷车起动困难、热车不易启动、发动机怠速运转不平稳、发动机动力不足、行驶中熄火自动转油、转换开关无显示、转换开关显示烧气实际在烧油、无法转换到CNG、转换至CNG熄火、天然气耗量过多、燃料储量显示不准、天然气压力表指针变化大、无法充装CNG等，以及天然气管路或阀门堵塞、高压电磁阀未打开、空气滤清器过脏堵塞、减压器输出压力高于正常值、真空管破裂等80个故障原因。

2.2 知识的表示

知识的表示是将知识获取机构获得的知识按照一定的规则进行编码，并转换成计算机能识别的机器代码，存储在计算机中。本专家系统的知识表示采用了产生式规则表示法和框架表示法相结合的知识表示方法。

1）规则表示法 天然气发动机故障诊断专家系统把天然气发动机工作异常作为顶事件，把中间产生的故障现象作为中间事件，将导致中间事件的故障原因作为底事件，以此建立故障树和知识的产生式规则。针对“天然气转换开关故障”这一中间事件，做最小割集后包含有“转换开关无显示”这一底事件，利用产生式规则表示法表示为“IF线束插头电路接触不实”，AND“燃气ECU至转换开关连线损坏或插接不实”，AND“燃气ECU坏”，THEN“转换开关无显示”这个规则表示，生成计算机专家系统知识库的知识。产生式规则在进行事件的结构层次关系的表示方面有一定的局限性，所以产生式规则通常与其他表示法联合使用共同进行知识库知识的表示。

图1 电控天然气发动机进气系统构架图

图2 天然气发动机故障树

2）框架式表示法 以框架表示法为知识结构的专家系统以天然气发动机故障树上的结点信息为单位，将其设计成若干个诊断框架。用户根据对应的规则知识，与被诊断的天然气发动机的故障现象相比较，找到相匹配的知识后，启动相关的子系统诊断框架。为了有利于推理机的设计，将框架内容分为间接框架层、直接框架层、故障原因层、故障结论层和维修建议层。根据用户提供的故障信息，天然气发动机专家诊断系统会在这些框架层中搜索最匹配的框架，从而找到最终的推理结论，然后再去搜索相对应的故障维修建议。图3为天然气发动机工作异常的框架表示法示意图。

图3 天然气发动机工作异常的框架表示法示意图

3 天然气发动机故障诊断专家系统的推理机设计

本专家系统的推理机以规则置信度优先级为冲突消解策略，以深度优先搜索为搜索策略并结合正向的推理方法。系统进行故障诊断时，首先在直接框架层和间接框架层进行诊断搜索，当搜寻到相匹配的框架节点后，启动该框架中对应的规则集，按照规则置信度的初设值自动将规则集排序，引导用户得到确定的最终诊断结果，并给出维修策略和建议，整个推理过程完全模拟了汽车维修专家的诊断思路。

4 天然气发动机故障诊断专家系统的实现

天然气发动机故障诊断专家系统以Windows 7的操作系统为平台，以Visual Basic 6.0为开发语言进行可视化人机界面的设计，Access 2003软件进行数据库设计。选择 ADO（Active Data Object）作为天然气发动机故障诊断专家系统开发的数据库访问工具，能使专家系统更便捷地访问数据源。图4为天然气发动机故障诊断专家系统构架图。

在天然气发动机故障诊断专家系统的启动登录界面里设置了普通用户和管理员两种登录方式，普通用户只能使用专家系统的故障诊断和技术资料服务等功能。而管理人员既可使用普通用户的全部功能，还可以随时对知识库和数据库进行添加和删减等后期维护操作，以保证知识库的不断更新。天然气发动机故障诊断系统启动登录后的主界面主要包括故障诊断功能、知识库管理功能、数据库管理功能和专家在线帮助功能等4个模块。

图4 天然气发动机故障诊断专家系统构架图

故障诊断功能通过人机界面使用户和系统进行友好交互，用户先在该界面的故障树模块里选择与现实故障所对应的故障节点，专家系统利用人机界面向用户提问，“是 （异常）”或“否 （正常）”或“不确定”这3个选项，依次推理下去，得到最终推理结果并给出维修策略和建议，所有结果及推理的中间过程都能显示在该界面当中，以便于用户进行查询保存。

知识库管理功能主要是对知识库进行后期的管理维护，同时还可以对知识库进行动态的添加、删除、修改等操作。该功能模块包括框架库管理、规则库管理、维修建议库管理3个模块，每个模块的界面交互性都可视友好，操作简便。

数据库管理的功能只能由系统管理员完成对数据表的添加、删除等修改操作，还可以对数据表的结构及数据类型进行修改。

专家在线帮助功能包括专家远程诊断模块、客户资料管理模块和技术资料服务模块。专家远程诊断服务可以通过专家与客户或维修人员在网络平台进行沟通交流，在线解决天然气发动机出现的疑难杂症。客户资料管理模块可以记录客户资料信息、客户车辆参数信息和车辆维修档案，使系统更便捷调取这些信息，提高故障诊断的效率。由于车型繁多，以及新技术、新工艺日新月异，因此，本专家系统提供了技术资料服务模块，以供用户在线学习和在线查询维修资料。

5 结束语

本文所述的基于故障树分析法的天然气发动机故障诊断专家系统用户界面交互性好，操作直观便捷，功能强大。该研究成果已经在部分天然气汽车得到验证，效果很好，能引导用户快速确定天然气发动机的故障部位，并给出相应的维修策略。本系统虽然解决了知识库动态扩展的问题，但对其他类型的天然气专家系统的诊断兼容性还不是太好，今后还要加强对别的类型天然气发动机系统故障知识库的扩充，以进一步加强专家系统应用的广泛性。