楊國(guó)振，蘇　健

（1.裝甲兵工程學(xué)院　控制工程系，北京　100072；2.裝甲兵工程學(xué)院　信息工程系，北京　100072）

一種復(fù)雜系統(tǒng)的快速故障診斷方法

楊國(guó)振1，蘇健2

（1.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072；2.裝甲兵工程學(xué)院信息工程系，北京100072）

針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷效率低，通用性、擴(kuò)展性差等問(wèn)題，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于靈巧故障樹(shù)的快速故障診斷方法，首先通過(guò)診斷節(jié)點(diǎn)生成算法建立故障診斷樹(shù)的關(guān)系，然后運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行處理，最后采用圖形界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；該方法將故障樹(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬界面進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了故障的快速診斷和推理的動(dòng)態(tài)更新，并在多型火炮控制系統(tǒng)的故障診斷中得到應(yīng)用，取得了重大效益。

靈巧故障診斷樹(shù)；快速診斷；診斷節(jié)點(diǎn)；ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)

0　引言

現(xiàn)有的故障診斷方法可劃分為基于解析模型的方法、基于信號(hào)處理的方法和基于知識(shí)的方法［1］。基于知識(shí)的方法是目前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，當(dāng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型難以獲得，且無(wú)法得到輸入輸出信號(hào)時(shí)，多采用該方法［2］。基于知識(shí)的方法又包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模式識(shí)別法、模糊推理法、故障樹(shù)分析法、專(zhuān)家系統(tǒng)法、粗糙集法和事例推理法等，它們都有各自適用的情形，前人也已作出了大量研究］。

針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)，在分析和掌握該系統(tǒng)的故障現(xiàn)象及其對(duì)應(yīng)的故障機(jī)理后，為提高故障診斷效率，可采用故障診斷樹(shù)分析法，但目前基于該方法所開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的故障診斷軟件較少。

本文運(yùn)用故障診斷樹(shù)分析法原理，基于Labwindows CVI樹(shù)控件，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的故障診斷軟件。該軟件可應(yīng)用于裝甲車(chē)輛炮控系統(tǒng)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等諸多復(fù)雜控制系統(tǒng)的快速故障診斷，以確定故障部位，進(jìn)行故障定位。

1　總體思路

故障診斷樹(shù)分析法是一種圖形演繹法，包括矩形事件、菱形事件和圓角矩形事件三類(lèi)事件符號(hào)，矩形事件為頂事件，代表故障現(xiàn)象節(jié)點(diǎn)，菱形事件為中間事件，代表測(cè)試判斷節(jié)點(diǎn)，圓角矩形事件為底事件，代表故障源節(jié)點(diǎn)。每個(gè)菱形事件有測(cè)試結(jié)果為真和測(cè)試結(jié)果為假兩個(gè)分支，事件之間通過(guò)有向連接線表示邏輯層次關(guān)系。故障診斷樹(shù)是由故障現(xiàn)象與故障原因之間的測(cè)試結(jié)果驅(qū)動(dòng)的，上一步的測(cè)試結(jié)果直接驅(qū)動(dòng)下一步的測(cè)試內(nèi)容。本方法中，將故障診斷樹(shù)由圖形表示法轉(zhuǎn)化為文字表示法，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的文本字段來(lái)對(duì)應(yīng)矩形事件、菱形事件和圓角矩形事件。

實(shí)現(xiàn)快速故障診斷的總體思路為：首先建立知識(shí)庫(kù)，將復(fù)雜系統(tǒng)的故障現(xiàn)象及故障原因以故障診斷樹(shù)的形式進(jìn)行存儲(chǔ)；然后借助Labwindows CVI樹(shù)控件，將故障診斷樹(shù)直觀地顯示給用戶(hù)，指導(dǎo)故障診斷。用戶(hù)既可查看完整的故障診斷流程，實(shí)現(xiàn)基于故障診斷樹(shù)的單步故障診斷；又可對(duì)故障診斷樹(shù)進(jìn)行增加、刪除和修改節(jié)點(diǎn)等操作，根據(jù)實(shí)際情形修改和完善故障診斷樹(shù)，這相當(dāng)于一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)通信技術(shù)，Labwindows CVI樹(shù)控件操作技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)故障診斷樹(shù)各類(lèi)操作的算法。

2　實(shí)現(xiàn)步驟

快速故障診斷的具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖1所示。

圖1　復(fù)雜系統(tǒng)快速故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)步驟

2.1梳理系統(tǒng)故障診斷樹(shù)

故障診斷樹(shù)分析法是實(shí)現(xiàn)快速故障診斷的基礎(chǔ)，我們首先需要依據(jù)專(zhuān)家知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，列舉系統(tǒng)可能存在的故障現(xiàn)象，并逐步分析產(chǎn)生各故障現(xiàn)象的原因，以及其中的邏輯關(guān)系，梳理出系統(tǒng)的故障診斷樹(shù)，建立知識(shí)庫(kù)。

2.2生成診斷節(jié)點(diǎn)，建立知識(shí)庫(kù)

梳理出系統(tǒng)的故障診斷樹(shù)后，根據(jù)其中的邏輯關(guān)系，編寫(xiě)診斷節(jié)點(diǎn)代碼，并錄入ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，故障診斷樹(shù)是以文本的形式存儲(chǔ)在ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中的。

為實(shí)現(xiàn)功能，我們?cè)O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)GZZDS.mdb，包含兩類(lèi)數(shù)據(jù)表，一類(lèi)是故障現(xiàn)象總表，命名為“gzxxzb”，另一類(lèi)是各故障現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的故障診斷樹(shù)存儲(chǔ)表，命名規(guī)則為“table”+“故障現(xiàn)象序號(hào)”。

故障現(xiàn)象總表存儲(chǔ)了被診斷系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)的全部故障現(xiàn)象，包括數(shù)字字段“ID”和文本字段“gzxx”，前者是故障現(xiàn)象依次排列的序號(hào)，后者是對(duì)各故障現(xiàn)象的具體文字性描述。

故障診斷樹(shù)存儲(chǔ)表的個(gè)數(shù)由故障現(xiàn)象總表中的故障現(xiàn)象總數(shù)決定，每個(gè)表包括數(shù)字字段“ID”、數(shù)字字段“層次”、文本字段“內(nèi)容”和數(shù)字字段“類(lèi)型”?！癐D”字段代表當(dāng)前記錄的序號(hào)；故障診斷樹(shù)的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系通過(guò)“層次”字段識(shí)別，它的命名規(guī)則為：表的首行記錄代表故障現(xiàn)象，“層次”是 “0”，自第2行開(kāi)始是展開(kāi)的故障診斷樹(shù)，第1個(gè)判斷節(jié)點(diǎn)的 “層次”是“1”，結(jié)論為真的節(jié)點(diǎn)“層次”是“10”，為假的節(jié)點(diǎn)“層次”是“11”，依次類(lèi)推，后一層節(jié)點(diǎn)“層次”是前一判斷節(jié)點(diǎn)“層次”值尾部添加“1”或者加“0”，當(dāng)結(jié)論為真時(shí)，添加“1”，反之加“0”；“內(nèi)容”字段是對(duì)應(yīng)故障診斷樹(shù)每一步的具體操作提示，或?yàn)榕袛喙?jié)點(diǎn)，或?yàn)榻Y(jié)論節(jié)點(diǎn)；“類(lèi)型”字段包含“0”、“1”和“2”3種，該表的首行記錄是故障現(xiàn)象，“類(lèi)型”為“0”，其余記錄若是判斷節(jié)點(diǎn)，“類(lèi)型”為“1”，若是結(jié)論節(jié)點(diǎn)，“類(lèi)型”為“2”。舉例說(shuō)明某故障診斷樹(shù)的存儲(chǔ)，如圖2所示。2

圖2　某故障診斷樹(shù)的存儲(chǔ)

.3建立Labwindows CVI軟件平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信連接

將節(jié)點(diǎn)代碼錄入ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)后，通過(guò)SQL Toolkit工具實(shí)現(xiàn)Labwindows CVI軟件平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信交互［9］，繼而實(shí)現(xiàn)后續(xù)功能，包含以下幾個(gè)步驟。

1）建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接：

sprintf（strDataSource，"Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0；Data Source=%s"，"GZZDS.mdb"）；

db Handle=DBConnect（str DataSource）；

2）激活SQL語(yǔ)句：

db Table=DBActivateSQL（db Handle，"SELECT*FROM gzxxzb"）；

3）處理SQL語(yǔ)句：

DBBindColChar（db Table，3，256，neirong，&dbstatus［0］，""）將字符型字段綁定到變量中；

DBBindColInt（db Table，4，&leixing，&leixingstatus）將整型字段綁定到變量中；

resCode=DBCreateRecord（db Table）創(chuàng)建一條記錄；

resCode=DBPutRecord（db Table）將當(dāng)前記錄存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；

resCode=DBDeleteRecord（db Table）刪除當(dāng)前記錄；

DBFetchRandom（db Handle，numberlist）隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)；

number=DBNumber Of Records（db Table）返回表中記錄的總數(shù)；

4）與數(shù)據(jù)庫(kù)斷開(kāi)連接：

resCode=DBDisconnect（db Handle）。

2.4故障診斷樹(shù)顯示及故障診斷推理

基于Labwindows CVI中的樹(shù)狀控件和已經(jīng)建立好的數(shù)據(jù)表，針對(duì)某一故障現(xiàn)象，既可完整地展示出故障診斷樹(shù)，給予操作人員清晰直觀的認(rèn)識(shí)；也可以根據(jù)每一步的測(cè)試結(jié)果逐一顯示故障診斷樹(shù)，實(shí)現(xiàn)故障診斷推理。

Labwindows CVI的樹(shù)控件提供了一組分級(jí)項(xiàng)目列表，可清晰地分層顯示故障診斷樹(shù)，常用的函數(shù)有：向控件中插入項(xiàng)目（Insert ListItem，可以選擇插入故障診斷樹(shù)的同級(jí)分支或者子分支）、刪除項(xiàng)目（DeleteListItem）等［9］。

故障診斷推理的難點(diǎn)在于如何將故障診斷樹(shù)存儲(chǔ)表中的內(nèi)容以符合Labwindows CVI樹(shù)控件操作規(guī)則的形式分層展現(xiàn)出來(lái)，分析如下：

1）故障診斷樹(shù)中“層次”為“0”的記錄代表故障現(xiàn)象，“層次”為“1”的記錄表示第1個(gè)判斷節(jié)點(diǎn)，除這兩條記錄外，其余記錄都是前一判斷節(jié)點(diǎn)的“是”與“否”兩個(gè)分支，兩兩配對(duì)存在。

2）構(gòu)造一維層次代碼數(shù)組cengciarray［］，由“1”開(kāi)始，將表中所有“層次”值存入該數(shù)組中，并通過(guò)冒泡法對(duì)該數(shù)組排序，這樣任一判斷節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)結(jié)論分支是前后相連的。

3）構(gòu)造二維數(shù)組indexarray［m］［n］，第一維用于標(biāo)記當(dāng)前元素的序號(hào)m，indexarray［m］［0］用于保存元素的層次代碼，indexarray［m］［1］用于保存當(dāng)前元素所處故障診斷樹(shù)中的位置，我們稱(chēng)之為索引代碼。規(guī)定indexarray［0］［0］=1，indexarray［0］［1］=0，表明indexarray［m］［n］的首元素是層次代碼為1的記錄，且該元素的索引代碼為0。

4）確定每一條記錄的索引代碼，該值是不斷動(dòng)態(tài)變化的，具體方法如下。

1）初步計(jì)算每條記錄的索引代碼?！笆恰苯Y(jié)論節(jié)點(diǎn)的索引代碼由它的判斷節(jié)點(diǎn)的索引代碼“+1”，“否”結(jié)論節(jié)點(diǎn)的索引代碼由它的判斷節(jié)點(diǎn)的索引代碼“+2”，層次代碼除以10后取整得到與其相關(guān)的判斷節(jié)點(diǎn)。

例如：由數(shù)組cengciarray［］中層次代碼為1的元素開(kāi)始，該元素表示故障診斷樹(shù)的首個(gè)判斷節(jié)點(diǎn)，它的索引代碼為0，它的兩個(gè)結(jié)論分支的索引代碼分別是1和2，將它們的層次代碼和索引代碼存入數(shù)組indexarray［m］［n］中。

2）對(duì)索引代碼進(jìn)行修正。從indexarray［m］［n］的首元素開(kāi)始循環(huán)遍歷該數(shù)組，如果某個(gè)元素的索引代碼等于它后面元素的索引代碼，則該元素的索引代碼加2，其余元素的索引代碼保持不變。

3）不斷重復(fù)第一步、第二步，直至獲得cengciarray［］數(shù)組中所有元素的索引代碼，并依次存入indexarray［m］［n］數(shù)組中。

通過(guò)以上算法，可將任一故障診斷樹(shù)存儲(chǔ)表中的記錄按照故障診斷樹(shù)的層次關(guān)系存儲(chǔ)在數(shù)組indexarray［m］［n］中。以圖1的存儲(chǔ)表為例，確定indexarray［m］［n］中數(shù)值的具體步驟如表1～5所示。

表1　indexarray［m］［n］中數(shù)值確定步驟一

表2　indexarray［m］［n］中數(shù)值確定步驟二

表3　indexarray［m］［n］中數(shù)值確定步驟三

表4　indexarray［m］［n］中數(shù)值確定步驟四

表5　indexarray［m］［n］中數(shù)值確定步驟五

5）完整展示故障診斷樹(shù)。依據(jù)indexarray［m］［1］中數(shù)值由小到大的順序，借助Labwindows CVI樹(shù)控件操作函數(shù)，依次顯示數(shù)據(jù)表中的各條記錄。

6）故障診斷推理。故障診斷推理是由判斷節(jié)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)故障診斷樹(shù)存儲(chǔ)表中各條記錄的層次代碼實(shí)現(xiàn)該功能。假設(shè)當(dāng)前判斷節(jié)點(diǎn)的層次代碼為cengci，單步診斷選擇“是”結(jié)論時(shí)，樹(shù)控件顯示層次代碼為cengci*10的那條記錄，選擇“否”結(jié)論時(shí)，顯示層次代碼為cengci*10+1的記錄。最終，通過(guò)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型代碼判斷單步診斷是否完畢，當(dāng)該值為“2”時(shí)，表明得到故障結(jié)論，診斷過(guò)程結(jié)束。

2.5故障診斷節(jié)點(diǎn)的編輯

由于知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的不準(zhǔn)確或不完備，我們先前梳理的故障診斷樹(shù)可能存在錯(cuò)誤，這時(shí)允許操作人員對(duì)故障診斷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編輯，即對(duì)數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)的記錄進(jìn)行修改。

操作人員可修改、增加或刪除故障診斷樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，在Labwindows CVI平臺(tái)中，首先通過(guò)Get CtrlIndex函數(shù)獲得樹(shù)控件的焦點(diǎn)，即需要進(jìn)行操作的節(jié)點(diǎn)，再基于indexarray［m］［n］數(shù)組的索引代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷樹(shù)存儲(chǔ)表的識(shí)別，繼而對(duì)存儲(chǔ)表進(jìn)行修改、增加或刪除操作。應(yīng)注意，增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先將所選擇的結(jié)論節(jié)點(diǎn)類(lèi)型改為判斷節(jié)點(diǎn)，然后為判斷節(jié)點(diǎn)成對(duì)添加“是”與“否”兩個(gè)結(jié)論節(jié)點(diǎn)；刪除節(jié)點(diǎn)時(shí)，是刪除所選節(jié)點(diǎn)的所有后續(xù)節(jié)點(diǎn)。

2.6故障結(jié)論存儲(chǔ)與顯示

故障診斷推理結(jié)束后，可存儲(chǔ)故障結(jié)論，并能與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)交互通信，讀取歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇某故障現(xiàn)象后，可顯示出該故障現(xiàn)象發(fā)生的總次數(shù)及其對(duì)應(yīng)各故障原因的次數(shù)。這一功能是通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表“gzxxcc”實(shí)現(xiàn)的，具體方法類(lèi)似于2.2中對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行的相關(guān)操作，此處不再贅述。

3　故障診斷應(yīng)用實(shí)例

3.1軟件界面設(shè)計(jì)

故障診斷軟件包括主界面、故障診斷界面以及與診斷節(jié)點(diǎn)操作相關(guān)的界面，可實(shí)現(xiàn)以下具體功能：

1）故障現(xiàn)象選擇。進(jìn)入程序主界面后，顯示出系統(tǒng)所有可能存在的故障現(xiàn)象。選擇某個(gè)故障現(xiàn)象，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，進(jìn)入故障診斷界面，該界面將故障現(xiàn)象和首個(gè)判斷節(jié)點(diǎn)自動(dòng)顯示出來(lái)。

2）查看流程。點(diǎn)擊“查看流程”，可將該故障診斷樹(shù)直觀全面地顯示。

3）單步診斷。點(diǎn)擊“單步診斷”，根據(jù)故障診斷樹(shù)的提示，選擇判斷節(jié)點(diǎn)的結(jié)論“是”或“否”，并可通過(guò)“返回”按鈕回到上一步，最終彈出“注意”對(duì)話框，提示故障診斷完畢，得到結(jié)論。

4）修改節(jié)點(diǎn)。選擇某節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“修改節(jié)點(diǎn)”，可對(duì)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型或內(nèi)容進(jìn)行修改。

5）增加節(jié)點(diǎn)。選擇某結(jié)論節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“增加節(jié)點(diǎn)”，自動(dòng)將該節(jié)點(diǎn)變?yōu)榕袛喙?jié)點(diǎn)，并可以成對(duì)添加它的“是”與“否”結(jié)論節(jié)點(diǎn)。

6）刪除節(jié)點(diǎn)。選擇某節(jié)點(diǎn)后，點(diǎn)擊“刪除節(jié)點(diǎn)”，即可刪除后續(xù)所有節(jié)點(diǎn)。

7）故障結(jié)論存儲(chǔ)與顯示。某單步診斷結(jié)束后，點(diǎn)擊所彈出對(duì)話框中的“OK”，可將當(dāng)前故障診斷結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。退到程序主界面后，在頁(yè)面左側(cè)選擇某故障現(xiàn)象，點(diǎn)擊“結(jié)論顯示”，會(huì)彈出新的界面，以顯示該故障現(xiàn)象發(fā)生的總次數(shù)及其對(duì)應(yīng)各故障原因的次數(shù)。

3.2實(shí)例驗(yàn)證

以某型裝甲車(chē)輛炮控系統(tǒng)出現(xiàn)“系統(tǒng)通電，電源指示燈不亮”的故障為例進(jìn)行說(shuō)明。針對(duì)該故障現(xiàn)象，可以查看完整的故障診斷樹(shù)如圖3所示，進(jìn)行單步診斷時(shí)，依照提示，逐步進(jìn)行，最終得到故障診斷結(jié)論為“電源電纜故障”，如圖4所示，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4　結(jié)論

圖3　完整的故障診斷樹(shù)

圖4　單步診斷流程

本文提出了一種可應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的快速故障診斷方法，并開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的故障診斷軟件，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的故障診斷效果。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）直觀形象，故障診斷樹(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單的二叉樹(shù)將系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系清晰地表達(dá)出來(lái)，判斷節(jié)點(diǎn)與結(jié)論節(jié)點(diǎn)直觀形象地展現(xiàn)了故障及其發(fā)生的原因，便于維修人員理解接受；2）針對(duì)性強(qiáng)，故障診斷樹(shù)分層體現(xiàn)了與故障現(xiàn)象相關(guān)的測(cè)試點(diǎn)，不需要盲目地采集所有信號(hào)，針對(duì)性強(qiáng)；3）應(yīng)用范圍廣，故障診斷樹(shù)分析法可適用于各個(gè)層級(jí)的故障診斷，針對(duì)不同層次的診斷對(duì)象，進(jìn)行不同的分析研究；4）用途多樣，故障診斷樹(shù)建立后，不僅利于維修人員的診斷工作，還有助于設(shè)備的管理、維修和技術(shù)培訓(xùn)。

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［8］鄭偉，馮富強(qiáng)，皮文靜，等.故障診斷樹(shù)生成技術(shù)研究與實(shí)裝驗(yàn)證［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，23（1）：119-122.

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A Fast Fault Diagnosis Method for Complex System

Yang Guozhen1，Su Jian2
（1.Department of Control Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing100072，China；2.Department of Information Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing100072，China）

For the efficiency of fault diagnosis in complex systems is low，and poor universality and expansibility，a fast fault diagnosis method is proposed and realized based on the smart fault diagnosis tree.The framework and relationship is built through the generation algotithm of diagnostic nodes，then the knowledge base is processed on data base，Human-Computer Interaction is realized by the graphical interface.To achieve the fast fault diagnosis and the dynamic data update，they are fused with the fault diagnosis tree、the data base and the Virtual Interface，the method is used for the fault diagnosis of several gun control systems，and it has great benefits.

smart fault diagnosis tree；fast fault diagnosis；diagnostic node；ACCESS database

1671-4598（2016）05-0008-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.003

TP306

A

2015-05-28；

2015-12-04。

楊國(guó)振（1977-），碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)工程方向的研究。