周耿平

（浙江省諸暨市海亮高中一部，浙江 諸暨 311800）

電子診斷通過(guò)使用測(cè)量、測(cè)試和其他信息源（例如觀(guān)察到的癥狀）來(lái)收集和分析系統(tǒng)狀態(tài)信息，從而隔離系統(tǒng)故障的來(lái)源。它通常由人類(lèi)診斷專(zhuān)家執(zhí)行，在產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段，尤其是在制造和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)期間，這是一個(gè)重要的功能。在過(guò)去的30年中，使用人工智能（AI）技術(shù)自動(dòng)進(jìn)行故障診斷一直是一個(gè)重要的研究課題。雖然取得了很大的進(jìn)展，但在成本敏感領(lǐng)域，工業(yè)界的認(rèn)可度并不高。此外，隨著新興的可重構(gòu)系統(tǒng)的使用，在線(xiàn)測(cè)試和智能診斷可以協(xié)助復(fù)雜系統(tǒng)的自我維護(hù)。本文的目的是回顧使用電子自動(dòng)化方式的系統(tǒng)診斷研究，并探究其在汽車(chē)維修中的應(yīng)用。

1 診斷過(guò)程

隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，產(chǎn)品生命周期的縮短，生產(chǎn)成本的降低以及技術(shù)的不斷變化，對(duì)于產(chǎn)品生命周期所有階段的智能工具的需求變得越來(lái)越重要。一個(gè)系統(tǒng)被定義為“相關(guān)元素的任何集合，它們共同組成一個(gè)具有足夠復(fù)雜性的實(shí)體，在最低級(jí)別的細(xì)節(jié)處理所有元素是不切實(shí)際的”。汽車(chē)使用超大規(guī)模集成（VLSI）組件構(gòu)建的電子電路板。

電子診斷的目的是及時(shí)隔離系統(tǒng)故障的原因（組件或組件）。進(jìn)行診斷的順序一般可以總結(jié)如下。（1）故障信息生成：必須收集有關(guān)故障性質(zhì)的信息。這是通過(guò)融合來(lái)自各種來(lái)源的信息實(shí)現(xiàn)的，包括觀(guān)察到的癥狀，進(jìn)行測(cè)量以及運(yùn)行診斷測(cè)試。（2）故障假設(shè)生成：然后使用收集的信息將故障定位到與可用故障信息一致的部件或子部件的子集。（3）錯(cuò)誤假設(shè)判別：如果提出多于一個(gè)錯(cuò)誤候選，則可能需要進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試或使用歷史數(shù)據(jù)（例如概率）來(lái)進(jìn)一步區(qū)分。如果進(jìn)一步的區(qū)分較難實(shí)現(xiàn)，可能需要經(jīng)驗(yàn)或反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定最合適的修理。本質(zhì)上，診斷過(guò)程可以使用從系統(tǒng)觀(guān)測(cè)和測(cè)試收集的信息被定義為故障隔離。

1.1 基于規(guī)則的系統(tǒng)

基于規(guī)則的診斷系統(tǒng)以規(guī)則的形式表示診斷專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，通常采用“如果癥狀那么故障”的形式。代表特定問(wèn)題領(lǐng)域的知識(shí)可能需要數(shù)百甚至數(shù)以千計(jì)的規(guī)則?；谝?guī)則的推理涉及獲取有關(guān)問(wèn)題域的信息，并調(diào)用匹配這些信息的規(guī)則。這會(huì)生成添加到問(wèn)題信息中的新數(shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程迭代重復(fù)，直到找到問(wèn)題的解決方案。在20世紀(jì)70年代和80年代初實(shí)施的大多數(shù)智能診斷程序都是這種形式。

電子診斷在汽車(chē)維修中的應(yīng)用包括電話(huà)網(wǎng)絡(luò)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、電話(huà)交換設(shè)備和電子控制系統(tǒng)的診斷應(yīng)用。最近，基于規(guī)則的系統(tǒng)仍在繼續(xù)使用。維護(hù)專(zhuān)家系統(tǒng)（ESPCRM）描述了一個(gè)用于診斷PC系統(tǒng)到可更換模塊級(jí)別的系統(tǒng)。復(fù)雜的專(zhuān)家系統(tǒng)，采用多個(gè)專(zhuān)業(yè)規(guī)則庫(kù)來(lái)診斷復(fù)雜的PC板，使用規(guī)則庫(kù)分析處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)儲(chǔ)的服務(wù)器計(jì)算機(jī)板的診斷工具。

該系統(tǒng)也有一定的缺點(diǎn)，首先，獲取知識(shí)構(gòu)建規(guī)則庫(kù)的困難——被稱(chēng)為知識(shí)獲取的瓶頸。其次，處理新型故障的能力較差。第三，系統(tǒng)依賴(lài)性，也就是說(shuō)，必須為每個(gè)新的系統(tǒng)類(lèi)型生成一個(gè)新的規(guī)則庫(kù)。

1.2 故障（決策）樹(shù)

這是記錄故障診斷程序最常用的方法。故障樹(shù)使用癥狀或測(cè)試結(jié)果作為起點(diǎn)，然后是分支決策樹(shù)，由操作、決策和最終修理建議組成。

為了簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)的故障樹(shù)的生成，智能技術(shù)已被應(yīng)用于其自動(dòng)生成。通過(guò)使用電路描述，故障模擬來(lái)產(chǎn)生故障引起的電效應(yīng)，對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行量化和分類(lèi)以產(chǎn)生測(cè)試矩陣，最后通過(guò)遞歸搜索來(lái)產(chǎn)生測(cè)試樹(shù)并評(píng)估測(cè)試矩陣。使用從基于事例的推理系統(tǒng)提取的案例生成故障樹(shù)。應(yīng)用過(guò)程模型、故障模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)生成故障樹(shù)。

此外，故障樹(shù)已被用于各種現(xiàn)實(shí)世界的智能應(yīng)用，包括汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)。故障樹(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用。事實(shí)上，使用這些診斷輔助工具很少需要培訓(xùn)。但是，對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，完整的故障樹(shù)可能非常大。另外，故障樹(shù)是依賴(lài)于系統(tǒng)的，甚至很小的工程變更都可能造成系統(tǒng)整體的更新。

2 電子診斷模型

在過(guò)去的15年中，模型已經(jīng)取代了基于規(guī)則的技術(shù)，作為智能系統(tǒng)診斷的主要研究方向之一。模型是被診斷的實(shí)際系統(tǒng)的近似表示?；谀Ｐ偷脑\斷涉及使用該模型來(lái)使用來(lái)自真實(shí)設(shè)備或系統(tǒng)的觀(guān)察和信息來(lái)預(yù)測(cè)故障。模型經(jīng)常以分層方式使用，即使用高級(jí)模型對(duì)初級(jí)診斷進(jìn)行到子單元級(jí)，然后使用更詳細(xì)的子單元模型來(lái)診斷到下一級(jí)等。已經(jīng)使用了各種類(lèi)型的方法，包括故障模型、結(jié)構(gòu)模型、行為模型和診斷推理模型。

2.1 故障模型

這種類(lèi)型的模型預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障類(lèi)型，只對(duì)這些類(lèi)型進(jìn)行建模。將每個(gè)選定的故障類(lèi)型插入到每個(gè)組件中，并使用仿真來(lái)監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的行為。每個(gè)模擬都會(huì)描述當(dāng)特定部件以特定方式發(fā)生故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。這提供了故障/癥狀對(duì)的列表，其用于產(chǎn)生故障模型，當(dāng)存在特定的總體癥狀時(shí)，該故障模型可以指示哪個(gè)組件是有缺陷的。

該方法主要應(yīng)用于數(shù)字電路的診斷，用于檢測(cè)“一”和“零”故障，橋接（短路）故障和延遲（定時(shí)）故障。例如，為了測(cè)試一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字組合電路，使用了一系列的二進(jìn)制測(cè)試向量。使用故障模擬器，每個(gè)故障類(lèi)型都會(huì)記錄每個(gè)測(cè)試模式的行為。缺陷組件是根據(jù)每個(gè)測(cè)試模式的故障字典或模型運(yùn)行的門(mén)。

對(duì)于組合數(shù)字電路，故障模型可以準(zhǔn)確地診斷模型故障，但是它們無(wú)法處理意外的（即未模擬的）故障。然而，對(duì)于大多數(shù)診斷目的而言，該組模擬故障可能是足夠的，因此可以為許多應(yīng)用提供更充分的解決方案。與順序電路一起使用時(shí)故障模型的效果較差。為了診斷這樣的電路，需要測(cè)試序列而不是單個(gè)矢量，并且如果由于故障在測(cè)試期間電路的狀態(tài)丟失，則可能無(wú)法完成序。已經(jīng)提出將電路分成更易于管理的塊（稱(chēng)為封裝）作為可能的解決方案。最后，對(duì)于大電路來(lái)說(shuō)，所需的測(cè)試向量的數(shù)量可能很大，導(dǎo)致不切實(shí)際的測(cè)試時(shí)間。數(shù)據(jù)壓縮方法已經(jīng)被應(yīng)用于解決這個(gè)問(wèn)題。

2.2 因果模型

因果模型是一個(gè)有向圖，其中節(jié)點(diǎn)代表模型系統(tǒng)的變量，鏈接代表變量之間的關(guān)系或關(guān)聯(lián)。例如在診斷模型中，變量通常代表癥狀和故障，鏈接代表癥狀——故障關(guān)聯(lián)。每個(gè)鏈接的強(qiáng)度通常使用數(shù)字權(quán)重或概率來(lái)定義。因此，使用貝葉斯技術(shù)來(lái)排列或者消除所形成的故障假設(shè)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是這種方法的變體。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于集成電路測(cè)試儀的診斷。領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)于不同測(cè)試器故障模式概率的知識(shí)被表示為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)?；谝?guī)則的系統(tǒng)比工業(yè)中的基于模型的方法更普遍，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為基于模型的系統(tǒng)更難建立。為了克服這個(gè)問(wèn)題，提出了一個(gè)將系統(tǒng)簡(jiǎn)單框圖轉(zhuǎn)換為因果模型的工具。

構(gòu)建一個(gè)因果模型需要應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)家知識(shí)，所以“知識(shí)獲取瓶頸”是其主要缺點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)是能夠比規(guī)則更容易地表示關(guān)于物理或抽象概念的復(fù)雜結(jié)構(gòu)化知識(shí)，從而提高計(jì)算效率。另外，因果模型基于概率數(shù)學(xué)理論。

2.3 基于結(jié)構(gòu)和行為的模型

過(guò)去15年的主要研究方向之一是使用基于結(jié)構(gòu)和行為的模型。使用結(jié)構(gòu)和行為的雙重表示。結(jié)構(gòu)表示列出了建模系統(tǒng)中的所有組件及其互連。行為表示描述了每個(gè)組件的正確行為模式。行為模型可以使用各種抽象層次，包括數(shù)學(xué)、定性或功能。這兩種表示通常都是使用邏輯公式（如一階謂詞演算）創(chuàng)建的。如果模型的操作與特定操作模式下的實(shí)際系統(tǒng)的觀(guān)察結(jié)果不一致，則發(fā)生差異，必須執(zhí)行診斷以找出有缺陷的部件。未能測(cè)量這些值表明模型和實(shí)際系統(tǒng)之間存在差異。

與故障模型不同，這種類(lèi)型的模型是一個(gè)正確的模型。也就是說(shuō)，它模擬了一個(gè)工作設(shè)備，理論上，它可以診斷任何故障類(lèi)型，而不僅僅是模擬的故障類(lèi)型。許多基本技術(shù)是在20世紀(jì)80年代提出的，涉及簡(jiǎn)單的組合數(shù)字電路的診斷。其他設(shè)備類(lèi)型也適用相同的基本原則。該過(guò)程一般由三個(gè)步驟組成。第一，假設(shè)生成：生成可能對(duì)觀(guān)察到的差異負(fù)責(zé)的組件（嫌疑人）列表。第二，假設(shè)檢驗(yàn)：測(cè)試每個(gè)可能故障值，看是否可以解釋所有的觀(guān)察結(jié)果。已經(jīng)提出了許多方法來(lái)免除和減少在假設(shè)生成過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)值。這些方法包括：約束暫停、基于假設(shè)的真值維護(hù)和故障模型模擬。第三，假設(shè)區(qū)分：如果在上一步之后還有一個(gè)以上的數(shù)值，這一步驟將收集更多的信息來(lái)幫助進(jìn)一步的區(qū)分?？梢允褂靡韵路椒ㄖ皇占渌畔⑦M(jìn)行區(qū)分。

假設(shè)檢驗(yàn)（HT）是診斷應(yīng)用結(jié)構(gòu)/行為模型的開(kāi)創(chuàng)性工作之一。其應(yīng)用領(lǐng)域是組合數(shù)字電路。為了描述結(jié)構(gòu)，它使用了DECmmp并行語(yǔ)言（一種VLSI設(shè)計(jì)語(yǔ)言）的一個(gè)子集。所使用的表示是分層的，并且使用了物理和功能描述。約束被用來(lái)描述行為，模擬和推理規(guī)則被用來(lái)描述組件輸入和輸出之間的關(guān)系。使用候選生成和約束暫停進(jìn)行診斷。

3 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)維修成本的增加，產(chǎn)品生命周期的縮短以及技術(shù)的快速變化正在推動(dòng)對(duì)自動(dòng)化診斷的需求。電子診斷技術(shù)在汽車(chē)維修過(guò)程中的應(yīng)用能極大地提高維修的效率和質(zhì)量，降低檢修成本，因而具有重要的價(jià)值。本文對(duì)電子診斷技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，并探究了該技術(shù)在汽車(chē)維修中的具體應(yīng)用，希望能促進(jìn)汽車(chē)維修技術(shù)的發(fā)展。

[1]申文斌.電子診斷在現(xiàn)代化汽車(chē)維修技術(shù)中的應(yīng)用探討[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2017，(06)：124-125.

[2]李烽.現(xiàn)代汽車(chē)維修技術(shù)中電子診斷技術(shù)的運(yùn)用與分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016，(09)：138-139.

[3]薛紅華.電子診斷在汽車(chē)維修技術(shù)中的相關(guān)應(yīng)用[J].科技風(fēng),2015(22):93.