基于SAE J1939的自卸车故障诊断专家系统设计

【摘 要】 基于SAE J1939的便携式自卸车故障诊断专家系统。该系统上位机通过CAN总线获得车辆自检信息，通过故障诊断专家系统根据自检信息对知识库进行搜索匹配， 诊断推理， 得出故障诊断结论， 并给出相应的排除故障的措施和维修意见。

【关键词】 SAE J1939 自卸车 故障诊断 专家系统

自卸车辆在钢铁、煤炭开采运输领域应用广泛。随着国内外大型露天矿山规模的不断扩大，自卸车在年开采量1000万吨级以上大型露天矿山的运输设备中起着举足轻重的作用。然而自卸车辆出现故障后，往往严重依赖维修人员的经验和专业熟练程度，测试和平均维修周期长，甚至很难发现故障部位。本系统基于SAE J1 939CAN总线，可加快故障诊断快速性、准确性，实现故障诊断的智能化。[1]

1 总体设计方案

根据自卸车辆功能划分若干检测子系统，例如发动机检测系统、动力传输检测系统、温度检测系统和照明检测系统等。每个子系统作为一个独立的节点接入CAN网络。网络连接后，上位机（PC）对下位机发送检测指令，下位机将检测信息反馈到上位机进一步处理。上位机接收检测信息，利用专家故障诊断系统对检测信息进行分析推理，最终生成故障诊断报告供检修人员参考。

该系统主要由五大部分组成：检测子系统、CAN总线及接口、USB-CAN适配器、上位机PC和专家系统应用程序。其中USB-CAN适配器和专家系统应用程序是我们主要设计部分（见图1）。

2 CAN总线和1J1939协议

控制器局域网络（CAN）是德国Robert Bosch公司在20世纪80年代初为汽车业开发的一种串行数据通信总线。具有高的保密性，有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。[2]

J1939协议以CAN2.0B协议为基础，通讯速率最高可达250 kbps。采用协议数据单元PDU（Pro―tocol Data Unit）传送信息，每个PDU相当于CAN 协议中的一帧。J1939在通讯中是负责数据传输的传输协议，其功能分为数据的拆分打包和重组及连接管理两部分。PDU由29位标识符和0～8个字节的数据所组成，（如表1）。[3]

3 适配器设计

3.1 USB-CAN适配器硬件电路设计（见图2）

适配器的控制器选用C8051F040单片机。

3.2 驱动程序设计

USB驱动程序属于WDM（Win32 Driver Module）驱动程序， 采用分层驱动模式。驱动程序最上层包含一个函数驱动程序，用于管理应用层与较低层总线间的通信；驱动程序模型最底层包含一个总线驱动程序，用于管理函数驱动程序与设备硬件之间的通信；驱动程序中间有一个或数个过滤驱动程序用来辅助函数驱动程序与总线驱动程序。应用程序使用Win32 API函数与操作系统通信，驱动程序彼此间使用I/O请求封包IRP（I/ORequest Packet） 来通信。

4 专家系统

故障诊断专家系统，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用各种规则（专家经验），进行一系列的推理，可快速地找到最终故障或最有可能的故障，再由用户来证实。（见图3）

（1）数据库通常由动态数据库和静态数据库两部分构成。静态数据库是相对稳定的参数，如设备的设计参数、固有频率等；动态数据库是设备运行中所检测到的状态参数，如工作转速、介质流量、电压或电流等。

（2）知识库存放的知识可以是系统的工作环境、系统知识（反映系统的工作机理及系统结构知识）、设备故障特征值、故障诊断算法、推理规则等，反映系统的因果关系，用来进行故障推理。知识库是专家领域知识的集合。

（3）人机接口人与专家系统打交道的桥梁和窗口，是人机信息的交接点。

（4）推理机根据获取的信息综合运用各种规则，进行故障诊断，输出诊断结果。

（5）数据交换负责数据库数据更新、修改、搜索等操作。

（6）知识获取通过学习获取最新事例并存入知识库、实现知识库不断自我学习扩大。

该系统采用上位机要实现及时获得自检信息数据，并对获得数据进行协议分析，交由专家系统处理。通过对知识库进行搜索匹配， 诊断推理，得出故障诊断结论，并给出相应的排除故障的措施和维修意见。[4]

5 模拟环境下实验实例

模拟真实环境下自卸车辆照明系统故障诊断。数据段8字节数据信息格式（如表2、3）

实验中部分第一次出现故障无法正确诊断，暴漏出的问题是诊断实例能否覆盖所有解空间，因为覆盖度小会导致搜索时可能漏掉最优解，造成误诊或漏诊。诊断结果准确性依赖与专家系统知识库的准确和全面，另外基于事例的诊断专家系统也存在局限性。[5]

6 结语

CAN总线技术的应用增加了硬件系统的可靠性，不仅简化线路更便于系统的扩充和升级。专家系统通过CAN获取的自检信息汇总分析后，能快速准确给出故障诊断报告。基于SAE J1 939CAN总线的自卸车故障诊断专家系统是未来工程机械故障诊断智能化的发展方向。

参考文献：

[1]李勇，杨耀东，马飞.矿用电动轮自卸车的概况及未来发展趋势.矿山机械，2010.

[2]饶运涛，邹继军，王进宏 等.现场总线CAN原理与应用技术[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]SAE Standard.Data Link Layer SAE J1939/21 Issued 1994.

[4]王树林，袁志宏编著.专家系统设计原理[M].科学出版社，1991.

[5]范跃华，林默.利用CAN总线的在线故障诊断专家系统的实现[J].西安工业大学学报，2010（1）.