电控汽车故障智能诊断系统的研发

摘要：该文在介绍一种电控汽车故障智能诊断系统组成和功能基础上，建立了汽车故障智能诊断系统结构框图和以知识库管理模块以及推理模块构成的故障诊断专家系统。

关键词：汽车故障 智能诊断 故障智能诊断系统

汽车电子化提高了车辆的操控性能和可靠性，但同时也使汽车故障诊断发生了质的变化,即由传统的人工经验诊断方法转变为使用诊断设备或仪器读取电控单元的各种数据以及对数据流进行分析，从而判别出故障类型和确定出故障部位。

汽车故障的智能诊断理论主要有神经网络、专家系统、模糊推理、信号处理、模式识别、动力学模型及多传感器数据融合理论等。本研究考虑到电控汽车故障特点、现场故障诊断实际以及故障诊断人员操作能力，将专家系统和多传感器数据融合理论相结合，开发一类便携式电控汽车故障智能诊断系统。

一、故障智能诊断系统组成

如图1为故障智能诊断系统结构框图，故障智能诊断系统主要由诊断对象（电控汽车）、电控单元（ECU）、动态测试数据、故障智能诊断系统等组成。汽车电控系统中电控单元为从机,既可独立工作又负责向故障智能诊断系统提供其内存的故障诊断所需信息；动态测试数据通过输入测试信号进行在线诊断从而判别出故障类型和确定出故障部位；故障智能诊断系统为主机，主要由数据驱动模块、单片机等组成，其功能是随时接受电控单元的信息并可对从机指令等。

（一）硬件结构

考虑到电控汽车故障特点、现场故障诊断实际以及故障诊断人员操作能力，采用IC18F468单片机，通过CAN（控制局域网）实现与CAN网络链接；CAN驱动控制器和数据驱动模块的接口采用PCA82C250T实现对数据的差动发送和接受。借助故障智能系统与电控单元的可靠通信，分析其采集的参数，是实现对电控汽车故障进行诊断的基础。故障智能诊断系统一方面可以接受电控单元的信息如发动机运行参数、故障码等；另一方面可以向电控单元命令如写入数据、指令发动机运行测试工况等，其诊断通信程序包含底层通信和上层通信，其操作平台相对独立，底层通信采用汇编语言编写，直接对硬件操作；上层通信则采用C语言编写，以便与诊断界面链接。

故障智能诊断系统与电控单元采用CAN（控制局域网）实现数据传输；故障智能诊断系统作为主机根据不同的检测对象发送不同的诊断请求，进行协议封装后，由驱动模块调用输入输出（I/O）模块输出至CAN网络；电控单元作为从机，根据接收到的信息执行相应的功能。

（二）软件功能

故障智能诊断系统主要功能是进行故障诊断。在研究、分析大量电控汽车运行特性的基础上，形成经验知识，利用专家系统的原理进行故障诊断。并可针对不同诊断对象实现包括读取与清除故障码，输入检测参数以及在线检测电控汽车运行参数等功能。

故障智能诊断系统指令电控汽车运行故障诊断的测试工况，并自动对运行中存储的参数进行特定分析，给出提示。

（三）系统抗干扰设计

单片机应用系统的输入信号常含有来自被测信号源、传感器、外界干扰源等多种噪声和干扰。为提高系统的抗干扰能力，对电源系统干扰前一部分采用UPS不间断电源，后一部分现场使用滤波电路，通道干扰采用光电隔离，空间干扰采用多种屏蔽，并对故障诊断系统的接地进行精心设计如采用并联接地等，通过以上措施及程序的周密设置，使诊断系统在汽车及周围有高频等干扰及较恶劣环境中也能正常运行，从而确保系统诊断出的各项参数精度均可达到检测标准，符合要求。

二、故障智能诊断系统

故障智能诊断系统流程如图2所示， 故障智能诊断系统主要由专家（用户）、人机界面、知识库管理模块、解释模块、推理模块、综合数据模块等组成。总体结构中将知识库管理模块、解释模块、推理模块和综合数据模块等作为独立的模块，既符合结构化程序设计，便于程序的调试、维护和系统功能的拓展，又利于知识库管理模块的维护和保证推理模块的独立性，为以后在此基础上开发工具系统提供了可行性。

1、综合数据模块：

综合数据模块用于存储专家系统故障诊断工作过程中问题的初始数据、系统推理过程中得到的中间结论、最终结果和控制运行的一些描述信息的存储集合，它是在运行期间产生和变化的“动态”数据库。

2、知识库管理模块

知识库管理模块主要包括以下几种类型的知识：

1）结构和功能知识：结构和功能知识用于描述电控汽车各部分结构及它们之间的连接关系。按照电控汽车故障特点，将诊断知识分块化，在诊断过程中可以根据实际需要调用相应的诊断知识，加快诊断知识的搜索。系统采用“诊断单元”，即在指定层次上可以诊断且需要诊断的最小单元。对它的诊断要依据其输入、输出信息或中间状态信息来完成。

2）专家诊断知识：专家诊断知识是电控汽车故障诊断的精华。主要用于识别和诊断故障，在诊断专家系统中建立规则库，通过故障树分析法在规则库中获取专家的专门知识和经验。

3）过程知识：指诊断中最基本的诊断子任务或复杂计算方面的知识或有确定顺序关系的动作等。在诊断专家系统中，过程知识主要采用C语言中的子程序或函数形式来表达。由于允许过程中调用各种子过程，甚至调用自身，所以可以把过程知识表示成层次嵌套结构。只要调用接口不变，局部知识的更新并不影响全局知识的表示。因而过程知识具有模块化层次性的优点，推理时可以采用直接求值的推理方式。

系统通过建立诊断单元、规则库、过程知识相结合的知识库管理模块，较好地表达了领域的结构和功能知识以及专家的经验知识，诊断单元知识库和规则库的相对独立结构，不仅便于推理模块的设计和系统行为的解释，而且有利于知识库的管理。

3、解释模块：

解释模块是专家系统重要特征之一，它用于对推理思维进行提问和对含义给出必要的清晰的解释，为用户了解推理过程以及系统维护提供方便。

4、推理模块

推理模块是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心部分之一。

推理模块目的是找出产生故障的功能部件。系统推理模块采用正向推理的控制策略，它根据用户提供的初始故障现象或推理所得的中间结果，找出一个或多个与该现象和事实相吻合的预选诊断单元形成假设，然后由用户输入的信息、数据库中提供的数据及诊断单元结构之间本身所具有的联想关系，找到最底层的诊断单元，将最后一级的诊断单元作为本次推理的结论，并开始下一级的推理。

规则库的目的是进行故障定位。它是在诊断单元推理的基础上，根据故障树中的各事件及获取的规则进行推理，查找故障原因，从而完成故障的最终定位。

四、结论

故障智能诊断系统采用以故障树分析为基础的层次诊断策略和以专家系统为主的诊断方法，建立诊断单元、规则库、过程知识相结合的知识库管理模块，较好地表达了领域的结构和功能知识以及和专家诊断的经验知识。推理模块采用正反向混合推理的控制策略，使系统的诊断推理过程更接近领域专家的实际决策水平。

1、故障智能诊断系统可以诊断出电控汽车大部分的电控组件和机械组件故障；

2、故障智能诊断系统结合了专家知识和多传感器数据融合理论，对较复杂的故障提高了判别可信度；

3、故障智能诊断系统的正确率依赖于专家系统和经验数据库的丰富程度，随着对实际诊断过程的学习，故障智能诊断系统判别故障的可信度会不断提高。

参考文献 ：

[1]成曙．在线混合诊断专家系统在柴油机故障诊断中的应用［C］．第5届全国故障诊断学术会议，1996：406－410．

[2]钟毓宁．机械设计与诊断的知识组织及可靠性管理［D］．武汉：华中理工大学博士学位论文，1991．

[3]李宏坤，马孝江，王珍．基于多征兆信息融合理论的柴油机故障诊断［J］．农业机械学报，2004（1）：121-124．

[4]周兴利，杨海，冯静，卓斌．电控柴油机智能诊断系统研发［J］．车用发动机，2006（6）：39-42．