专利名称：基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机械制造与自动化技术、设备状态监测与故障诊断技术领域，特别涉及一种基于网络的机群工程机械故障诊断系统。设备状态监测与故障诊断专家系统是一门以设备及其群体为对象，建立在检测技术、信息传输、信号处理、识别理论、人工智能、预报决策等现代科学技术基础上的综合性交叉学科。
机群智能化工程机械以高等级公路施工工程为对象，采用无线电通讯技术、信息技术、计算机技术、传感器技术、智能控制技术等，研究由沥青拌和设备、摊铺机、振动压路机、装载机和自卸汽车等单机所组成机群的智能化监测控制和施工控制调度优化技术。研制具有自主知识产权和国际先进水平的机群智能化控制系统，提高机群的智能化程度，在高等级公路施工过程中，同步实现施工资源优化配置、最佳过程质量、最高工作效率的目的。
机群智能化工程机械故障诊断系统的主要任务是对施工机群实施状态监测与故障诊断，判断故障原因，提供维修处理意见；评定故障类型及故障严重程度，为机群设备状态分析提供依据；预测停机维修时间，为机群动态施工调度提供依据。
(2)电子监测系统实现工况监测、故障报警，并可存储数据，事后与便携式微机(中继机)进行通讯，实现离线故障分析诊断。
(3)基于知识的故障诊断专家系统，事先用工程机械设备故障模式、征兆和原因之间的关系形成的标准规则、专家经验知识等构造成可推理的诊断专家系统。应用于设备检修场所，通过人机交互的形式，专家系统获取故障征兆，进行离线分析诊断。
(4)应用于施工场所的监测车，可实现状态监测和智能故障诊断，监诊系统的功能可以得到较大提高，实施监测诊断时，施工设备需要停止工程作业。
上述研究成果用于移动作业机群存在的几个问题和主要难度是(1)电子监测器方式。仅能对单机的状态参数进行监测和超限报警。不能存储数据；不能做进一步的分析处理；监测器不能采集到更多的设备状态信息。
(2)便携式微机(中继机)的形式。将电子监测数据录入到中继机，需要人工携带中继机到办公室分析处理。是一种离线的诊断方式，实时性差，且设备施工作业中出现的传感器不可测的重要信息不能进入分析系统，降低了诊断功能。
(3)基于知识的微机诊断专家系统方式。影响施工作业，不适宜在施工现场工作；不能直接监测机械设备的状态信息，难以实现对机械故障的预报。
(4)工程机械监测维修车方式。监测诊断时需要停车安装监测设施，影响施工进程；且不能实现施工过程在线设备状态监视；监测维修车成本高，难以推广。
(5)上述研究成果只针对单机，缺乏远距离在线监视和机群状态的第一手资料，难以对机群进行科学的管理和实时调度。
面向具体工程任务，对施工机群实施状态监测与故障诊断，判断故障类型、原因、部位、严重程度，为施工机群调度管理提供依据等方面的研究是状态检测、故障诊断领域前沿性课题。其研究开发的主要难度(瓶颈)在于工程机械结构复杂性、故障成因的复杂性、作业的移动性、工作环境的恶劣性以及对监诊系统的经济性要求，使建立基于大型数据库的实时智能监诊系统的工作难以实现。
智能故障诊断是当前故障诊断的发展方向，在机械智能故障诊断方法研究与开发应用方面，目前多采用基于专家系统(ES)的方法和基于人工神经网络(ANN)的方法等。由于工程机械故障的多样性、突发性、成因的复杂性和进行故障诊断所需要的知识对领域专家实践经验和诊断策略的依赖，智能化的故障诊断系统对工程机械尤为重要。智能诊断系统，是由人(尤其是领域专家)、现代模拟脑功能的硬件及其必要的外部设备、各种传感器以及支持这些硬件的软件所组成的系统。
机群智能化诊断专家系统最为关键的工作是构造基于网络的故障诊断专家系统体系结构和对复杂的工程机械知识的获取和表达。在专家系统体系构造方面，目前针对工程机械单机的专家系统已有一些的开发和应用，但对于基于网络面向工程机械机群的大规模复杂故障诊断专家系统的开发尚未见有报道。
在知识获取和表达方面，目前基于知识的监控与诊断专家系统可大致分为基于浅知识(人类专家经验知识)的诊断推理系统；基于深知识(诊断对象的模型，原理知识)的诊断推理系统；深浅知识结合的混合诊断推理系统等。
基于浅知识的故障诊断系统是以领域专家和操作者的启发性经验知识为核心，通过演绎推理或产生式推理来获取诊断结果，其目的是寻找一个故障集合使之能对一个给定的征兆(包括存在的和缺席的)集合产生的原因做出最佳解释。在其推理过程中，一般要用到两类知识，一类是表达故障与征兆之间联系的因果性符号知识；一类是反映故障与征兆间因果关系成立程度的数值性知识(模糊性度量、信任度、可能度等)。一般用产生式规则来表达浅知识，基于浅知识的诊断推理具有知识表达直观、形式统一、模块性强、推理速度快等优点。但是，由于设备的复杂性和故障的特点，这种方法很难完整表示诊断对象的故障诊断领域知识，导致知识集不完备，致使诊断难以得出准确的结论，有时甚至得不到结论。
基于深知识的故障诊断系统是指在专家系统中引入深知识模型的概念，所谓深知识，是使用诊断对象的结构、性能和功能的知识，利用冲突检测和候选产生技术，求出故障发生的部位。由于深知识刻划了专门领域内原理性和功能性的知识，更深刻地了解领域对象和对象之间的相互作用，所以在遇到末料到的新情况时，能够根据丰富的定性知识来解决问题，至少不至于使推理完全失败。另外，它能给人们提供更为令人信服的解释，一般用框架或语义网络等表达知识。但是这种知识模型也有其缺点，由于硬件条件的限制，基于深知识的推理效率不很高，常常不能满足人们的要求。由于要进行深层的知识描述，结合故障的特点和层次，知识体十分庞大复杂，在这样的知识库中搜索是十分耗费时间的。
上述两种模型各有其优点，也有其不足之处，如果把这两种模型结合起来，使之能够发探各自的优点，克服其缺点，相互取长补短，人们开始采用混合知识推理策略。一般情况下，领域专家首先使用浅知识，找到诊断问题的近似解，然后使用诊断对象的深知识，获得诊断问题的精确解。在复杂设备故障诊断中，只有将诊断对象的基本原理与专家的经验知识相结合才能更好地解决诊断问题。用这种方法提高诊断的质量和效率，已经被更多的专家系统所采用。
由于工程机械结构的复杂性(机、电、液、仪一体化)，施工载荷的不确定性(载荷瞬态变化、冲击振动、整机变速移动作业)，工作环境条件的恶劣性(振动、噪声、湿度、温度、粉尘)，造成工程机械故障的多样性、突发性、成因的复杂性，同时机群智能化诊断系统各工程机械单机之间还存在协同调度等问题，使得工程机械故障诊断系统对领域专家实践经验知识和诊断策略的表达提出了更高的要求，单一知识表达方法难以满足要求。
机群工程机械智能化诊断系统主要包括两部分内容单机智能监诊子系统、机群监测中心诊断子系统。
(1)单机智能监诊子系统 机群智能化工程机械的每台单机上都配备单机控制系统，该系统具备三项功能，一是利用各种传感器对单机的主要动态参数(如发动机转速、水温、机油压力、液压油温、制动气压、履带转速)信号进行在线实时检测。它是整个故障检测与诊断系统的重要环节，要求实时、准确地获得各参数的真实信号。对于单机上的一些简单参数，当单机控制器检测到信号异常时，立即将警示灯点亮进行报警，同时将此信息传至机群故障诊断系统。二是单机控制系统具备故障自诊断功能，即实时检测单机控制器本身的传感器、数据接口及电子控制部分的工作状态，发现状态异常和故障时通过警示灯报警，同时将此信息传至机群故障诊断系统。三是完成人工故障信息的输入与传输。即当操作者通过感官和经验发现故障时，可通过单机控制器将故障信息输入，然后将此信息传至机群故障诊断系统。对于有经验的操作者，人工参与诊断，可以收到事半功倍的效果。
(2)机群监测中心诊断子系统 当单机控制器将故障信息传至机群故障诊断专家系统后，专家系统需要完成四项工作一是对故障信息进行分析处理，判断故障原因，提出处理意见，预测停机时间；二是将故障原因及处理意见传至单机控制器，指导操作者作业；三是根据发生故障的机种在机群中的权值、故障部位在单机上的权值以及故障严重程度的权值判断该故障对整个机群施工的影响，并将此信息传至机群调度系统，便于调度系统及时做出调整；四是当专家系统无法做出故障原因及处理意见的判断时，及时将此信息传至机群远程状态监测与故障诊断系统，请求支援。
单机智能监诊子系统和机群监诊中心诊断子系统通过GSM/GPRS无线通讯网络、单机移动通讯模块、上层系统移动通讯模块来实现计算机联网、进行数据交换，构成分布分层式监诊系统。如
图1所示。
本发明具体技术方案(一)故障诊断专家系统硬件体系结构基于GSM/GPRS公用移动通讯网络，结合移动作业机群的施工管理和机械设备的操作、维护特点，提出了机群智能化工程机械故障诊断专家系统硬件体系结构如图2所示。
在每台单机上需要配置微处理器、单机故障信息录入器、单机控制器间接传感器、单机智能监诊器传感器、故障征兆状态信息实时缓存器、故障信息发送/接收GSM端口、单机故障信息解码器/编码器以及单机移动通讯模块等硬件。这部分构成单机智能监诊子系统。
机群监测中心故障诊断系统则由微处理器(专家系统推理机)、上层系统移动通讯模块、上层系统故障信息解码器/编码器、机群设备状态监视缓存器、机群设备状态数据存储器、知识库存储器等硬件组成。
单机故障诊断子系统和机群监测中心故障诊断专家系统通过GSM/GPRS无线通讯网络、单机移动通讯模块、上层系统移动通讯模块进行信息传递，构成分布分层式故障诊断专家系统。
单机智能监诊子系统硬件的具体实施是通过基于嵌入式微处理器的以人机共栖方式构造单机智能监诊子系统的硬件平台。参照图3。在嵌入式微处理器上连接
实现与GSM/GPRS模块串行通讯的RS-232/CANbus接口；实现工程机械状态参数传感器信号变换的I/O接口；实现与工程机械单机控制器数据传输的CANbus总线；实现应用软件、数据上载/下传的USB端口；实现人机共栖故障征兆录入、接收上层监诊系统指令信息的小键盘、显示器LCD及其接口监诊系统软件及数据库的存贮器及硬盘。
(二)诊断系统知识表示与推理本发明针对工程机械故障诊断知识的特点，开发了基于面向对象的知识表达方法，并应用于机群智能化故障诊断专家系统的开发中，面向对象知识表达语言以对象为知识表达的基本单元，将多种单一的知识表达方式如规则、框架、过程等，按面向对象的思想组成一种混合模式。这种方法能有效地描述深浅知识，并把它们有机的结合在一起，实现对故障的诊断。推理时，浅知识推理采用基于规则的推理，它支持正向、反向和混合推理控制策略，以提高推理的效率。深知识推理采用基于框架的推理和基于实例的推理。框架表示法最突出的特点是善于表达结构性的知识，且具有良好的继承性和自然性，利用框架可以完成槽值的多重继承，所以可以将其用于表述各种的故障形式以及故障之间的层次关系。实例推理完成事例的搜索和匹配，辅助故障诊断的推理。
1.诊断知识的分类故障诊断涉及多方面的因素，其中既包括设备方面的知识，也含有人的经验知识，同时与诊断系统的设计也是分不开的。一个领域的知识一般可分为两大类共性知识和个性知识。共性知识包括领域内与问题有关的定义、事实和各种理论、方法，这种知识已为领域内的专业人员共同同意和一致接受，它属于问题求解的常识性和原理性的知识。而个性知识主要是指人类专家，结合设备故障诊断的特点，利用共性知识解决问题的启发性知识(它包括人类专家的认识能力和实际故障诊断的经验)，本系统将诊断知识的范围分为以下几类1)设备知识设备知识主要是指设备的型号、结构组成及其工作环境等。设备结构知识是指设备的构成和系统的连接。对于工程机械施工机群来讲，设备知识是指装载机、搅拌站、摊铺机、压路机等单机的型号、结构组成以及它们之间的布置方式，它们的工作环境又总是和其功能密不可分的，这些复杂的关系和特性体现在功能知识内。
2)故障机理知识故障机理是指设备故障形成和发展的规律。一般来讲，设备故障机理往往要涉及到设备发生故障的原因、故障带来的后果及发生故障前后设备表现出的特征。有些情况下还涉及到应采取什么样的措施，以预防此类故障发生。
3)算法知识(过程算法知识)
算法知识是指通过数学运算，结合设备特征，从而实现特征提取、参数识别等方面的知识。具体地讲，是将测量仪表、分析仪器所获取的数据(信号)进行参数变换处理，从而能够进行设备故障诊断。
4)人的经验知识经验知识是指领域专家或运行人员在长期的故障诊断实践中积累起来的，关于如何运用观察到的行为特征(故障征兆)来对故障进行猜测、判断、识别、验证和消除等正反两个方面的知识。也可说是一种动态知识，它说明了怎样运用已有的数据和静态知识(领域内有关的原理、定义、事实和关系等)来解决问题，或达到问题的求解。它是一种个性推理知识，或者称为个性化的启发性知识。
5)背景知识背景知识是指与设备故障诊断、监测系统有关的当前和过去所有特定环境因素。如设备制造、安装、大修情况等，还有设备的病历(曾发生的故障和相应处理结果)等方面的知识。
6)元级知识元级知识是指“关于知识的知识”。也就是指在诊断过程中如何有效地运用各类知识的知识，它主要是用来协调和控制不同类型的知识的利用策略，即问题求解的推理方法。它是人类认识活动(记忆、推理、理解、学习)的核心。
2.故障诊断知识的表达面向对象的知识表达方法提供了将描述性知识和过程性知识作为一有机整体进行表达的机制。在本发明开发的专家系统知识表达中，以故障诊断对象为中心组织知识库系统结构，以对象为知识表达的基本单元，将多种单一的知识表达方式如规则、框架、过程等，按面向对象的思想组成一种混合模式，即以对象为中心，将其属性、动态行为和处理过程等有关知识封装在对象的结构中，对象以框架形式出现，其属性则用框架槽来表示，如图4所示。
在工程机械机群智能故障诊断系统中，知识的表达采用面向对象框架知识表达语言表达。各类诊断知识的表达如下，其中背景知识、故障机理知识主要表达在属性槽内，功能知识和经验知识主要表达在产生式规则槽内，而过程算法知识和元级知识则通过方法槽中诊断推理和控制策略进行表达。
(三)诊断系统推理过程诊断推理与诊断知识表示是密切相关的，不同的知识表示方法，对应着不同的诊断推理方式。在故障诊断专家系统中，知识的表达主要采用面向对象框架知识表达语言表达，相应的诊断推理形式为基于框架的推理、基于规则的推理、基于实例的推理机和基于方法的推理。
诊断知识的运用体现在故障诊断的推理过程中，一般来讲，故障诊断的基本过程包括测点状态参数的提取、信号检测、数据通讯、参数超限报警处理、征兆提取、故障诊断、原因分析及处理措施等。
基于GSM/GPRS网机群智能化工程机械专家系统的推理如图5所示为(1)监诊中心的计算机监诊系统按巡回扫描方式对机群中的单机施行监测诊断流程如下①当选通设备i时，即通过GMS端口接收该设备的状态与故障征兆信息即上行数据；②系统调用数据链协议标准进行解码后，送诊断专家系统，进行诊断、推理、分析；③专家系统调用知识库、数据库，人机交互，对信息分析诊断，得出诊断结果数据；④诊断结果一路送监视器显示，一路经数据链协议编码后送到第i个单机GMS端口上，指导该设备运行，完成了该设备的监诊任务；⑤计数器自动加1，指向下一台设备，重复①～④过程，直至遍历机群全部n台设备为止，从而完成了一个监诊周期的工作。
⑥按时钟周期重复①～⑤过程，循环往复、周而复始，实现了移动作业机群状态监测与故障诊断任务。
⑦在系统运行过程中，上层管理者可以随时干预，选定关心的某台设备i，对该台设备进行重点状态监视。监诊主系统在后台运行。
(2)底层单机故障诊断子系统功能工作流程如图6所示①单机设备工况监测和故障报警在多任务实时操作系统(RTOS)下，底层系统主控程序读取直接监测到的传感器信号和来自于RS232或CANbus总线的间接监测信号，在屏幕上显示这些状态参数，并与本机数据库中相应正常状态参数值比较，若超过规定范围，则启动故障报警程序，实现声光、文字、图像报警，提醒操作者；②采用人机共栖方式，获取设备状态信息；人—操作者、机—传感器协作共同获取设备状态信息的方式，操作者故障征兆录入由显示屏、几个特殊操作键组成的小键盘、手写输入器、征兆选择录入模块组成；故障征兆选择录入模块由录入程序和故障征兆数据库组成；考虑操作者的方便、快捷、准确，录入程序和故障征兆数据库均按照机械设备层次结构包括系统、部件、元件组成；当操作者发现设备不正常时，触动监诊器小键盘按钮，系统在监测过程中，不断扫描小键盘，接收到人工输入指令时，启动“故障征兆录入程序”，调“故障征兆数据库”，按照树状结构的形式显示可能的故障征兆。供操作者判断、选择、确认；对数据库中尚未录入的故障，采用手写输入的方式，现场临时输入；对于这种新故障征兆，底层系统传到上层后，将由领域专家分析归纳出新的知识，添加到专家系统知识库中，同时更新“故障征兆数据库”；
③设备状态信息的GSM/GPRS无线数据发送根据上层系统管理者的要求，确定上下行数据的时钟周期T；按此时钟，系统将启动“GSM/GPRS无线数据发送程序”，把经过监测程序完成的来源于三方面的状态信息，按照上底层间数据链协议，转换成相应数码，由GSM/GPRS无线数据发送程序通过发送端口送往向上层系统。
④接收上层故障诊断系统传来的处理结果底层系统在实时监测过程中，不断扫描GSM/GPRS数据接收端口，当有触发信号时，系统将启动“GSM/GPRS数据接收程序”接收上层发来的信息，再按照数据链协议，通过“监诊结果数据库”转换成字符串文本，在显示器上显示，指导现场人员对设备进行维修、调整。
本发明产生的有益效果机群智能化工程机械故障诊断系统可以实现对施工机群的实时监测和智能故障诊断，通过诊断系统随时给出施工机械设备的完好率、预防性维修计划及其维修策略，提高设备的利用率，降低设备的维护成本，提高施工效率，减少施工机械故障停机给施工企业造成的巨大损失。
系统易于构造，实用性强，实现了故障诊断专家系统在移动作业机械上的推广应用。利用GSM/GPRS公用移动通讯网实现机械状态信息的远距离无线通讯，解决了移动作业机械状态信息的传输。该网覆盖面广、开放性强、成本低廉、数据传输率高。利用计算机大容量、高速度、多功能的特点，建立机群故障诊断专家系统，实现机群设备状态的集中诊断、分析。一个施工工程的数十台设备，只需要一套集中的诊断专家系统。
系统采用基于GSM/GPRS网的分布分层式的体系结构，把诊断分为上下两层结构，把复杂的监测及诊断任务先分解到多个智能子系统中，由子系统完成各自的相应任务，然后由上层诊断系统再综合判断，做出相应的决策，提高了系统的实时性和可靠性。
在故障诊断方法上，系统采用了基于规则、基于框架、基于实例和基于方法的多种推理策略，并提供数据信息的交流、传输，增强了系统求解问题的能力。
系统的设计采用了面相对象的机制和模块化结构的方法，使系统的功能扩充更加容易、方便。在不需要更改程序结构的情况下，很容易增加新的功能。
本发明虽针对道路施工工程机械机群的设备诊断而开发，但其技术内容与道路施工工程没有关系，仅与施工机械的结构、性能、智能监测系统有关。本发明完全适用于其他移动作业施工的机群(如土石方施工工程机械、建筑机械、矿山机械等)。
图1是基于GSM/GPRS机群集中监诊分布系统构成；图2是机群智能化工程机械故障诊断专家系统硬件体系结构；图3是单机底层智能监控器的结构；图4是面向对象知识表达模型；图5是基于GSM机群网络分布分层监诊系统运行流程；图6是底层检测诊断系统工作流程；图7是机群智能化工程机械故障诊断专家系统结构组成；图8是摊铺机单机子系统的结构及功能；图9是装载机单机子系统的结构及功能；图10是压路机单机子系统的结构及功能；图11是专家系统构造工具；图12是知识源文件管理系统；图13是知识库结构浏览；图14是系统运行界面及运行实例；图15是知识库的组成结构。
1.机群智能化工程机械故障诊断专家系统结构组成机群智能化工程机械故障诊断专家系统结构组成如图7所示。
机群监诊中心专家系统和各单机智能监诊子系统之间，在整体布局和功能上将系统构造成分布式结构，各单机智能监诊子系统重点完成设备状态信息(故障特征信号)的获取，监诊中心专家系统重点执行单机状态和故障信息的集中再处理。
从机群管理者、单机操作者的实际需要出发，将机群监诊系统从性能上分成两个层次，即上层(监诊中心专家系统)和底层(各单机智能监诊子系统)。上层满足管理者要求，可随时监视各单机的运转状态，分析、诊断、预报各单机故障发生情况，并向单机操作者发出调度指令，或提供设备维修、调整措施的建议。底层满足操作者要求，实时监视单机的运转状态，异常情况下向操作者发出报警指示，并接受操作者感知到的异常状况(故障征兆)。进一步，接收机群监诊中心(管理者)发出的调度指令或建议。上层需要强大的分析功能，底层需要快速反应功能。网络构造中考虑上层的处理周期为分钟级(如1～2分钟)可在较经济的计算机配置和移动通讯速率下满足管理者要求，底层的处理周期为几十毫秒级。
在故障诊断信息传递方面，从专家系统的需求来说，理论上监测的信息越多越好，但现场实现和成本因素不允许这样做。本发明考虑单机智能监诊子系统用传感器和非传感器(人的感知)的方法获取以下三方面的信息，提供给诊断专家系统。
(1)利用移动作业机械设备的控制用监测信号，工程机械电子监控系统针对诸如发动机、液压系统进行。这些用于控制的参数能反映系统一部分工作状况。
(2)增加各系统中易于测取的、表征机器异常情况的特征参数，如温度、压力、转速等。
(3)某些重要故障征兆可以用经验来判断，如发动机冒黑烟，变速箱尖叫声，作业效率降低等现象，设备操作者能及时直观地感知到，而用传感器监测则比较困难。本发明充分利用现场操作者的感官感知到的故障征兆，作为设备状态分析、故障诊断的另一部分状态信息。
单机智能监诊子系统要实时监视单机的各参数运转状态，异常情况下向操作者发出报警指示。同时，还要能接收机群监诊中心(管理者)发出的调度指令。单机智能监测子系统的结构和功能如图8，9，10所示。
2.知识获取和管理维护专家系统建立的关键在于知识的获取和知识存贮管理。知识资源合理化，知识资源简化、标准化和规范化，建立有效的知识管理系统，便于知识的存贮、查询和获取，实现知识资源的共享。由知识库源文件编辑器、编译器和项目知识库器、知识库查询和浏览器构成。
知识库管理系统的基本结构如图11所示，包括知识库源文件编辑器、编译器和项目管理器、外部过程程序管理器。
1)知识库源文件编辑器为用面向对象框架语言形式描述知识库源文件提供知识编辑器(图12)。
2)知识库源文件编译器把以面向对象框架语言形式描述的外部知识库源文件编译成内部以二叉树表达的知识库。
3)项目管理器对多个框架对象(知识单元)的管理和维护，包括知识单元的增加、删除和修改。通过框架连接器可以把单个的知识单元连接成可以利用的知识库整体。通过系统提供的外部程序接口，还可以把外部过程连接起来，供推理使用。
4)外部过程程序管理器外部过程程序管理器负责知识库查询和浏览，知识查询功能包括静态查询与动态查询。以树状方式描述知识库结构，提供知识库结构浏览(图13)。
3.系统运行及实现功能当施工机械产生故障后，通过单机上的故障报警装置或人工故障提示将故障信息传送到机群中央施工实时监测系统，然后启动机群工程机械设备状态监测故障诊断系统，如图14所示为系统运行界面，在界面的左侧为系统运行控制区域，可以对施工机械单机及单机构成子系统知识库进行管理，对推理过程进行控制，右侧为系统运行区域。
下面通过一个实例说明系统的运行过程，当装载机发动机出现不能启动故障时，如图12所示选中装载机，下面弹出一个子菜单，包括发动机、液压系统、传动系统、制动系统、转向系统和电器系统。点击发动机，右侧第一个窗口会列出发动机可能会出现的各种故障现象，根据机群施工实时监测系统监控到的故障现象，选择“不能启动”，在第二个窗口会出现对故障原因的初步判断，进一步选择故障现象，通过框架推理机、规则推理机、模糊推理机和方法推理机的综合运用，推出结果，即故障原因及相应解决方法。
系统故障诊断结果通过中央控制系统返回发生故障的单机，现场工作人员根据诊断的结果对故障进行排除。当有两台以上设备同时发生故障时，故障会依次传给机群工程机械设备状态监测故障诊断系统，经诊断后，传给机群施工调度控制子系统，通过机群施工调度控制子系统协调后，把协调结果传给中央控制系统，中央控制系统依次向故障现场发出诊断结果和调度结果，供工作人员选择。当机群工程机械设备状态监测故障诊断系统无法对收到的故障现象推断出原因时，将把该信息传给远程网络诊断中心，远程网络诊断中心诊断后，传回结果给机群工程机械设备状态监测故障诊断系统，系统把结果加入系统的知识库，再发给故障发生现场。
目前诊断系统可以实现对装载机、压路机、摊铺机等组成的机群的故障诊断，其中装载机包括发动机、液压系统、转向系统、制动系统和电器系统子系统；压路机包括发动机、液压系统、转向系统、制动系统、电器系统和行走装置子系统。知识库的组成结构如图15所示。用户进行故障诊断时，依次从两个列表框选择故障现象和故障现象分类，系统会自动推出故障原因及解决方法。用户根据得到的结论，对故障进行相应的解决和排除。
系统采用模块化结构，运用面向对象的程序设计技术，系统易于扩充、维护。因此系统可以随时将机群中的各种单机的知识加入到知识库，并可对已有的知识进行修改、扩充，随着知识获取的进行，知识库中的知识不断丰富，系统的诊断功能也会越来越强。
下面以压路机的发动机、电气系统、液压系统故障诊断为例具体介绍面向对象知识表达方法的实现。其它单机的知识表达方法可以以此类推。
<pre listing-type="program-listing">液压系统故障诊断知识表达实例GLOBE液压系统液压系统类；END/*框架描述开始*/Unit液压系统类in液压系统类.fra；/*unit框架名in知识库名*/ Memberslot名称from液压系统类；/*名称槽的一般结构*/ InheritanceOVERRIDE；/*槽继承属性侧面*/ Valueclassstring；/*槽类型侧面*/ Values″液压系统类″；/*槽值侧面*/ end slot； Memberslot代号from液压系统类；/*代号槽的一般结构*/ InheritanceOVERRIDE； ValueGlassstring； Values″LY″； end slot； Memberslot编码from液压系统类；/*代号槽的一般结构*/ InheritanceOVERRIDE； Valueclassstring； Values″AD9000A″； end slot；/*故障现象，故障原因及解决方法*/MemberSlot故障现象from液压系统类； InheritanceOVERRIDE； Valueclassstring； Valuesunknown；end slot；MemberSlot故障现象取值from液压系统类； InheritanceOVERRIDE； Valueclassstring； Values″刮板停转″；end slot；MemberSlot故障现象分类from液压系统类； InheritanceOVERRIDE； Valueclassstring； Valuesunknown；end slot；MemberSlot故障现象分类取值from液压系统类； InheritanceOVERRIDE；<dp n="d17"/> Valueclassstring； Valuesunknown；end slot；memberslot故障现象分类取值规则from液压系统类；/*规则槽*/inheritanceoverride；valueclassrules；values/*规则*/ { rule 10 fact_FRAME.故障现象＝″接通电磁阀电路时，振动轮不振动″ then_frame.故障现象分类取值＝″液压马达的压力回路没有接通″； rule 20 fact_FRAME.故障现象＝″振动压路机振动时，感觉振动力不如初始″ then_frame.故障现象分类取值＝″油泵效率和传输效率降低″； rule 30 fact_FRAME.故障现象＝″切断液压马达的电磁回路时，压路机的振动轮仍振动″ then_frame.故障现象分类取值＝″液压马达油路没有切断″； }end slot；MemberSlot产生原因from液压系统类； InheritanceOVERRIDE； Valueclassstring； Valuesunknown；end slot；MemberSlot诊断方法from液压系统类； InheritanceOVERRIDE； Valueclassstring； Valuesunknown；end slot；MemberSlot解决方法from液压系统类； InheritanceOVERRIDE； Valueclassstring； Valuesunknown；end slot；memberslot故障原因及解决方法from液压系统类；/*规则槽*/ inheritanceoverride； valueclassrules； values/*规则*/ {<dp n="d18"/> rule 10 fact_FRAME.故障现象＝″接通电磁阀电路时，振动轮不振动″ and_FRAME.故障现象分类＝″液压马达的压力回路没有接通″ then_frame.产生原因＝″(1)电磁阀的电源电路断路或电磁线圈损坏(2)换向阀滑阀被机械杂质卡死在关闭位置″； _frame.诊断方法＝″″； _frame.解决方法＝″对症排除″； rule 20 fact_FRAME.故障现象＝″振动压路机振动时，感觉振动力不如初始″ and_FRAME.故障现象分类＝″油泵效率和传输效率降低″ then_frame.产生原因＝″油泵泄漏，传输管道泄漏或堵塞″； _frame.诊断方法＝″″； _frame.解决方法＝″维修″； rule 30 fact_FRAME.故障现象＝″切断液压马达的电磁回路时，压路机的振动轮仍振动″ and_FRAME.故障现象分类＝″液压马达油路没有切断″ then_frame.产生原因＝″(1)弹簧弹力小于滑阀的摩擦阻力(2)电磁阀短路(3)油液中的机械杂质将滑阀卡在油路导通位置″； _frame.诊断方法＝″″； _frame.解决方法＝″维修″； } end slot； Memberslot故障现象选择from液压系统类；/*方法槽*/ Inheritancemethod； valueclassmethods； Values液压系统故障现象选择方法；/*方法名*/ end slot； end Unit；/*框架描述完毕*/ method 液压系统故障现象选择方法(故障现象选择keyword) var x1，x2，xreal； begin _FRAME.故障现象＝select(″故障现象″，″铲斗为全负荷时动臂上升较原始速度缓慢″，″铲斗翻转缓慢″，″油温超过规定值，有时感觉举升和铲斗翻转无力″，″工作时，液压系统有噪音″)； if(_FRAME.故障现象＝″铲斗为全负荷时动臂上升较原始速度缓慢″)then begin _FRAME.故障现象分类＝select(″故障现象分类″， ″液压泵影响″，″液压工作装置系统泄露的影响″，″堵塞的影响″，″流量转换阀的影响″，″阻<dp n="d19"/>力过大″，″油箱储油不足″，″液压油泵进出口油管接反″)； end； if(_FRAME.故障现象＝″铲斗翻转缓慢″)then begin _FRAME.故障现象分类＝select(″故障现象分类″， ″故障发生在早期″，″故障发生在正常使用期″，″故障发生在接近大修期″)； end； if(_FRAME.故障现象＝″油温超过规定值，有时感觉举升和铲斗翻转无力″)then begin _FRAME.故障现象分类＝select(″故障现象分类″， ″液压油泵磨损″，″控制阀影响″，″油路堵塞″，″阻力过大″，″散热能力衰退″)； end； if(_FRAME.故障现象＝″工作时，液压系统有噪音″)then begin _FRAME.故障现象分类＝select(″故障现象分类″， ″气穴引起噪声″，″系统内压力波动的影响″，″机械振动的影响″)； end； reason(_FRAME，″故障原因及解决方法″)； end</pre>
权利要求
1.一种基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统，包括基于GSM/GPRS网的分布分层式的移动作业机群设备监诊系统体系结构和系统平台；在施工现场的统一管理与单机操作、控制、维修、调整分散作业之间，构造集中监视、诊断分析与分散监视、操作相结合的机群设备状态监测和故障诊断系统；设置智能监诊的单机智能监诊子系统，单机智能监诊子系统连接单机移动通讯模块；在每台单机上需要配置微处理器、单机故障信息录入器、单机控制器间接传感器、单机智能监诊器传感器、故障征兆状态信息实时缓存器、故障信息发送/接收GSM端口、单机故障信息解码器/编码器以及单机移动通讯模块；设置包括专家系统、数据库的机群上层计算机的机群监诊中心，机群监诊中心连接上层系统移动通讯模块；机群监测中心的故障诊断系统由微处理器专家系统推理机、上层系统移动通讯模块、上层系统故障信息解码器/编码器、机群设备状态监视缓存器、机群设备状态数据存储器与知识库存储器构成；单机故障诊断子系统和机群监测中心故障诊断专家系统通过GSM/GPRS无线通讯网络、单机移动通讯模块、上层系统移动通讯模块进行信息传递，构成分布分层式故障诊断专家系统；各台单机共享机群监诊中心同一套诊断专家系统，和不同的数据库，使机群设备的管理和单机操作实现实时监视设备状态，并得到设备的维护处理措施；单机智能监诊子系统要实时监视单机的各参数运转状态，异常情况下发出报警指示；同时，还要能接收机群监诊中心发出的调度指令；所述的单机智能监诊子系统硬件是基于嵌入式微处理器的以人机共栖方式构造的单机智能监诊子系统的硬件平台；在嵌入式微处理器上连接实现与GSM/GPRS模块串行通讯的RS-232/CANbus接口；实现工程机械状态参数传感器信号变换的I/O接口；实现与工程机械单机控制器数据传输的CANbus总线；实现应用软件、数据上载/下传的USB端口；实现人机共栖故障征兆录入、接收上层监诊系统指令信息的小键盘、显示器LCD及其接口；监诊系统软件及数据库的存贮器及硬盘；其特征在于所述的专家系统完成下述基本程序(1)对故障信息进行分析处理，判断故障原因，提出处理意见，预测停机时间；(2)将故障原因及处理意见传至单机控制器，指导操作者作业；(3)根据发生故障的机种在机群中的权值、故障部位在单机上的权值以及故障严重程度的权值判断该故障对整个机群施工的影响，并将此信息传至机群调度系统，便于调度系统及时做出调整；(4)当专家系统无法做出故障原因及处理意见的判断时，及时将此信息传至机群远程状态监测与故障诊断系统，请求支援。所述的专家系统包括获取知识与管理故障诊断知识库设备知识、故障机理知识、过程算法知识、人的经验知识、背景知识与元级知识；故障诊断知识表达采用面向对象框架知识表达语言表达，背景知识、故障机理知识主要表达在属性槽内，功能知识和经验知识主要表达在产生式规则槽内，而过程算法知识和元级知识则通过方法槽中诊断推理和控制策略进行表达；故障诊断推理基于框架的推理、基于规则的推理、基于实例的推理和基于方法的推理。
2.按照权利要求1所述的基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统，其特征在于所述的专家系统包括框架推理机、规则推理机、实例推理机与模糊推理机组成的专家系统推理机，连接；轮式装载机知识、沥青搅拌站知识、自卸汽车知识、沥青摊铺机知识与振动压路机知识组成的库；以及轮式装载机、沥青搅拌站、自卸汽车制界面连接，机群故障诊断专家系统控制界面和单机故障诊断子系统n、沥青摊铺机与振动压路机组成的数据库；专家系统推理机与机群故障诊断专家系统控制界面连接，单机故障诊断子系统n控制界面又连接故障征兆数据库、人工故障信息发送系统、单机工况故障报警系统与单机状态参数标准值数据库；所述的人工故障信息发送系统包括操作者感觉器官感知机械设备故障信息；所述的单机工况故障报警系统包括各种传感器自动监测信号。
3.按照权利要求2所述的基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统，其特征在于所述的知识库的管理包括(1)设立知识库源文件编辑器为用面向对象框架语言形式描述知识库源文件提供知识编辑器；(2)知识库源文件编译器把以面向对象框架语言形式描述的外部知识库源文件编译成内部以二叉树表达的知识库；(3)项目管理器对多个框架对象即知识单元的管理和维护，包括知识单元的增加、删除和修改，通过框架连接器可以把单个的知识单元连接成可以利用的知识库整体，通过系统提供的外部程序接口，还可以把外部过程连接起来，供推理使用；(4)外部过程程序管理器外部过程程序管理器负责知识库查询和浏览，知识查询包括静态查询与动态查询，以树状方式描述知识库结构，提供知识库结构浏览。
4.权利要求1所述的基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统的诊断方法，其特征在于按下述内容构建方法的专家系统故障诊断知识信息库；故障诊断知识表达以对象为知识表达的基本单元，将多种单一的知识表达方式如规则、框架、过程，以对象为中心组成一种混合模式，将其属性、动态行为和处理过程有关知识封装在对象的结构中，对象以框架形式出现，其属性则用框架槽来表示；故障诊断程序测点状态参数的提取、信号检测、数据通讯、参数超限报警处理、征兆提取、故障诊断、原因分析及处理措施；故障诊断推理；监诊中心的计算机监诊系统按巡回扫描方式对机群中的单机施行诊断步骤为(1)当选通设备i时，即通过GMS端口接收该设备的状态与故障征兆信息即上行数据；(2)系统调用数据链协议标准进行解码后，送诊断专家系统，进行诊断、推理、分析；(3)专家系统调用知识库、数据库，人机交互，对信息分析诊断，得出诊断结果数据；(4)诊断结果一路送监视器显示，一路经数据链协议编码后送到第i个单机GMS端口上，指导该设备运行，完成了该设备的监诊任务；(5)计数器自动加1，指向下一台设备，重复(1)～(4)过程，直至遍历机群全部n台设备为止，从而完成了一个监诊周期的工作；(6)按时钟周期重复(1)～(5)过程，循环往复、周而复始，实现了移动作业机群状态监测与故障诊断任务；(7)在系统运行过程中，上层管理者可以随时干预，选定关心的某台设备i，对该台设备进行重点状态监视，监诊主系统在后台运行。
5.按照权利要求4所述的基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统的诊断方法，其特征在于所述的单机故障诊断子系统功能工作流程为(1)单机设备工况监测和故障报警在多任务实时操作系统(RTOS)下，底层系统主控程序读取直接监测到的传感器信号和来自于RS232或CANbus总线的间接监测信号，在屏幕上显示这些状态参数，并与本机数据库中相应正常状态参数值比较，若超过规定范围，则启动故障报警程序，实现声光、文字、图像报警，提醒操作者；(2)采用人机共栖方式，获取设备状态信息；人—操作者、机—传感器协作共同获取设备状态信息的方式，操作者故障征兆录入由显示屏、几个特殊操作键组成的小键盘、手写输入器、征兆选择录入模块组成；故障征兆选择录入模块由录入程序和故障征兆数据库组成；录入程序和故障征兆数据库均按照机械设备层次结构包括系统、部件、元件组成；当操作者发现设备不正常时，触动监诊器小键盘按钮，系统在监测过程中，不断扫描小键盘，接收到人工输入指令时，启动故障征兆录入程序，调故障征兆数据库，按照树状结构的形式显示可能的故障征兆，供操作者判断、选择、确认；对数据库中尚未录入的故障，采用现场临时手写方式输入；对于这种新故障征兆，底层系统传到上层后，将由领域专家分析归纳出新的知识，添加到专家系统知识库中，同时更新故障征兆数据库；(3)设备状态信息的GSM/GPRS无线数据发送；根据上层系统管理者的要求，确定上下行数据的时钟周期T；按此时钟，系统将启动GSM/GPRS无线数据发送程序，把经过监测程序完成的来源于三方面的状态信息，按照上底层间数据链协议，转换成相应数码，由GSM/GPRS无线数据发送程序通过发送端口送往向上层系统；(4)接收上层故障诊断系统传来的处理结果；底层系统在实时监测过程中，不断扫描GSM/GPRS数据接收端口，当有触发信号时，系统将启动GSM/GPRS数据接收程序接收上层发来的信息，再按照数据链协议，通过监诊结果数据库转换成字符串文本，在显示器上显示，指导现场人员对设备进行维修、调整。
6.按照权利要求4所述的基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统的诊断方法，其特征在于所述的监测故障信息的方法是使用单机智能监诊子系统用的传感器和非传感器即人的感知的方法获取以下三方面的信息，提供给诊断专家系统(1)利用移动作业机械设备的控制用监测信号，工程机械电子监控系统针对诸如发动机、液压系统进行，这些用于控制的参数能反映系统一部分工作状况；(2)增加各系统中易于测取的、表征机器异常情况的特征参数，如温度、压力、转速；(3)某些重要故障征兆可以用经验来判断，如发动机冒黑烟，变速箱尖叫声，作业效率降低现象，设备操作者能及时直观地感知到，而用传感器监测则比较困难，充分利用现场操作者的感官感知到的故障征兆，作为设备状态分析、故障诊断的另一部分状态信息。
全文摘要
本发明是基于网络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统。它对故障信息进行分析，判断故障原因，提出处理意见，预测停机时间；将故障原因及处理意见传至单机控制器，指导操作者作业；根据发生故障的机种在机群中的权值、故障部位在单机上的权值以及故障程度的权值判断该故障对机群施工的影响，并将此信息传至机群调度系统。单机上配置智能监诊子系统并连接移动通讯模块；机群配置上层监诊中心故障诊断系统，并连接移动通讯模块；通过GSM/GPRS无线通讯网络进行数据交换，构成分布分层式智能化诊断系统。本发明易于构造，成本低廉，实用可靠，能全面、准确、实时的报告移动作业机群运行状态；解决了在移动作业设备上利用故障诊断专家系统的难题。
文档编号H04B7/26GK1417961SQ0214886
公开日2003年5月14日 申请日期2002年11月22日 优先权日2002年11月22日
发明者牛占文, 王树新, 郑尚龙, 吴国祥, 李学忠, 王福山, 陈永亮, 傅宗元 申请人:天津大学