自動變速器離線故障診斷專家系統設計與實現

周 昕 趙治國

（1.上海通用汽車有限公司；2.同濟大學）

1 前言

自動變速器（AT）與手動變速器（MT）相比，其結構復雜，零部件多，故障原因多種多樣，因此對維修技術人員要求更高，即在生產過程中需要對其質量狀態作出快速準確的判斷，及時找到故障原因并加以預防，甚至要求在不解體的情況下能準確判斷故障來源并加以解決。

傳統故障診斷系統由于知識庫不能及時更新，需要定期下載更新包來同步用戶的數據庫，且診斷和故障分析方法不能做到自主學習及自我改進。而專家系統比傳統的診斷程序具有更好的擴展性和適應性。使用專家系統輔助技術人員進行故障排除，不僅可縮短診斷時間，而且還能幫助培訓新員工，提升整體團隊的技術水平。

目前，專家系統在汽車行業的應用還處于試驗階段，大多通過HTML網頁程序的編制來實現，且要求用于診斷的計算機必須聯網運行，既不利于在無網絡覆蓋條件下的診斷和故障解決，也不適用于對特有故障模式情況的學習和快速判斷。為此，開發了自動變速器故障診斷專家系統，該系統不僅具有故障診斷、模式學習和數據庫管理功能，而且預留了接口，通過加載不同的數據庫可實現不同總成間故障診斷的切換，也便于后續開發整車級別的診斷專家系統。

2 6TXX系列自動變速器

某汽車6TXX系列自動變速器為6速前置前驅式自動變速器，根據傳遞的扭矩和尺寸的不同，可分為6T30/40/45 3種類型，各類型具有共同的結構，包括液力變矩器、行星齒輪系、摩擦式多片離合器總成和液壓控制系統。行星齒輪系提供6個前進擋和1個倒擋，通過變速器內的控制模塊（TCM）來改變速比。TCM接收并監測各種電子傳感器的輸入信號，并使用這些信息決策最佳換擋時刻及執行換擋。

隨著變速器中摩擦接合部件逐漸磨損或年久變形，換擋時間也將增加或減少。為了補償這些變化，TCM可自適應調節壓力控制電磁閥的指令壓力，以保持原來標定的換擋正時，并能在車輛使用周期內保持最佳換擋品質。

由于6TXX系列自動變速器均采用電子控制，其離線故障的診斷和排除需要技術人員有一定的診斷維修經驗。從專家系統的程序角度來說，要將經驗轉化為軟件能夠應用的一種標準是非常困難的，因為人腦既可以通過經驗（案例），又可以通過規則來作出判斷，當2種推理結果相沖突時，人腦會進行綜合考慮取舍后作出判斷。然而對于專家系統來說，這個問題就需要通過軟件算法來解決。

本文所開發的故障診斷專家系統可以適用于6T30、6T40及6T50自動變速器。后續可在此系統和知識庫的基礎上增添其它系列的變速器故障診斷功能，包括用于混合動力汽車的變速器系列。

3 專家系統設計與實現

3.1 專家系統結構

一般專家系統由用戶界面、推理機和知識庫3部分組成。為使用戶能夠方便地更新和維護知識庫，在該系統設計時增加了知識庫管理系統，因此該系統包含4大部分，結構如圖1所示。

該系統各部分功能如下。

a. 用戶界面。用戶界面由輸入和輸出2個部分組成，界面采用VisualBasic設計實現，用戶可在Windows XP或更高版本系統中操作運行，如圖2所示。

b. 推理機。推理機是專家系統的信息處理程序，其主要由調度程序和推理程序組成。調度程序主要負責調用和查詢數據庫中的語句信息；推理程序主要負責運算數據庫各元素屬性的邏輯關系，并給予調度程序執行調用或查詢動作。設計時將推理機內建在程序中，實現了推理和控制一體化，并且實現了程序自我保護功能，不會因為用戶誤刪系統文件導致程序無法運行。

c. 知識庫。知識庫是信息的集合，以數據庫的形式保存。數據庫中包括現象、原因、屬性規則等相關信息，并且以程序能夠識別的結構來表達。由于數據庫接口統一，方便通過切換數據庫實現程序整體功能的擴展。該系統中使用Access來構建知識庫。

d. 知識庫管理系統。管理系統允許授權人員對知識庫中的知識條目進行管理，包括添加、修改、刪除、更新、備份、升級等操作，用戶可在不了解數據庫結構的情況下直接對數據庫進行維護和升級操作。

3.2 知識的獲取與分析

首先通過與技師交流來獲取經驗，再將這些經驗進行信息分解。通過交流可知，不同系列變速器的復雜程度不同，雖然自動變速器的結構比手動變速器復雜，但是某些款型的自動變速器故障診斷卻不一定比手動變速器復雜。

另外也發現，像生產現場這樣工作強度和密度大的地方，每個技師都依靠自身所經歷過的案例積累經驗，并沒有一個系統或工具來記錄和在團隊中分享各自的經驗感想，更沒有工具能夠查閱以往的故障與新發現的故障有何種關聯；技師分析和解決問題的步驟都是從自身角度出發，對新上任的技師，只能靠言傳身教和親身經歷來豐富自己的故障診斷經歷。這些不利于歸納總結常見的故障原因、優化故障排除時間、給設計調試工程師提供反饋意見，從而導致工作效率低。因此，通過將一些常見的故障原因作歸納總結，并將其同失效模式結合起來，可作為開發故障診斷專家系統知識庫的一個突破口。

3.3 知識庫及其管理系統的建立

專家所運用到的知識必須要經過計算機編碼才能為專家系統所用。推理機從知識庫取用所需要的知識條目用于問題的推理解決。知識庫中的知識既可來自專業材料，也可采用從公共渠道取得的常識。專家系統的數據庫可以以多種方式存儲知識條目。

將知識庫的接口作了規范和統一，如果要解決其它總成的故障問題，用戶只需要將數據庫位置切換到新數據庫即可使用，免去了重新開發診斷程序的麻煩。但這對知識庫的結構布置要求很高，不僅要使數據庫易于被程序所讀取，還要易于維護和更新。專家系統知識庫功能如圖3所示。

該專家系統的知識來源于2個方面：一方面通過產品設計說明書、產品技術說明書、產品使用說明書、產品潛在失效模式報告、零部件測試報告和維修手冊等渠道收集；另一方面通過生產車間對相關問題的解決經驗、培訓材料和資深技術人員的經驗傳授獲得。

在自動變速器實際故障診斷和解決過程中，現象和原因不是簡單的一一對應關系，某個現象可能是多種原因共同作用的結果，同時，某幾種原因的排列組合又能造成多種現象同時發生，因此故障現象和原因是多重對應關系。假設故障現象為1個集合（現象1，2，3......n），故障原因為1個集合（原因1，2，3，……m），則其對應關系如圖4所示。

在Visual Basic中添加data控件，通過設置App.Path，ADODB.Connection和 DataSource等屬性作為數據庫與專家系統的接口，將知識庫鏈接到程序中，如圖5所示。知識庫各功能實現代碼略。

3.4 推理機實現

推理機是專家系統的核心。目前一般將推理方式分為基于規則的推理和基于案例的推理2類。

3.4.1 基于規則的推理方式

基于規則的推理方式在專家系統中使用最廣泛。根據輸入的故障信息，推理機采用預設在程序里的規則，將結果輸出到程序界面反饋給用戶，通常用于表示具有因果關系的知識，并且可用樹狀圖來表達相互關系。OBD系統運用的就是基于規則的推理方式。

假設故障現象為1個集合 （現象1，2，3......n），故障原因為 1個集合（原因 1，2，3，……m），則使用程序語言可表述為：

IF<現象1>；若現象1成立且

<現象2>；現象2成立且

<現象n>；現象n成立

THEN<原因1>；則原因1成立且

<原因2>；原因2成立且

<原因m>；原因m成立

該推理方式比較成熟，開發周期短，應用廣泛，但是效率較低，更新慢，擴展性較差。

3.4.2 基于案例的推理方式

基于案例的推理方法為，推理機首先讀取用戶選擇的故障狀況或用戶輸入的故障關鍵詞，然后搜尋知識庫并從中找到與該關鍵詞相關的案例再給出信息。知識庫中的相關知識條目可以更新，并在下次診斷中被應用到新的推理中，如圖6所示。

典型的基于案例的推理包括相似案例檢索、案例修訂、案例更新等。案例的表示、檢索、問題特征提取和案例的更新是關鍵的問題。使用源案例來求解目標案例能夠簡化知識的獲取，通過直接使用案例能夠提高求解效率。因此案例的保存既是程序學習的過程，也是知識獲取的過程?；诎咐评淼拇a略。

基于案例的推理方式更新快、擴展性好，但是前期開發周期長，程序編制復雜，故障現象與原因兩者間具有復雜性和不確定性。

該故障診斷專家系統在基于規則推理的基礎上進行了改進，融合了基于案例推理的優點，使系統結構得到優化，推理結果更貼合實際情況，而同時軟件的開發周期也較短。

4 測試實例

4.1 故障搜索

已知故障為“變速器油溫度過高”，需要搜索相關信息。運行故障診斷專家系統并進入搜索模塊，在故障清單中查找或選定故障現象 “變速器油溫度過高”，系統即顯示相關故障的現象及其故障定義、發生原因和推薦采取的措施，如圖7所示。實際原因為變速器管路冷卻系統內有雜質而造成阻塞，推理出的多項原因中包含了該原因。

4.2 故障診斷

故障診斷模塊中可實現從現象到原因和從原因到現象的2種推理方式。

a. 已知故障現象為“倒擋不工作”，需要進行診斷。運行故障診斷專家系統，進入診斷模塊，查找或選定故障現象“無倒擋”，系統即顯示相關的故障原因提供參考，排查并確定故障原因后選擇匹配的故障原因條目，即顯示對于此故障原因的定義，如圖8所示。實際原因為壓力控制電磁閥不工作。

b. 已知故障原因為 “變速器冷卻系統阻塞”，需要進行診斷。運行故障診斷專家系統，進入診斷模塊，查找或選定故障原因 “冷卻系統阻塞”，系統即顯示在該原因作用時會產生何種故障現象，給予技術人員解決問題的思路和經驗，如圖9所示。

5 結束語

利用Visual Basic 6.0和Access構建了自動變速器離線故障診斷專家系統，并開發了推理程序和知識庫管理系統。經過對模擬故障的測試可知，該系統運行順利，結果準確，使用簡便快捷，達到預期的設計目標。

知識的獲取和知識庫的構建是該故障診斷專家系統開發過程中的關鍵。通過在生產現場的實際應用，對知識庫中的相關信息進行了更新，從而使系統診斷的結果更貼合實際狀況，進一步提升了該系統的實際應用價值。

1 Joseph Giarratano.專家系統原理與編程.北京：機械工業出版社，2006.

2 Christoph Adami.Knowledge Introduction to Artificial Life.Springer-Verlag，1998.

3 馬才伏.汽車自動變速器故障的診斷與排除.農業裝備與車輛工程，2008.

4 朱迅.自動變速器維修.北京：北京郵電大學出版社，2007.5 程曉章.基于規則的柴油機故障診斷專家系統.合肥工業大學學報，2003.

6 吳今培.智能故障診斷與專家系統.北京：科學出版社，1997.7 紀常偉.基于故障樹的汽車故障診斷系統開發.車輛與動力技術，2003.