4004521783汽车发动机故障检测论文.doc

摘 要汽油发动机，是以汽油作为燃料的发动机。其特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉， 运转平稳，使用维修方便。因此，从1886年第一辆汽车开始，汽油机就在汽车上，特别是小型汽车上大量使用，至今不衰。近年来，汽油发动机技术不断升级，对汽车维修人员提出了更高的要求，因此，汽油发动机故障诊断系统的研究变得尤为重要。本文针对国内几款主流车型的常见故障进行了阐述与分析，结合汽车故障诊断理论和技术、传统诊断系统的原理和优点，提出了汽油发动机故障诊断系统的研究方案、建立了故障树、设计了基于故障树的汽油发动机故障诊断系统。汽油发动机故障诊断系统以Windows XP为操作平台，Visual Basic、Access为编程工具进行开发，具有简明、易操作的人机界面，实现了故障诊断，数据库管理等模块功能，具有较强的实用性。关键词：汽油发动机；故障；诊断系统AbstractGasoline engine, gasoline is used as fuel engine. It features high speed, simple structure, light weight, low cost, stable operation, convenient repair. Therefore, the first in 1886 to start a car, gasoline engine in the car, especially a large number of small car use, has not changed. In recent years, escalating gasoline engine technology, vehicle maintenance staff to a higher demand, the gasoline engine fault diagnosis system has become particularly important.In this paper, several mainstream domestic common fault models are described and analysis, combining theory and fault diagnosis of automobile technology, the principles of the traditional diagnostic system and the advantages of a gasoline engine fault diagnosis system for research programs, the establishment of a fault tree, the design of fault-tree based on the gasoline engine fault diagnosis system.In this paper, several mainstream domestic common fault models are described and analysis, combining theory and fault diagnosis of automobile technology, the principles of the traditional diagnostic system and the advantages of a gasoline engine fault diagnosis system for research programs, the establishment of a fault tree, the design of fault-tree based on the gasoline engine fault diagnosis system.Key word：Gasoline engine；Fault；Diagnosis System目 录1 绪 论11.1发展汽车检测诊断技术的意义11.2 汽车诊断与诊断学21.3 汽车故障诊断系统概况21.3.1 国外汽车诊断系统的发展概况21.3.2 国内汽车检测诊断系统的现状与发展31.3.3 故障诊断面临的困难31.3.4 故障诊断的未来展望41.4 本文主要研究内容42 汽油发动机的工作原理及常见故障分类62.1 汽油发动机的工作原理62.1.1 汽油发动机的组成62.1.2 汽油发动机的工作原理72.2 汽油发动机的总体结构92.3 汽油发动机常见故障的分类112.4 本章小结113 汽油发动机故障树的建立123.1 故障树分析法的介绍123.2 故障树建立方法123.3 故障树的建立步骤133.4 故障树构造举例133.5 本章小结144 汽油发动机常见故障诊断系统知识库设计154.1 知识的获取154.2 专家系统的知识的表示164.2.1 产生式表示系统164.2.2 领域专家的知识表示174.3 汽油发动机故障诊断系统推理模型的建立184.4专家系统的推理机制194.4.1 故障码诊断模式的设计204.4.2 基于故障征兆的推理模型设计214.5 本章小结225 汽油发动机常见故障诊断系统的实现235.1 系统模块235.1.1 用户登陆部分的实现235.1.2 用户管理部分的实现255.2 故障查询模块285.2.1 车型选择285.2.2 故障查询305.3 本章小结37结 论38致 谢39参考文献40附录A41附录B491 绪 论1.1 发展汽车检测诊断技术的意义汽车是一个复杂的机电一体化系统，它由数千种零部件所构成，而发动机是汽车的动力源，是汽车的心脏，汽车的一些基本技术性能都直接或间接地与发动机的性能相联系，因此保证发动机正常工作显得尤为重要。但是由于发动机的结构复杂，工作条件恶劣，在长期的使用过程中处于各种环境下，承受着各种压力，因此，其故障率较高。因此研究汽油发动机故障诊断系统有着非常重要的意义。汽车检测诊断技术是改革汽车维修制度、实行视情维修的一种必要手段。早期的汽车维修方式采用“事后维修”和定期强制保养，带来了一系列问题。事后维修，不坏不修，维修只是在汽车出现了故障后进行的修理，这种方式隐含着对人身安全的威胁和造成财产重大损失的危机。目前广泛采用了“视情维修”制度它能最大限度地发挥零件的使用潜力，减少了不必要的拆卸，大大地提高了机器的可靠性和使用经济效益。 发展诊断汽车技术是提高维修效率、监督维修质量的一种迫切需要，随着汽车工业的发展，汽车保有量迅速增长，维修任务量相应加大。另外，汽车结构日益复杂，专家预估未来5年内，一辆汽车的电子装置成本将占整车成本的25%以上。由此产生的后果是熟练汽车维修工严重短缺，单纯凭经验进行汽车维修已不能适合现代汽车技术要求。在车辆技术保障中，资料统计，查找故障的时间为70%左右，而排除与维修的时间占30%。车辆结构日益复杂，使故障诊断的地位越来越重要。可以这样说，在车辆技术保障中，离不开汽车诊断技术。没有检测诊断技术，汽车技术保障系统中缺少一个重要的环节；没有检测诊断技术，车辆的技术状况就不能迅速地恢复；没有检测诊断技术，车辆维修保障体制就只会停留在事后维修和定期维修方式上。所以，汽车检测诊断技术在汽车技术保障中处于十分关键性的地位。 加强汽车安全技术检测，是保证行车安全的有效手段。随着机动车保有量的逐年增加，公路交通事故和对环境的污染成为越来越不可忽视的社会问题。世界卫生组织的统计显示:全球每天约有十四万人受到交通事故伤害，造成三千人以上死亡，一万五千人残疾。据不完全统计，二零零八年，全球交通事故造成约二千至五千万人受到伤害，约五百万人残疾，一百一十八万人死亡。面对着日益严峻的交通形势，“中华人民共和国道路交通管理条例”规定:机动车安全性能的检测，一般应在公安部门委托的机动车辆安全技术检测站上进行。采用先进的仪器对机动车辆的技术状况做出准确的判断，发现问题及时维修，是确保交通安全的有效措施。1.2 汽车诊断与诊断学“诊断”一词是根据医学名词沿引而来。在医学诊断中，采用的是由现象判断本质，由当前推断未来的方法。这一逻辑思维方法推广到工程技术领域，逐步形成了机器故障诊断这一门学科。国标GB5624-85“汽车维修术语”中对汽车诊断的常用术语作了如下规定:汽车诊断在不解体(或仅卸下个别小件)的条件下，确定汽车技术状况，查明故障部位及原囚的检查。汽车检测确定汽车技术状况和工作能力的检查。汽车故障汽车部分或完全丧失工作能力的现象。汽车技术状况定量测得表征某一时刻汽车外观和性能参数值得总和1.3 汽车故障诊断系统概况1.3.1 国外汽车诊断系统的发展概况国外随车诊断系统出现于80年代，即第一代随车诊断系统OBD-1 (On BoardDiagnosis )。为了扩充随车诊断的功能，80年代中后期开始研究多功能车外诊断系统。它提出利用通用或专用仪器对汽车电控系统进行检测和诊断，并通过仪表或显示器显示检测结果。车外诊断具有如下优点:通用性强;诊断功能可以及时扩充，提高诊断的效率和精度;扩大了诊断范围;可以对电控系统做主动干扰和控制，增强诊断能力;缩短了诊断设备和车辆的开发周期。缺点是:没有随车诊断那样诊断及时、方便。只有把二者结合起来，互相补充，才能达到好的效果。1978年，日本日产公司研制随车和离车的汽车发动机故障诊断系统。1982年，意大利米兰汽车工业大学首先成功研制了汽车电系故障诊断专家系统，该系统类似于传统的MYCIN,采用反向推理，知识库有100多种规则组成，主要来自修理工人的经验和维修手册，此系统的实际目的是为了教学。不久，美国通用电器公司研制成功了内燃电力机车故障排除和修理咨询系统DETA, 1985年研制了发动机冷却系统噪声识别与诊断专家系统，系统的作用是利用领域专家和维修人员的经验，用于识别和诊断出发动机冷却系统中的主要噪声，系统具有近200条规则，是一个简单的咨询系统。日本丰田中央研究所开发了汽车故障诊断专家系统ATERx，它根据司机日常注意到现象，推断引起发动机故障的原因及维修方法，该系统是一个产生式系统，知识结构中约120条规则，采用正向推理，把可能的故障原因全部输出。日本NIS SAN汽车公司于1986年研制了用于该公司发动机电控系统的诊断专家系统，它是典型的产生式系统，用PROLOG语言实现，该系统采用宽度优先的正向推理策略。1998年HIPAR L.GELLELE等人研制的发动机故障诊断系统软件适应面较广，商用化程度高。这些系统实用性强，结构简单，但知识水平不高，所用知识类型和推理控制策略过于单一。1.3.2 国内汽车检测诊断系统的现状与发展国内在基于知识的发动机故障诊断系统方面的研究较晚。1988年天津工程学院在PC机上用DBASE语言开发，以TURBE-PROLOG语言改写的汽车故障诊断专家系统，该系统以老解放汽油车为主要研究对象。1990年华中理工大学在PC机上用IQLISP语言和汇编语言开发了发动机故障诊断专家系统，约200条规则，90多个框架和100多个过程，能对十多个故障做出比较完整的诊断。南京大学在1998年开发的汽车故障维修专家系统的基础ABDES，运用基于CASE的推理模式，采用可视化编程手段，提供了一个可视化的知识获取工具，可以完成基本的发动机故障诊断。这些系统普遍存在的问题是实用性差，知识库不完善，推理效率低，没有商业推广。1.3.3 故障诊断面临的困难汽车故障参数与诊断信息获取在理论上大体分两大分支，其汽车电器故障诊断和机械故障诊断。1).汽车电器故障诊断分数字电路故障诊断和模拟电路故障诊断数字电路仅有两种状态，即0和1。模拟电路故障诊断具有多样性。信号的连续性、非线性、容差和噪声以及检测点的有限性，使诊断问题变得十分复杂。难度大、精度低、稳定性差。从而导致检测诊断的效益低。2).汽车机械故障诊断汽车机械系统的故障具有如下特点:机械运行过程是动态过程，就其本质而言是随机过程。机械系统不同时刻观察的数据通常是不重复的，用检测数据直接判断运行过程故障是不可靠的，不同时刻观察值不一致，只能从统计意义上比较它们的差异。从系统特性上看，汽车机械系统故障除了如连续性、离散性、间歇性、缓变性、突发性、随机性、趋势性和模糊性等一般特性外，汽车各总成都是有成百上千个零件装配而成，零部件间互相祸合，决定了汽车各总成故障的多层次性，一种故障由多层次故障原因所构成。1.3.4 故障诊断的未来展望在社会潜在的应用驱动下，故障诊断理论和技术得到飞速发展。但由于故障诊断的复杂性和其包含的信号的不确定性，它也面临着巨大的挑战，然而人类的探索能力是永无止境的。在未来几十年中，故障诊断技术将充分应用到各个方面。经过几十年的发展，故障诊断技术达到了较高的水平。现代数学、信息科学强大的渗透力，计算机技术、电子技术、人工智能技术更广泛、更深入的应用，推动了机器诊断技术向以下几方面发展:1).微型计算机、单片机将成为诊断仪器的一个组成部分，诊断技术的自动化、智能化水平将进一步提高。2).信息科学中的时一频分析技术、机械系统中的磨屑光谱分析技术、红外热成像技术、机械振动和噪声分析技术会越来越成熟，形成具有特色的工程诊断技术分支。3).模糊集理论、神经网络、混沌理论相结合，为故障分析开辟了新的途径，故障诊断将向多参数综合发展。近似推理、模糊识别得到更广泛的应用，故障诊断的速度更快，诊断的准确度将进一步提高。4).网络技术的异军突起给机器故障诊断注入了新的活力。互联网将为故障诊断提供源源不断的信息。通过网络技术，可以将传感器检测到的数据远程传输到计算中心处理。同时计算中心将分析结果反馈回现场指导故障诊断。不久的将来，可视网络技术将投入实用，远在千里之外的专家能像在现场一样，一步一步地知道检测人员诊断和排除故障。1.4 本文主要研究内容针对目前我国汽油发动机检测与维修行业现状，在充分分析国内外汽车故障诊断系统理论的基础上，本课题通过对三款主流车型汽油发动机常见故障的分析和故障树的构建，设计了汽车汽油发动机常见故障诊断系统。具体的研究内容如下：1).对发动机结构及故障类型进行全面分析，提出了汽油发动机故障诊断系统的总体设计方案。 2).建立基于故障现象的诊断模型3).建立基于故障码的诊断模型4).运用Visual Basic6.0 开发WindowsXP环境下的汽车汽油发动机故障诊断系统程序。5).对本故障诊断系统做出测试和评价。2 汽油发动机的工作原理及常见故障分类现代汽车发动机多采用四缸汽油发动机，本文所涉及的三个车型也均采用四缸汽油发动机，因此本文选用四缸汽油发动机来进行汽油发动机构造及工作原理的介绍。2.1 汽油发动机的工作原理2.1.1 汽油发动机的组成现代汽车汽油发动机的构造如图2.1所示。图2.1汽油发动机的结构1-曲轴同步齿形带轮 2-定时同步齿形带张紧轮3-定时同步齿形带 4-凸轮轴同步齿形带轮5-凸轮轴 6-摇臂 7-液压挺柱 8-进气门 9-排气门 10-活塞 11-连杆 12-曲轴 13-机油泵 14-机油集滤器2.1.2 汽油发动机的工作原理四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程，如图2.2所示。由于在此期间汽缸中气体的压力随汽缸容积的改变而不断地变化，因此采用气体压力随汽缸容积变化的示功图来表示，如图2.3所示。（1）进气行程（图2.2a） 汽油机将空气与燃料先在汽缸外部的化油器中（化油器式）、节气门体处（单点喷射）或进气到内（进气道多点喷射）进行混合，形成可燃混合气后被吸入汽缸。在示功图上，进气行程用曲线ra表示。曲线ra的大部分位于大气压力线下面，这部分与大气压力线纵坐标之差即表示汽缸内的真空度。（2）压缩行程（图2.2b） 为使吸入汽缸的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须为燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小，密度加大，温度升高，故需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞有下止点向上止点移动一个行程，称为压缩行程。在示功图上，压缩行程用曲线ac表示。活塞到达上止点时压缩终了，此时，混合气被压缩到活塞上方很小的空间，即燃烧室中。（3）作功行程（图2.2c） 在这个行程中，进、排气们仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在汽缸体（或汽缸盖）上的火花塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，其压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力pz约为35MPa,相应温度则为22002800K。高温、高压燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能。它除了用于维持发动机本身继续运转而外，其余即用于对外作功。示功图上曲线zb表示活塞向下移动时，汽缸内容积增加，气体压力和温度都降低，在作功行程终了的b点，压力降至0.30.5MPa，温度则将为13001600K。（4）排气行程（图2.2d） 可燃混很气燃烧后生成的废气，必须从汽缸中排除，以便进行下一个工作循环。当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。这一行程在示功图上用曲线br表示。在排气行程中，汽缸内压力稍高于大气压力，约为0.1050.115MPa。排气终了时，废气温度约为9001200K。由于燃烧室占有一定的容积，因此在排气终了时，不可能将废气排尽，这一部分留下的废气称为残余废气。综上所述，四冲程汽油机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，曲轴旋转了两周。 a） b） c） d）图2.2 四冲程发动机工作原理示意图a） 进气行程 b）压缩行程c）膨胀行程（作功行程） d）排气行程 a） b） c) d)图2.3 四冲程汽油机的示功图a） 进气行程 b）压缩行程c）膨胀行程（作功行程） d）排气行程2.2 汽油发动机的总体结构 发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。现代汽车发动机的结构形式很多，即使是同一类型的发动机，其具体构造也是各种各样的。我们可以通过一些典型汽车发动机的结构实例来分析发动机的总体构造。 下面以CA1040系列轻型火车用的CA488Q型汽油发动机为例，介绍四冲程汽油机的一般构造（图2.4）。（1）机体组 CA488Q型发动机的机体组包括汽缸盖、汽缸体及油底壳。作用是作为发动机各结构、各系统的装配基体，而且其本身的许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、冷却系统和润滑系统的组成部分。汽缸盖和汽缸体的内壁共同组成燃烧室的一部分。是承受高温高压的机件。在进行结构分析时，常把机体组列入曲柄连杆机构。（2）曲柄连杆机构 曲柄连杆机构包括活塞、连杆、带有飞轮的曲轴等。它是将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动并输出动力的机构。（3）配气机构 配气机构包括进气门、排气门、摇臂、气门间隙调节器、凸轮轴以及凸轮轴定时带轮等。其作用是使可燃混合气及时充入汽缸并及时从汽缸排除废气。（4）供给系统 供给系统包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进气管、排气管、排期消声器等。其作用是把汽油和空气混合为成分合适的可燃混合气供入汽缸，以供燃烧，并将燃烧生成的废气排出发动机。（5）点火系统 点火系统的功用是保证按规定时刻及时点燃汽缸中被压缩的混合气，其中包括供给低压电流的蓄电池和发电机以及分电器、点火线圈与火花塞等。（6）冷却系统 冷却系统主要包括水泵、散热器、风扇、分水管以及汽缸体和汽缸盖里铸出的空腔水套等。其功用是把受热机件的热量三道大气中去，以保证发动机正常工作。（7）润滑系统 润滑系统包括机油泵、机油集滤器、限压阀、润滑通道、机油滤清器等，其功用是将润滑油供给作相对运动的零件，以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。（8）起动系统 包括起动机及其附属装置，用以使静止的发动机起动并转入自行运转。图2.4 解放CA488Q型汽油机的构造2.3 汽油发动机常见故障的分类汽油发动机的故障按工程上的通用分为：机械故障、电气故障及外来干扰故障等汽油发动机的结构分类可分为：机体组故障、曲柄连杆机构故障、配气机构故障、供给系统故障、点火系统故障、冷却系统故障、润滑系统故障、起动系统故障及外来干扰故障等。2.4 本章小结通过本章对汽油发动机工作原理和总体结构的介绍，我们已经大致了解了汽油发动机的基本知识。通过这样的了解，我们不但可以更好的掌握修理汽油发动机的方法，还可以了解汽油发动机的故障特点。在下一章会根据本章介绍的发动机各组成部分的不同故障特点建立故障树。3 汽油发动机故障树的建立通过前面一章的介绍，我们已经对汽油发动机有了基本的了解，下面我们就根据汽油发动机的一些常见故障，来进行故障树的建立。3.1 故障树分析法的介绍故障树分析（FTA）技术是美国贝尔电报公司的电话实验室于1962年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性。故障树分析法就是把所研究系统得最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，以致追查到那些原始的、勿须再深究的因素为止。通常把最不希望发生的事件称为顶端事件，勿须再深究的事件称为底端事件，介于顶端事件或底端事件的一切事件为中间事件。用相应的符号代表这些事件，再用适当的逻辑门把顶端事件、中间事件和底端事件连成树形图。这样的树形图称为故障树，用以表示系统或设备的特定事件与它的各个子系统或各个部件故障事件之间的逻辑关系。以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为故障树分析法。3.2 故障树建立方法应用故障树分析故障时，其过程如下： 1）给系统明确的定义，选定可能发生的不希望事件作为顶端事件；2）对系统的故障进行定义，分析故障形成的原因；3）做出故障树逻辑图；4）对故障树进行定性分析，确定各事件结构的重要度，应用布尔代数对故障树进行简化，寻找故障树的最小割集，判明系统最薄弱的环节；5）对故障树结构作定量分析。根据各组件、各部件的故障概率数据，应用逻辑的方法，对系统故障作定量分析。3.3 故障树的建立步骤故障树分析的过程是一个对系统更深人认识的过程，它要求分析人员把握系统的内在联系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度，以便在分析过程中发现问题，找出零、部件故障与系统的逻辑关系，以确定系统的薄弱环节12。建树的步骤如图3.1所示。图 3.1 故障树的建立步骤3.4 故障树构造举例 通常的故障树结构为：故障树分析把系统最不希望发生的故障状态作为逻辑分析的目标，在故障树中称为顶端事件（即是本文中的故障现象），继而找出导致这一故障状态发生的所有可能直接原因，在故障树中称为中间事件（即是本文中的故障原因）。再跟踪找出导致这些中间故障事件发生的所有可能直接原因。直追寻到引起中间事件发生的全部部件状态，在故障树中称为底端事件（即是本文中的故障排除方法）。用相应的代表符号及逻辑门把顶端事件、中间事件、底端事件连接成树形逻辑图，此树形逻辑图即为故障树。故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。故障树的一般形式如图3.2所示图3.2 故障树的一般形式 以别克君威发动机活塞销响故障为例建立故障树。该故障树顶端事件为故障现象（活塞销响）。底端事件为与中间事件相对应的故障结果（活塞销与衬套配合间隙过大、活塞销损坏、润滑油不良），故障树其余部分即为中间事件（故障原因与诊断过程），其故障树如图3.3所示： 活塞销响响声最大转速下进行汽缸断火实验检查响声是否更加杂乱活塞销与衬套配合间隙过大急加速下进行汽缸断火实验检查响声是否减轻或消失是检查活塞销润滑油是否润滑不良活塞销润滑油不良急加速下进行汽缸断火实验后响声减轻或消失否是是否调整活塞销与衬套配合间隙更换活塞销更换润滑油图3.3 别克君威活塞销响故障的故障树3.5 本章小结本章阐述了故障树分析法的基本内容和故障树的建立方法、步骤，并以富康汽车发动机汽缸体变形故障为例，绘制了故障树。4 汽油发动机常见故障诊断系统知识库设计4.1 知识的获取知识获取也叫机器学习，早期的专家系统完全依赖领域专家和知识工程师共同合作把领域内的知识总结归纳出来，然后将它们规范化后输入知识库，往往要付出艰巨的劳动。目前，一些专家系统已经初步具有了自动知识获取功能。自动知识获取包括两方面的内容：1）外部知识获取即系统通过向专家询问，以接受教导的方式获取专家的知识，然后自动地把它转换成内部表示形式存入知识库。2）内部知识获取即系统在运行过程中不断地从错误和失败中归纳总结经验，并修改和扩充自己的知识库。知识库是系统进行开发的依托，知识库中知识的准确可靠直接影响到系统可信度。本系统知识采用外部知识获取和知识输入相结合的方式，将所需的各类知识存储到知识库中，待进行系统推理时调用。其获取模型如图4.1所示。外部知识获取知识编译知识库执行结果检验结果正确么？NY结束图4.1知识获取模型4.2 专家系统的知识的表示专家系统的工作过程是一个获得知识并运用知识的过程，是一个知识处理系统。为了对知识进行处理，就要在计算机中用合适的形式对系统所需的知识进行组织。知识获取、知识表示和知识利用是专家系统的三个基本问题。专家系统的知识表示有几种，本系统采用产生式表示系统。4.2.1 产生式表示系统产生式表示法也叫规则表示法。这是专家系统中使用最多的一种知识表示法。产生式通常用于表示具有因果关系的知识，其基本形式是“If P then Q”其中P是产生式的前提，用于指出该产生式规则的条件；Q是一组结论或操作，用于指出当前提条件满足时应该得出什么样的结论或应该进行的操作。它的推理机制是以演绎推理为基础，推理系统也称为产生式系统。产生式系统最初是由美国数学家E.Post于1943年提出的一种计算机制，1965年由Simon和Necuell引入到基于知识的专家系统中。一个产生式系统包括三个基本要素：规则库、综合数据库、控制系统。如图4.2所示。图4.2产生式系统的基本结构1）规则库 是产生式规则的集合，它包含关于问题的一般性知识。规则库反映了领域知识，其内容是否完整、一致将直接影响到系统的功能和性能。规则库中的每一条规则都会有一个编号，系统运行时通过编号标识每一条规则。2）综合数据库 又称为事实库、上下文、黑板等。它是一个非常类似于缓冲器的数据结构，用于存放问题求解过程中的各种当前信息。当规则库中某条产生式的前提可与综合数据库中的某些事实匹配时，该产生式就被激活，并把其结论放入综合数据库中，所以综合数据库中的内容是不断变化的、动态的。本系统中采用数组与表结构，以便和规则的条件部分相匹配。3）控制系统 又称为规则解释程序，是一组程序，负责整个产生式系统的运行，它的任务就是确定下一步哪些规则是可用的。它确定所选定规则的条件部分如何与数据库中的事实匹配并监控问题求解过程。当数据库中没有所需的事实时，它还将向用户提问以获取相应的事实信息。控制系统是产生式系统正常运行的关键部分。在本系统实际应用时，对于某一故障征兆进行问题求解时，被激活的规则可能不止一条，这时，规则解释程序就需要按着一定的控制策略，确定用哪条规则，这一过程称为冲突消解。本系统根据发动机故障诊断的特点，采用优先原则，即选用先被激活的规则为原则。根据前面所需知识的分类，对每一类知识分别进行表示和存储4.2.2 领域专家的知识表示此类知识是系统进行故障诊断时的核心知识部分。在本系统中主要用到的专家领域的知识有汽车类型知识、故障大类知识、故障树知识。汽车类型知识的表示 当用户在使用故障诊断系统过程中，选择车型时，将用到此类知识。此类知识是以数据库表格的形式存储在Access数据库中的。该表格的每个记录中应有序号与车型。一个序号对应一个车型。其设计与实现如图4.3：图4.3汽车类型表故障大类知识的表示 当用户进入故障查询系统选择车型后，将根据此类知识进行故障码或故障现象的选择。故障大类知识是以数据库表格的形式存储在Access数据库中的。该表格的每个记录中应有车型、故障代码与步骤提示。下面以奥迪车为例，其设计与实现如图4.4所示。本表格中，一个车型对应所有故障代码，每一个故障代码对应唯一的步骤提示。图4.4故障大类表故障树知识的表示 这部分知识的表示是系统的核心内容，它关系到后面的推理机制的建立和推理策略的确定。故障树知识的获取和推理是以故障树分析技术为基础的。其中要有诊断流程的诊断提示(步骤提示)，判断故障树走向的标志(方向)，诊断分支的内容(故障分支)，诊断分支的状态(诊断状态)。当诊断分支处于诊断结束状态时，诊断分支对应的是故障原因。每个故障原因要有故障编号，此编号是为了查找相应故障维修方法所设置的，与故障码不同。在表中每一个故障现象对应其所有的诊断流程，每一步的诊断提示以自小到大的序号排列，当系统进行诊断时就会按编号顺序进行提示。例如，别克车型汽缸拉缸故障，其故障现象为汽缸拉缸，故障编号为102。那么，此故障现象编号对应其所有诊断流程编号，每个诊断流程编号对应唯一的故障诊断内容。当进行某一故障诊断流程时，通过与编码对应的诊断内容，用户进行二值性判断（是/否），根据选择的判断项得到所对应的故障编号。根据此故障编号所对应的内容，用户将得到故障诊断结果或者继续向下诊断。其设计如图4.5：图图4.5故障树表4.3 汽油发动机故障诊断系统推理模型的建立系统的知识库建立之后，就要利用知识库中的知识进行诊断，即要建立汽油发动机故障诊断系统的推理机制，使得系统能够按照一定的规则从已有的故障现象推理出故障原因。其内容包括：故障码诊断模型的设计、基于故障征兆的诊断模型设计。4.4专家系统的推理机制推理是按某种策略由已知判断推出另一判断的思维过程。在智能系统中，推理是由程序实现的，这一组程序叫推理机。推理机是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心部分。推理机的性能和构造与知识的表示形式及组织方式有关，但与知识内容无关，这有利于保证推理机与知识库的相对独立，因此推理机的设计总是与知识库的设计同时进行。根据知识表示方法及组织方式选择合适的推理方法；同时，根据方便推理、有利于提高推理效率的原则，设计合适的知识表示方式及组织方法。(1) 推理方向推理方向用于确定推理的驱动方式，分为正向推理、逆向推理、混合推理和双向推理四种。本系统采用正向推理。正向推理的基本思想是：系统根据用户提供的原始信息，在知识库中寻找能与之匹配的规则，若找到，则将推出的新事实加入到数据库中作为下一步推理的已知事实，在此之后再在知识库中选取适用的知识进行推理，如此反复进行这一过程，直到得出最终结果。本系统是让用户选择信息。(2) 诊断过程的搜索策略高校的推理机，它的搜索策略是与具体的领域问题有关的。因为完全与领域问题无关的搜索策略将是十分低效的。因此，设计推理机时应根据领域问题选择高效的搜索策略。搜索是一类重要的知识运用。搜索的对象可以是一个状态空间，也可以是一个知识或数据的集合。搜索的优点在于它能够将知识分解，采用逐次的方法逼近目标，使得搜索的结果能够非常地接近真实原因。最基本的搜索算法有：深度优先搜索法和广度优先搜索法。1.深度优先搜索法该方法是从树根开始，逐步往下搜索的方法，它遵循两个原则：在当前节点还有未搜索的子节点时，总是按某种约定的顺序搜索一个子节点，这种方法只要可能总是先往树的深一层搜索，一直搜索到子节点下再也没有节点了为止；2.广度优先搜索法它与深度优先搜索法正相反，它是一层一层地搜索状态节点，只有某一层的状态被全部搜索完毕，它才转入下一层搜索。图4.6 两种搜索方法本系统实现的正向推理算法采用的是深度优先搜索策略。从最不希望发生的顶事件一直搜索到底事件。4.4.1 故障码诊断模式的设计当汽车发动机出现故障时，应首先确认有无故障码存在，这样可避免走不必要的弯路。因此，本系统在进行总体设计时，将故障码诊断方式作为系统的一个基本功能考虑进来，来诊断故障发生部位。本系统先让用户选择要进行诊断的车型，系统自动列出汽车车型对应的故障码。然后系统将故障码对应的故障内容列出。其诊断推理模型如图4.7所示：图4.7 故障码诊断模型4.4.2 基于故障征兆的推理模型设计在基于故障征兆的诊断推理中，系统将列出用户所选车型对应的故障现象供用户选择。系统在根据用户的选择，进行诊断。诊断过程理论基于故障原因与征兆间具有确定性逻辑关系。本系统征兆的推理是通过系统建立的二值性故障树诊断模型来实现的。采用二值性故障树诊断模型是由以下几个方面决定的：第一，故障征兆与故障原因间具有确定性的逻辑关系，二值性判断易