自动变速器离线故障诊断专家系统设计与实现

周 昕 赵治国

（1.上海通用汽车有限公司；2.同济大学）

1 前言

自动变速器（AT）与手动变速器（MT）相比，其结构复杂，零部件多，故障原因多种多样，因此对维修技术人员要求更高，即在生产过程中需要对其质量状态作出快速准确的判断，及时找到故障原因并加以预防，甚至要求在不解体的情况下能准确判断故障来源并加以解决。

传统故障诊断系统由于知识库不能及时更新，需要定期下载更新包来同步用户的数据库，且诊断和故障分析方法不能做到自主学习及自我改进。而专家系统比传统的诊断程序具有更好的扩展性和适应性。使用专家系统辅助技术人员进行故障排除，不仅可缩短诊断时间，而且还能帮助培训新员工，提升整体团队的技术水平。

目前，专家系统在汽车行业的应用还处于试验阶段，大多通过HTML网页程序的编制来实现，且要求用于诊断的计算机必须联网运行，既不利于在无网络覆盖条件下的诊断和故障解决，也不适用于对特有故障模式情况的学习和快速判断。为此，开发了自动变速器故障诊断专家系统，该系统不仅具有故障诊断、模式学习和数据库管理功能，而且预留了接口，通过加载不同的数据库可实现不同总成间故障诊断的切换，也便于后续开发整车级别的诊断专家系统。

2 6TXX系列自动变速器

某汽车6TXX系列自动变速器为6速前置前驱式自动变速器，根据传递的扭矩和尺寸的不同，可分为6T30/40/45 3种类型，各类型具有共同的结构，包括液力变矩器、行星齿轮系、摩擦式多片离合器总成和液压控制系统。行星齿轮系提供6个前进挡和1个倒挡，通过变速器内的控制模块（TCM）来改变速比。TCM接收并监测各种电子传感器的输入信号，并使用这些信息决策最佳换挡时刻及执行换挡。

随着变速器中摩擦接合部件逐渐磨损或年久变形，换挡时间也将增加或减少。为了补偿这些变化，TCM可自适应调节压力控制电磁阀的指令压力，以保持原来标定的换挡正时，并能在车辆使用周期内保持最佳换挡品质。

由于6TXX系列自动变速器均采用电子控制，其离线故障的诊断和排除需要技术人员有一定的诊断维修经验。从专家系统的程序角度来说，要将经验转化为软件能够应用的一种标准是非常困难的，因为人脑既可以通过经验（案例），又可以通过规则来作出判断，当2种推理结果相冲突时，人脑会进行综合考虑取舍后作出判断。然而对于专家系统来说，这个问题就需要通过软件算法来解决。

本文所开发的故障诊断专家系统可以适用于6T30、6T40及6T50自动变速器。后续可在此系统和知识库的基础上增添其它系列的变速器故障诊断功能，包括用于混合动力汽车的变速器系列。

3 专家系统设计与实现

3.1 专家系统结构

一般专家系统由用户界面、推理机和知识库3部分组成。为使用户能够方便地更新和维护知识库，在该系统设计时增加了知识库管理系统，因此该系统包含4大部分，结构如图1所示。

该系统各部分功能如下。

a. 用户界面。用户界面由输入和输出2个部分组成，界面采用VisualBasic设计实现，用户可在Windows XP或更高版本系统中操作运行，如图2所示。

b. 推理机。推理机是专家系统的信息处理程序，其主要由调度程序和推理程序组成。调度程序主要负责调用和查询数据库中的语句信息；推理程序主要负责运算数据库各元素属性的逻辑关系，并给予调度程序执行调用或查询动作。设计时将推理机内建在程序中，实现了推理和控制一体化，并且实现了程序自我保护功能，不会因为用户误删系统文件导致程序无法运行。

c. 知识库。知识库是信息的集合，以数据库的形式保存。数据库中包括现象、原因、属性规则等相关信息，并且以程序能够识别的结构来表达。由于数据库接口统一，方便通过切换数据库实现程序整体功能的扩展。该系统中使用Access来构建知识库。

d. 知识库管理系统。管理系统允许授权人员对知识库中的知识条目进行管理，包括添加、修改、删除、更新、备份、升级等操作，用户可在不了解数据库结构的情况下直接对数据库进行维护和升级操作。

3.2 知识的获取与分析

首先通过与技师交流来获取经验，再将这些经验进行信息分解。通过交流可知，不同系列变速器的复杂程度不同，虽然自动变速器的结构比手动变速器复杂，但是某些款型的自动变速器故障诊断却不一定比手动变速器复杂。

另外也发现，像生产现场这样工作强度和密度大的地方，每个技师都依靠自身所经历过的案例积累经验，并没有一个系统或工具来记录和在团队中分享各自的经验感想，更没有工具能够查阅以往的故障与新发现的故障有何种关联；技师分析和解决问题的步骤都是从自身角度出发，对新上任的技师，只能靠言传身教和亲身经历来丰富自己的故障诊断经历。这些不利于归纳总结常见的故障原因、优化故障排除时间、给设计调试工程师提供反馈意见，从而导致工作效率低。因此，通过将一些常见的故障原因作归纳总结，并将其同失效模式结合起来，可作为开发故障诊断专家系统知识库的一个突破口。

3.3 知识库及其管理系统的建立

专家所运用到的知识必须要经过计算机编码才能为专家系统所用。推理机从知识库取用所需要的知识条目用于问题的推理解决。知识库中的知识既可来自专业材料，也可采用从公共渠道取得的常识。专家系统的数据库可以以多种方式存储知识条目。

将知识库的接口作了规范和统一，如果要解决其它总成的故障问题，用户只需要将数据库位置切换到新数据库即可使用，免去了重新开发诊断程序的麻烦。但这对知识库的结构布置要求很高，不仅要使数据库易于被程序所读取，还要易于维护和更新。专家系统知识库功能如图3所示。

该专家系统的知识来源于2个方面：一方面通过产品设计说明书、产品技术说明书、产品使用说明书、产品潜在失效模式报告、零部件测试报告和维修手册等渠道收集；另一方面通过生产车间对相关问题的解决经验、培训材料和资深技术人员的经验传授获得。

在自动变速器实际故障诊断和解决过程中，现象和原因不是简单的一一对应关系，某个现象可能是多种原因共同作用的结果，同时，某几种原因的排列组合又能造成多种现象同时发生，因此故障现象和原因是多重对应关系。假设故障现象为1个集合（现象1，2，3......n），故障原因为1个集合（原因1，2，3，……m），则其对应关系如图4所示。

在Visual Basic中添加data控件，通过设置App.Path，ADODB.Connection和 DataSource等属性作为数据库与专家系统的接口，将知识库链接到程序中，如图5所示。知识库各功能实现代码略。

3.4 推理机实现

推理机是专家系统的核心。目前一般将推理方式分为基于规则的推理和基于案例的推理2类。

3.4.1 基于规则的推理方式

基于规则的推理方式在专家系统中使用最广泛。根据输入的故障信息，推理机采用预设在程序里的规则，将结果输出到程序界面反馈给用户，通常用于表示具有因果关系的知识，并且可用树状图来表达相互关系。OBD系统运用的就是基于规则的推理方式。

假设故障现象为1个集合 （现象1，2，3......n），故障原因为 1个集合（原因 1，2，3，……m），则使用程序语言可表述为：

IF<现象1>；若现象1成立且

<现象2>；现象2成立且

<现象n>；现象n成立

THEN<原因1>；则原因1成立且

<原因2>；原因2成立且

<原因m>；原因m成立

该推理方式比较成熟，开发周期短，应用广泛，但是效率较低，更新慢，扩展性较差。

3.4.2 基于案例的推理方式

基于案例的推理方法为，推理机首先读取用户选择的故障状况或用户输入的故障关键词，然后搜寻知识库并从中找到与该关键词相关的案例再给出信息。知识库中的相关知识条目可以更新，并在下次诊断中被应用到新的推理中，如图6所示。

典型的基于案例的推理包括相似案例检索、案例修订、案例更新等。案例的表示、检索、问题特征提取和案例的更新是关键的问题。使用源案例来求解目标案例能够简化知识的获取，通过直接使用案例能够提高求解效率。因此案例的保存既是程序学习的过程，也是知识获取的过程。基于案例推理的代码略。

基于案例的推理方式更新快、扩展性好，但是前期开发周期长，程序编制复杂，故障现象与原因两者间具有复杂性和不确定性。

该故障诊断专家系统在基于规则推理的基础上进行了改进，融合了基于案例推理的优点，使系统结构得到优化，推理结果更贴合实际情况，而同时软件的开发周期也较短。

4 测试实例

4.1 故障搜索

已知故障为“变速器油温度过高”，需要搜索相关信息。运行故障诊断专家系统并进入搜索模块，在故障清单中查找或选定故障现象 “变速器油温度过高”，系统即显示相关故障的现象及其故障定义、发生原因和推荐采取的措施，如图7所示。实际原因为变速器管路冷却系统内有杂质而造成阻塞，推理出的多项原因中包含了该原因。

4.2 故障诊断

故障诊断模块中可实现从现象到原因和从原因到现象的2种推理方式。

a. 已知故障现象为“倒挡不工作”，需要进行诊断。运行故障诊断专家系统，进入诊断模块，查找或选定故障现象“无倒挡”，系统即显示相关的故障原因提供参考，排查并确定故障原因后选择匹配的故障原因条目，即显示对于此故障原因的定义，如图8所示。实际原因为压力控制电磁阀不工作。

b. 已知故障原因为 “变速器冷却系统阻塞”，需要进行诊断。运行故障诊断专家系统，进入诊断模块，查找或选定故障原因 “冷却系统阻塞”，系统即显示在该原因作用时会产生何种故障现象，给予技术人员解决问题的思路和经验，如图9所示。

5 结束语

利用Visual Basic 6.0和Access构建了自动变速器离线故障诊断专家系统，并开发了推理程序和知识库管理系统。经过对模拟故障的测试可知，该系统运行顺利，结果准确，使用简便快捷，达到预期的设计目标。

知识的获取和知识库的构建是该故障诊断专家系统开发过程中的关键。通过在生产现场的实际应用，对知识库中的相关信息进行了更新，从而使系统诊断的结果更贴合实际状况，进一步提升了该系统的实际应用价值。

1 Joseph Giarratano.专家系统原理与编程.北京：机械工业出版社，2006.

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

3 马才伏.汽车自动变速器故障的诊断与排除.农业装备与车辆工程，2008.

4 朱迅.自动变速器维修.北京：北京邮电大学出版社，2007.5 程晓章.基于规则的柴油机故障诊断专家系统.合肥工业大学学报，2003.

6 吴今培.智能故障诊断与专家系统.北京：科学出版社，1997.7 纪常伟.基于故障树的汽车故障诊断系统开发.车辆与动力技术，2003.