传统诊断技术的汽车维修技术分析研究.doc

摘要:随着汽车的自动化和精密化程度的不断提高，基于状态维修的故障诊断技术是汽车维修的发展方向。也是我国实现“定期检测、强制维护、视情修理”维修制度的基本保证。汽车状态维修具有延长汽车使用寿命、减少汽车维护费用、促进维修人员技术水平提高等优点，必将替代传统计划维修成为汽车维修行业的一场革命。 Abstract: With the cars precise degree of automation and continuous improvement, state-based fault diagnosis technology is the maintenance of the development direction of vehicle maintenance. But also our country to achieve a regular testing, mandatory maintenance, repair, as appropriate, the basic guarantee for the maintenance system. Vehicle status, vehicle maintenance with extended service life, reduce vehicle maintenance costs, improve technical level to promote the maintenance staff, etc., instead of the traditional planned maintenance will become a revolution in automotive repair industry.关键词：汽车状态维修；状态监测；故障诊断 目录前言11 前言近年来，在国外，汽车状态维修技术的研究与应用主要开始于发达国家，主要集中在远程诊断、故障监控等方面。在国内，汽车状态维修相关技术也有了初步的研究。由于成本、技术等原因，目前该技术在国内的应用还不是很成熟，主要应用在发动机系统上，没有在全车系得到大力推广。但是随着移动技术、宽带网络技术等技术不断兴起，必将推动汽车状态维修技术的进一步发展，展现出非常广阔的应用前景。汽车状态维修集状态监测和故障诊断为一体，是一门新兴的多学科综合性技术。汽车状态维修能够确切地反映汽车运行状态，预报运行潜在的故障，只有汽车在需要维修时才进行维修，是提高汽车运行可靠性和安全性的有效办法。新中国成立初期，我国汽车维修制度主要以学习前苏联的计划维修制度为主。为了适应汽车技术发展要求，交通部于1990年10月发布了第13号令汽车运输业车辆技术管理规定，规定要求车辆维修坚持以预防为主，对运输车辆实伊定期检测、强制维护、视情修理制度。该规定的出台，将我国汽车维修制度由计划维修制度转向状态维修制度。1汽车故障诊断技术的基本原理传统汽车维修技术是以单纯机械修理工艺为基础的手工操作技能，其技术延续的方式主要以师徒相传为主，其工艺特征主要表现为手工工具的应用，因而传统汽车维修从其本质上讲只能称为手艺，而不是技术。现代汽车维修是以综合检测维修技术为基础的诊断技术，其表现形式为“七分诊断、三分修理”。汽车诊断是应用现代化诊断设备进行科学分析的过程，已成为现代汽车维修技术中的重要环节。故障诊断使汽车维修从比较简单的体力劳动过程向较为复杂的脑力劳动过程转化。汽车维修中诊断与修理的分立使得汽车维修技术队伍形成“汽车医生”和“汽车护士”两个层面。 “七分诊断”主要由汽车医生来完成，“三分修理”主要由汽车护士完成。现代汽车维修技术已经发展成为以故障诊断为核心的综合检测分析技术。汽车故障诊断技术的实质是了解和掌握汽车在运行过程中的状态，评价、预测汽车的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度进行识别，预报故障的发展趋势，并对具体情况做出决策。故障诊断技术通常包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面的内容。图一 故障诊断的基本过程其具体实施过程可以归纳为以下四个方面：1.1信号采集根据发动机在运行过程中产生的各种不同的信息，选择能表征汽车工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等来进行监测。这些信号一般都是利用不同的传感器来拾取的。1.2信号处理这是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征汽车特征的过程，也叫特征提取过程，如对振动信号从时域变换到频域进行频谱分析即是信号处理。1.3状态识别将经过信号处理后获得的汽车特征参数与规定的允许参数或者判别参数进行比较、对比以确定汽车所处的状态，是否存在故障及故障的类型和性质等。1.4诊断决策根据对汽车状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时根据当前信号预测汽车状态可能发展的趋势，进行趋势分析。2汽车故障诊断技术研究内容在汽车故障诊断过程中，故障诊断技术起到关键作用，汽车故障诊断技术主要包括机理研究、信息处理技术、故障识别技术、人工智能系统研究等几个方面。1.1.1故障机理研究 故障机理研究的目的是了解故障形成的机理和过程，认识故障形成的本质和特征，确定故障的类别和严重级别，分析故障的传播途径，从而有针对行的进行故障诊断，可以在设计阶段很好的控制故障，减少故障的发生率。1.1.2 信息处理技术信息处理技术在故障诊断中起着重要的作用，它检测系统的原始信号并进行处理，为故障检测提供了前提和条件。在故障诊断领域中，信息的处理和特征提取技术是在一般意义的信号处理技术上展开的。1.1.3故障识别技术故障识别技术总的来说可以分为基于模型的故障诊断方法和基于规则的故障诊断方法。基于模型的故障诊断方法中，常利用系统数学模型诊断法和系统故障过程模型诊断法等。早期的故障诊断是用系统中的参数是否超过限定值来判断，而利用数学模型的方法是把故障定义为实际过程相对理想模型的变化，利用数学模型可以提高故障诊断的速度和精度。对于复杂的系统，要精确的建立其数学模型难度较大，可以通过建立系统的故障过程模型。 基于系统故障过程模型的诊断方法常用的有故障树分析法和图论法。对于无法建立数学模型或故障过程模型的复杂系统，可采用基于规则的故障诊断方法。基于规则的故障诊断最常用的是模式识别，它将系统的状态分成不同模式类，采集故障信号提取和选择特征，且构造辨别函数，进行模式识别。1.1.4人工智能系统人工智能系统主要是用计算机来研究模拟人的智能，使其具有学习、推理等能力。专家系统是人工智能的一个分支，它用计算机程序和知识与推理过程来解决那些需要大量专家才能解决的复杂问题。人工智能故障诊断技术是目前汽车故障诊断的发展方向。智能化诊断技术试图以计算机模拟专家对复杂系统进行故障诊断，做到既能充分发挥领域专家的作用进行快速推理，又能很方便地推广应用于各种不同的对象。它的优越性在于综合多个专家的最佳经验，其功能水平可以达到甚至超过专家，至少具有专家的水平。智能诊断系统既离不开模拟人脑功能的计算机硬件及软件，又不排斥人的作用，是集传统诊断方法优点和专家经验于一体，实现人机联合诊断功能。现有的基于人工智能的汽车故障诊断方法主要包括专家系统方法、神经元网络方法、模糊推理方法、遗传算法故障诊断方法等。专家系统故障诊断法，是指计算机在诊断过程中不断采集被诊断对象的信息，并综合运用知识库中的经验规则进行推理，从而快速地找到系统可能的故障。专家系统的故障诊断方法由诊断知识库、汽车参数库、征兆事实库、推理机、解释程序、故障对策程序、知识获取模块、人机接口模块等组成。神经元网络故障诊断方法。人工神经网络由于具备并行性、自学习性、自组织性、容错性和联想记忆功能等信息处理特点而广泛应用于机械故障诊断领域，它通过对故障实例及诊断经验的训练和学习用分布在神经网络中的连接权值来表达所学习的故障诊断知识，具有对故障联想记忆、模糊匹配和相似归纳等能力。神经网络故障诊断方法的内容一般包含:神经网络诊断知识库的建立、神经网络的诊断推理和神经网络的自学习过程。模糊数学故障诊断方法。模糊故障诊断是通过研究故障与征兆之间的模糊关系来判断汽车运行状态。遗传算法故障诊断方法。遗传算法(GA模拟了达尔文的“适者生存，优胜劣汰”的自然进化论与孟德尔的遗传变异理论，是一种自适应全局优化概率搜索算法。本文引入了概率因果故障诊断模型，并结合模糊理论，将概率因果模型的似然值函数作为遗传算法的适应度函数，将一个复杂的故障诊断问题转化为最优问题求解。3汽车状态维修内涵 所谓状态维修，亦称视情维修，早在20世纪60年代欧美国家就开始了状态维修技术的研究，是一种基于传感器技术、状态检测技术和故障诊断技术的维修技术。状态维修着眼于每台机械设备的具体运转状况，采用状态检测与故障诊断技术对机械部件进行追踪监测分析，及时地发现初期故障，并预测其演变情形，先期确立维修预案，适时适度进行修理。目前，状态维修已广泛应用于汽车、机械、矿山、冶金及电力等工业方面，给企业带来了巨大的经济效益。据文献报道，实现状态维修，可以使设备使用寿命增加10以上，同时减少维修费用；文献指出，实现状态维修使企业设备故障停车台次 下降95，减少了维修次数，延长了生产周期。 所谓汽车状态维修，就是采用先进有效的监测诊断装置及手段，对汽车运行状态进行连续或周期性的跟踪监测，及时地诊断和预测汽车故障，建立起完善的汽车维修状态档案；根据汽车运行状态来确定汽车维修时机、部位和内容。汽车状态维修立足汽车故障机理分析， 根据不解体检测的结果，当汽车出现“潜在故障”时就进行调整、修理或更换，从而避免“功能故障”的发生。4汽车状态维修的关键技术 汽车状态维修技术核心在于状态监测和故障诊断。通过对汽车的振动、噪声、磨损、温度、油质、速度等状态进行监测和技术分析，可以掌握汽车的运行状态，判断汽车故障的未来发展趋势，诊断故障发生的部位、原因，进而具体指导维修工作。3.1状态监测 汽车运行时水和油的温度、压力、流量、速度及运动副的机械磨损等参数都将发生改变。汽车状态监测技术是采用传感技术对汽车运行时的工况敏感参数(如温度、压力、流量、速度等进行实时监测、分析和记录；同时，通过汽车运行的实时工况参数获得汽车零部件材料内部的工作性能、机械强度、疲劳极限与磨损程度等重要参数信号。将这些信号、参数通过故障诊断分析仪或电子控制单元进行分析诊断，预测出汽车故障发展的客观规律，提示人们做好维修防范准备。目前，国内外广泛使用随车诊断监测系统。 随车诊断监测系统可提供用于汽车故障诊断的信息主要包括：故障状态提示、诊断故障码和与汽车运行状态相关的技术数据等。发动机随车诊断监测系统内部故障诊断电路能在汽车运行过程中不断监控电控系统各个元件工作，当发现电控元件有故障时能够自动启动故障运行程序，通过仪表故障指示灯发出故障警告信号，提示驾驶员维修。 同时，将故障信息储存在电控单元中，以方便人员维修。 目前的第二代随车诊断监测标准OBDII主要应用于发动机电子控制，今后必会在全车电控系统的故障监控中得到广泛应用。3.2故障诊断 根据状态监测系统提供的各种综合参数，进一步分析诊断故障发生的原因、具体部位、性质乃至说明故障的发展趋势，这是故障诊断的主要任务，也是实现状态维修的关键。 传统汽车故障诊断技术主要依靠人工经验诊断、仪表检测诊断。随着汽车技术的不断发展，普遍采用专业综合诊断、智能诊断、网络化故障诊断等技术，为故障诊断提供了很好的技术手段。3.2.1专业综合诊断 专业综合诊断主要利用先进的汽车故障诊断设备，在不解体或不拆卸零件的情况下，对汽车综合性能进行检测诊断，得到了一系列的准确数据，并与汽车规定的标准技术参数相比较，以确定汽车零部件是否需要维修或更换。汽车电脑诊断仪、发动机分析仪、汽车专业示波器等先进设备大量应用，提高了汽车故障诊断技术。3.2.2智能诊断 随着微电子技术的不断发展，智能诊断技术得到广泛的应用。其主要是把诊断对象所提供的各种有用信息，通过精密测试系统的采集，由计算机分析处理后，得到能用于识别被诊断对象的特征参数，最后做出诊断结论。根据这个原理已经提出了许多诊断方法，如模式识别法、专家系统法等。其中，专家系统是汽车故障诊断技术的发展方向，它根据专家的宝贵经验与思想方法同计算机的存储、运算、分析能力相结合的一种计算机软件程序，能够模拟专家的推理判断和思维过程，解决状态识别、诊断决策中的各种复杂问题，为故障分析开辟了新的途径。3.2.3信息网络化诊断随着汽车诊断技术不断发展，汽车检测系统、专家系统和信息系统通过网络系统紧密联系在一起的网络化故障诊断系统，使诊断系统的智能化和信息化水平得到了十分有效的提高。5几种常用的汽车故障诊断方法的介绍4.1案例法传统的故障诊断中大部分是RBR(rule based reasoning,基于规则推理、MBR(model based reasoning,模式推理的专家系统技术的研究。由于这些传统的专家系统是基于模型化驱动的(基于模型的诊断方法使用诊断对象的结构、行为和功能模型等深知识进行诊断推理,在模型的构建、信息的获取、信息的处理方面存在严重不足,有一些难以克服的缺点,如系统领域知识的规则提取困难。规则库、模式库的创建和管理复杂艰巨。推理过程中规则与模式难以准确选取等。整个汽车故障诊断系统主要由知识库、故障案例库、征兆数据库和推理系统构成。其中主要部分的内容和功能描述如下:4.1.1知识库。问题求解的知识、经验的集合,主要由专家提供,包括汽车故障的分类信息及不同种类故障需要的各种关键特征属性及其权值,并以此构建故障案例库和征兆数据库。4.1.2故障案例库。由用户根据汽车故障日志和维修日志等历史数据填写的关于汽车故障的各种信息,是存储案例和产生新案例的仓库,为新问题的解决提供参考依据。4.1.3征兆数据库。汽车发生故障时经过数据采集的故障征兆数据信息,是指故障发生的潜在特征,即故障发生时汽车运行状态发生的变化,通常是故障发生时以汽车运行状态参数表示的特征属性。4.1.4推理系统。整个系统的核心,由案例检索、匹配,案例调整、学习组成。它决定了诊断效率的高低以及对知识处理的高低,实现从已有的案例集中找到与当前故障问题最为相似的案例,并提供相应的解决方案(即故障维修方案。同时不断获取新知识和改进旧知识,生成新的维修方案,并按一定的存储策略添加到案例库中。这样,通过不断地学习新案例和修改案例库中的旧案例,使案例库得到扩充和完善。4.2故障树分析法故障树分析法FTA(Fault Tree Analysis是一种将系统故障形成原因按树枝状逐级细化的图形演绎方法，是60年代发展起来的用于大系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等进行分析，画出逻辑框图(即故障树，再对系统中发生的故障事件，作由总体至部分按树枝状逐级细化的分析，并对系统在方案与初步设计阶段进行可靠性、安全性分析，常用于系统的故障分析、预测和诊断，找出系统的薄弱环节，以便在设计、制造和使用中采取相应的改进措施。基于故障树的诊断,采用面向对象的基于故障树的框架和广义规则的混合知识表示,把整个故障树当作一个对象,把故障树上所有子、父结点间形成的广义规则封装在一个独立的框架内,如某故障树上有结点异常,则启动与该故障树对应的框架,诊断时只把该框架内的广义规则调入内存,提高了诊断速度.此外,该方法还可诊断多故障,因为在推理过程中采用反向遍历搜索,可找出所有故障及可能故障的部件.对可能故障的部件,按照其与顶事件形成的通路的权值的大小进行排序,权值最大的元素其优先级最高,有利于诊断信息不足条件下的对故障源的最优搜索,为故障预测和快速维修指明方向.4.3 专家系统专家系统是一种基于特定领域内大量知识与经验的智能程序系统，应用人工智能技术模拟人类专家求解问题的思维过程解决领域内的各种问题，是人工智能的一个重要分支。用于故障诊断的专家系统的基本结构主要包括以下几个组成部分，诊断知识库(Knowledge Base，简称KB:用于存放领域专家的各种与汽车有关的知识，包括汽车征兆、控制知识、经验知识、对策知识等。这些知识是由知识工程师和领域专家合作获取到的，并通过知识获取模块按一定的知识表示形式存入诊断知识库中。诊断知识库是汽车故障诊断专家系统的核心。4.3.1汽车参数库:存放与诊断汽车有关的结构和功能参数及汽车过去运行情况的背景信息。4.3.2征兆事实库:存放系统推理过程中需要和产生的所有征兆事实，征兆事实是故障诊断的主要依据。4.3.3推理机(Inference Engine:负责利用诊断知识库中的知识进行推理诊断，从而给出诊断结果。4.3.4解释程序:负责回答用户提出的各种问题，它是实现专家系统透明性的关键部分。4.3.5故障对策程序:能针对推理机给出的诊断结果向用户提供解决故障的对策。4.3.6知识获取模块:对知识库进行管理和维护，其中包括知识的输入、修改、删除和查询等。4.3.7人机接口模块:用于用户、领域专家或知识工程师与诊断系统的交互作用。其负责把用户输入的信息转换为系统能够处理的内部表现形式。系统输出的内部信息也由人机接口负责转换成用户易于理解的外部表示形式。图二 故障诊断的专家系统的基本结构故障诊断专家系统的知识是由事实和启发性知识构成。知识是专家系统的核心。专家系统的性能取决于它所拥有的知识的数量和质量。知识的获取、表示和利用是专家系统的三个基本问题，其中知识的表示处于中心地位，是专家系统中最基本的一个问题。因为，一方面获取的知识必须表示成某种形式，才能把知识记录下来。另一方面只有以合理的形式将知识表示出来，才能利用知识进行问题求解。而且知识表示方法的优劣直接影响到系统的知识获取能力和知识利用率。6汽车状态维修应用实例车型：2003年款的新捷达王G；故障现象：怠速时有时轻微抖动，仪表板发动机故障指示灯亮。故障诊断与排除步骤：5.1由于仪表板发动机故障指示灯亮，用修车王电脑诊断仪读取发动机故障码，显示仅一个故障码00561，故障内容是混合气自适应超限。5.2 阅读发动机数据流，除氧传感器信号在03,-04V变化外，其它数据流均正常。 5.3用汽车专用示波器测试氧传感器信号波形所示。说明氧传感器信号在01，10V之间按照一定频率波动，工作正常。确定故障是混合气过稀引起。5.4检查发动机进气系统，发现节气门前面的曲轴箱通风管与进气管连接处有细微裂纹，更换有裂纹软管后故障排除。该车虽然故障现象不明显，但由于具有状态维修的随车诊断监测系统，发动机电控系统有故障时，仍能通过故障指示灯报警，提示尽早进行维修。通过专业设备的综合故障诊断进行维修，从而避免混合气变稀对汽车动力、排放等性能的影响以及故障的进一步发生。7汽车状态维修技术发展趋势汽车状态维修技术在汽车维修中具有广泛的应用前景，并且技术也将更加成熟。就目前国内外关于汽车状态维修技术研究来看，汽车状态维修技术主要在以下两个方面研究将有较大的进展。6.1润滑油状态监测系统 润滑油在线实时监测液体状态传感器，通过对润滑油中磨粒材料的尺寸、形状、含量等进行分析，可以及时地监测发动机、自动变速器等机械磨损状况。由于润滑油中包含的磨损微粒携带着机械运动状态的大量信息。因此，对油液中磨粒的监测和分析可以判断机械故障状况，确定其剩余的工作寿命和运行潜力，预报无故障期限，做到事先预防和减少危险性故障，是汽车机械系统 故障监控的重要并且有效的方法。6.2远程状态监测与故障诊断系统汽车远程状态监测与故障诊断系统由汽车远程状态监测与故障诊断中心、GPS、GSM通信网、移动车辆等主要部分组成。该系统使用移动网络技术对远程车辆进行实时数据采集，获取汽车故障信息和运行状态数据同时，移动车辆与远程中心实现双向实时动态交互，最终得到诊断结果和在线维修等指导。实现汽车远程实时状态监测和故障诊断，极大地提高了汽车运行的安全性、可靠性和维修方便性。6.3传统计划维修的弊端计划维修主要是根据的汽车运行周期，编制汽车的大修与小修计划，贯彻预防为主的方针，做到“到期必修、修必修好”，此制度的核心是定期维护，计划修理”。 实施汽车计划维修，具有很大的弊端。其